[논문 리뷰] Complete characterization of the single-qubit quantum gates used in the IBM quantum processors

Abhishek Shukla, Mitali Sisodia외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 18.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 34인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 IBM의 QX2 및 QX4 양자 프로세서에 내장된 모든 단일 큐비트 게이트에 대해 양자 과정 톰ограф리를 수행하여 게이트의 정밀도를 평가하고 스케일러블한 양자 계산의 가능성 여부를 분석한다. 그 결과 QX4는 일반적으로 QX2보다 높은 게이트 정밀도를 보였지만, NMR와 같은 다른 기술들과 비교해도 여전히 낮은 정밀도를 보이며, 고도로 복잡한 양자 연산을 위한 고장 내성 운영을 실현하기 위해서는 상당한 기술적 향상이 필요하다는 점을 밝혀냈다.

ABSTRACT

Quantum process tomography of each single-qubit quantum gate used in the IBM quantum processors is performed to compute gate error in order to check viability of complex quantum operations in the superconductivity-based quantum computers introduced by IBM and to compare the quality of these gates with the corresponding gates implemented using other technologies. Gate fidelities for all the allowed gates for every allowed position (i.e., by placing the gates in different qubit lines) have been obtained and reported for IBM QX4 architecture. Gate fidelities are observed to be lower than the corresponding values obtained in the other technologies, like NMR. Further, gate fidelities for all the single-qubit gates are obtained for IBM QX2 architecture by placing the gates in the third qubit line ($q[2]$). It's observed that the IBM QX4 architecture yields better gate fidelity compared to IBM QX2 in all cases except the case of $\operatorname{Y}$ gate as far as the gate fidelity corresponding to the third qubit line is concerned. In general, the analysis performed here leads to a conclusion that a considerable technological improvement would be inevitable to achieve the desired scalability required for the realization of complex quantum operations.

연구 동기 및 목표

• 게이트 정밀도를 측정하여 IBM의 초전도 양자 프로세서가 복잡한 양자 연산에 적합한지 평가하기.
• 다른 큐비트 위치에서의 단일 큐비트 게이트 성능을 비교하기.
• 특히 두 아키텍처의 세 번째 큐비트 라인($q[2]$)에서의 게이트 정밀도가 위치에 따라 어떻게 변하는지 평가하기.
• NMR와 같은 다른 양자 기술과의 비교를 통해 IBM의 성능을 벤치마킹하고 기술적 격차를 파악하기.

제안 방법

• IBM QX2 및 QX4 프로세서의 모든 단일 큐비트 게이트에 대해 양자 과정 톰그래피(QPT)를 적용하여 과정 행렬을 재구성한다.
• 재구성된 과정 행렬에서 게이트 정밀도를 계산하여 게이트 성능을 정량화한다.
• 게이트를 다양한 큐비트 라인에 위치시켜 측정하였으며, 특히 일관성과 위치에 따른 변동성을 분석하기 위해 세 번째 큐비트 라인($q[2]$)을 중심으로 분석하였다.
• 아키텍처 간 비교(예: QX2 대 QX4) 및 기술 간 비교(예: IBM 대 NMR)를 통해 상대적 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IBM QX4 프로세서에서 세 번째 큐비트 라인($q[2]$)에서 측정한 모든 단일 큐비트 게이트의 게이트 정밀도는 얼마인가?
• RQ2 세 번째 큐비트 라인($q[2]$)에서 IBM QX2 프로세서의 게이트 정밀도는 QX4 프로세서와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 IBM의 초전도 양자 프로세서에서의 게이트 정밀도는 NMR와 같은 다른 기술과 비교해 유사한가?
• RQ4 큐비트 위치가 IBM의 양자 아키텍처에서 게이트 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 세 번째 큐비트 라인($q[2]$)에서 측정한 결과, QX4 아키텍처는 Y 게이트를 제외한 모든 단일 큐비트 게이트에서 QX2보다 높은 게이트 정밀도를 기록하였다.
• IBM의 초전도 양자 프로세서에서의 게이트 정밀도는 NMR와 같은 다른 기술에서 보고된 수준보다 일관되게 낮았다.
• QX4 프로세서의 Y 게이트는 세 번째 큐비트 라인에서 QX2 프로세서의 정밀도보다 낮은 정밀도를 보이며, 위치에 따라 특수한 이상 현상을 보였다.
• 연구는 스케일러블하고 고장 내성 있는 양자 계산을 실현하기 위해 높은 수준의 게이트 정밀도를 확보하기 위해 상당한 기술적 향상이 필요하다고 결론내렸다.