[論文レビュー] Demonstration of quantum volume 64 on a superconducting quantum computing system

Petar Jurcevic, Ali Javadi-Abhari+29 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 55被引用数 421

ひとこと要約

この論文は、コンpiler最適化、より短い2キュービットゲート、アイドルキュービットにおけるダイナミカルデカップリング、および励起状態促進（ESP）読み取りを統合することで、IBMの27キュービット超伝導量子プロセッサ ibmq montreal において量子ボリューム64を達成した。ハードウェアに配慮したソフトウェアとパルスレベル制御の改善を組み合わせることで、ヘヴィ出力確率が 0.701 ± 0.031 に達し、2/3のしきい値を超えて98.744%の信頼水準で有意であった。これは、誤り耐性量子計算への前進を示している。

ABSTRACT

We improve the quality of quantum circuits on superconducting quantum computing systems, as measured by the quantum volume, with a combination of dynamical decoupling, compiler optimizations, shorter two-qubit gates, and excited state promoted readout. This result shows that the path to larger quantum volume systems requires the simultaneous increase of coherence, control gate fidelities, measurement fidelities, and smarter software which takes into account hardware details, thereby demonstrating the need to continue to co-design the software and hardware stack for the foreseeable future.

研究の動機と目的

• 超伝導量子プロセッサ上で量子ボリューム64を達成し、誤り耐性量子計算への道のりを前進させること。
• ノイジー中規模量子（NISQ）システムにおけるゲートのフィデリティ、測定誤差、デコherenceの制限を克服すること。
• 量子ボリュームの向上が、低レベルのパルス制御とコンpiler最適化を含むソフトウェアとハードウェアの共同設計を要することを実証すること。
• 量子ボリュームのような包括的システム指標が、孤立したゲートフィデリティを超えた進捗を測る上で不可欠であることを検証すること。

提案手法

• エラー蓄積を最小限に抑えるために、Qiskitでコンパイラ最適化を実装し、回路の深さとゲート数を削減した。
• 直接CNOTゲートに回転エコーパルスと最適化されたパルス形状を適用することで、2キュービットゲートの持続時間を199–309ナノ秒に短縮した。
• アイドルキュービットにダイナミカルデカップリングシーケンスを適用し、低周波数ノイズによるデコherenceを抑制した。
• 測定前に|1⟩状態のパopulationを|f⟩状態に転送するπパルスを適用することで、励起状態促進（ESP）読み取りを導入し、信号分離を向上させ、読み取り誤差を低減した。
• 状態識別をI-Q平面上で線形判別分析（LDA）を用いて行い、割り当ての正確性を向上させた。
• Qiskitランタイムスタック内にすべての改善をキャリブレーションおよび統合し、低レベルのパルス制御とハードウェアに配慮したコンパイルを可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導量子プロセッサ上で、統合されたハードウェアとソフトウェアの改善によって、量子ボリュームが32を超えて向上するか。
• RQ2 ダイナミカルデカップリング、より短い2キュービットゲート、ESP読み取りが個別および総合的に、量子回路のフィデリティにどの程度寄与するか。
• RQ3 ハードウェアに配慮したコンパイラ最適化が、実世界の量子システムにおける回路の深さとエラー率にどのように影響を与えるか。
• RQ4 ESP読み取りのようなパルスレベル制御と測定の向上が、ゲートの複雑さを増さずにSPAM誤差を顕著に低減できるか。
• RQ5 複数のフィデリティ向上技術が、包括的量子ボリューム指標にどのように組み合わされ、総合的に影響を与えるか。

主な発見

• IBM Quantum Falconプロセッサ ibmq montreal は、ヘヴィ出力確率が 0.701 ± 0.031 に達し、量子ボリューム64を達成した。2/3のしきい値を超えて98.744%の信頼水準（z = 2.25）で有意であった。
• コンパイラ最適化、より短い2キュービットゲート（199–309ナノ秒）、アイドルキュービットへのダイナミカルデカップリング、およびESP読み取りの組み合わせが、QV64の達成を可能にした。
• 励起状態促進（ESP）読み取りにより、合計割り当て誤差が標準手順の0.10から3.5 × 10⁻²に低下し、リセット誤差は3.7 × 10⁻²にまで減少した。
• 平均T1およびT2コherenct時間は、それぞれ113 µsおよび122 µsであり、より長いゲートおよび回路実行時間窓を可能にした。
• 2キュービットゲートの不正確性は6.4 × 10⁻³に低下し、1キュービットゲート誤差は3.8 × 10⁻⁴にまで低下した。これは、高精度なゲート操作を示している。
• この結果は、量子ボリュームが、ゲートフィデリティ、測定フィデリティ、コherenct時間、コンパイラ効率の同時向上を要する感受性が高く包括的なベンチマークであることを確認している。