[论文解读] Circuit optimization for IBM processors: A way to get higher fidelity and higher values of nonclassicality witnesses

Mitali Sisodia, Abhishek Shukla+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 26被引用 7

一句话总结

本文提出一种针对IBM超导量子处理器的系统性电路优化方法，采用Clifford+T门，降低门数和电路深度，以提升保真度与非经典性判据。通过将定制优化算法应用于现有及基准量子电路，作者显著提升了态保真度，并实现对Mermin不等式的更强违背——非经典性判据从0.85提升至1.116，从而为近期含噪声中等规模量子（NISQ）设备中量子优越性的证据提供了更强支持。

ABSTRACT

Recently, various quantum computing and communication tasks have been implemented using IBM's superconductivity-based quantum computers which are available on the cloud. Here, we show that the circuits used in most of those works were not optimized and the use of the optimized circuits can considerably improve the possibility of observing unique features of quantum mechanics. Specifically, a systematic procedure is used here to obtain optimized circuits (circuits having reduced gate count and number of levels) for a large number of Clifford+T circuits which have already been implemented in the IBM quantum computers. Optimized circuits implementable in IBM quantum computers are also obtained for a set of reversible benchmark circuits. With a clear example, it is shown that the reduction in circuit costs enhances the fidelity of the output state (with respect to the theoretically expected state in the absence of noise) as lesser number of gates and levels introduce lesser amount of errors during evolution of the state. Further, considering Mermin inequality as an example, it's shown that the violation of classical limit is enhanced when we use an optimized circuit. Thus, the approach adopted here can be used to identify relatively weaker signature of quantumness and also to establish quantum supremacy in a stronger manner.

研究动机与目标

• 为解决现有IBM量子计算实验中缺乏电路优化的问题，该问题导致噪声累积引发保真度下降。
• 开发一种通用优化框架，适用于IBM的QX2与QX4五量子比特架构，重点最小化门数与电路深度。
• 证明优化后的电路可产生更高保真度的输出态，并展现出更强的量子非经典性特征，如Mermin不等式的增强违背。
• 实现近端含噪声中等规模量子（NISQ）设备上更可靠的量子算法与基准测试的实施。
• 提供一种可扩展、与架构无关的优化工具，适用于超过五量子比特的IBM量子处理器。

提出的方法

• 作者采用定制优化算法，将输入的Clifford+T电路转换为等效电路，以减少门数与电路层级数。
• 优化过程尊重IBM QX2与QX4处理器的本征耦合架构，包括CNOT门的方向性与连通性约束。
• 首先使用标准方法将电路编译为Clifford+T形式，随后通过最小化T门数与电路深度的合成算法进行优化。
• 该方法通过先前已实现的量子电路与一组可逆逻辑电路基准（包括Full_Adder、Toffoli与ALU功能）进行验证。
• 通过仿真对比原始电路，评估优化后电路在门数、深度与预期保真度方面的表现。
• 利用Mermin不等式量化输出态的非经典性，违背程度以⟨M₃⟩−2表示。

实验结果

研究问题

• RQ1 在IBM五量子比特量子处理器上，对Clifford+T电路进行系统性优化能否降低门数与电路深度？
• RQ2 在噪声存在下，电路优化在多大程度上提升了输出量子态的保真度？
• RQ3 电路优化是否导致Mermin不等式违背程度增强，从而体现更清晰的非经典性特征？
• RQ4 所提出的优化方法能否推广并应用于广泛的量子电路，包括可逆逻辑基准电路？
• RQ5 电路成本的降低如何影响量子优势观测的可靠性与实验可行性？

主要发现

• 三量子比特Mermin不等式实验的优化电路将非经典性判据从0.85提升至1.116，表明对经典极限的违背显著增强。
• 由于门数与电路深度减少，优化后电路的输出态保真度得到提升，从而最小化了态演化过程中的噪声累积。
• 对于可逆基准电路，优化使门数最多减少70%，电路深度最多减少60%，如alu-v2_31与mini-alu_167等电路所示。
• 该优化算法在保持功能等价性的同时，成功减少了CNOT门数量与电路层级数，即使在QX4架构的连通性约束下亦成立。
• 该方法具有通用性与可扩展性，已成功应用于165个基准电路，具备在16量子比特与20量子比特IBM处理器上应用的潜力。
• 结果证实，电路优化对于观测稳健的量子特征及在近期量子设备中确立量子优越性至关重要。