[논문 리뷰] Effects of Dynamical Decoupling and Pulse-level Optimizations on IBM Quantum Computers

Siyuan Niu, Aida Todri‐Sanial|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 04.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 IBM 양자 프로세서에서 동적 디커플링(DD)과 펄스 수준 최적화를 평가하며, DD만으로는 특정 알고리즘에만 유익한 것으로 나타났지만, DD와 펄스 효율적인 게이트 합성의 조합은 Max-Cut 문제에 대한 QAOA에서 회로 신뢰도를 일관되게 향상시킴을 보여준다. 이 연구는 NISQ 장치에서 고신뢰도 양자 회로 설계를 위한 경험적 지침을 제공한다.

ABSTRACT

Currently available quantum computers are prone to errors. Circuit optimization and error mitigation methods are needed to design quantum circuits to achieve better fidelity when executed on NISQ hardware. Dynamical decoupling (DD) is generally used to suppress the decoherence error and different DD strategies have been proposed. Moreover, the circuit fidelity can be improved by pulse-level optimization, such as creating hardware-native pulse-efficient gates. This paper implements all the popular DD sequences and evaluates their performances on IBM quantum chips with different characteristics for various well-known quantum applications. Also, we investigate combining DD with pulse-level optimization method and apply them to QAOA to solve Max-Cut problem. Based on the experimental results, we found that DD can be a benefit for only certain types of quantum algorithms, while the combination of DD and pulse-level optimization methods always has a positive impact. Finally, we provide several guidelines for users to learn how to use these noise mitigation methods to build circuits for quantum applications with high fidelity on IBM quantum computers.

연구 동기 및 목표

• 다양한 동적 디커플링(DD) 시퀀스가 다양한 특성을 지닌 여러 IBM 양자 프로세서에서 양자 회로의 신뢰도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• DD와 펄스 수준 최적화를 조합했을 때 개별 기법을 넘어서 회로 성능 향상이 이루어지는지 조사하기 위해.
• DD와 펄스 효율적인 게이트를 활용하여 NISQ 시대 양자 계산에서 신뢰도를 향상시키기 위한 실용적이고 응용 중심의 지침을 제공하기 위해.
• IBM 초전도 양자 하드웨어에서 강력한 KDD 시퀀스의 효능을 탐색하기 위해. 이는 본문에서 새로운 적용 사례이다.
• QAOA, QFT, 그래프 상태 준비와 같은 대표적인 양자 알고리즘에서 DD 및 최적화의 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• IBM 양자 칩에 다수의 DD 시퀀스 구현: 하인 에코, CPMG, XY4, XY8, XY16, UDD_X, UDD_Y, 그리고 강력한 KDD.
• 추가 校정 오버헤드 없이 하드웨어 네이티브 게이트를 생성하기 위해 펄스 효율적인 게이트 합성 기법 적용.
• Max-Cut 문제를 위한 양자 근사 최적화 알고리즘(QAOA) 회로에 DD와 펄스 효율 최적화 통합.
• 상대적 프로세스 토모그래피 신뢰도(PST), 상대적 젠슨-셜라드 수렴도(JSD), 상대적 근사 비율과 같은 메트릭을 사용한 벤치마킹.
• 큐비트 수와 양자 볼륨이 다른 4개의 IBM 양자 프로세서에서 실험: ibmq_jakarta, ibmq_guadalupe, ibmq_toronto, ibmq_montreal.
• 저수준 펄스 제어 및 회로 커스터마이제이션을 가능하게 하여 최적화된 게이트와 DD 시퀀스의 정밀한 구현을 위한 Qiskit Pulse 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 특성을 지닌 IBM 양자 프로세서에서 서로 다른 DD 시퀀스가 양자 회로의 신뢰도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 QAOA, QFT, 또는 그래프 상태 준비와 같은 특정 양자 알고리즘을 실행할 때 DD의 효과성이 달라지는가?
• RQ3 DD와 펄스 수준 최적화의 조합이 다양한 양자 알고리즘과 하드웨어 플랫폼에서 일관되게 회로 신뢰도 향상에 기여하는가?
• RQ4 IBM의 초전도 양자 프로세서에서 강력한 KDD 시퀀스의 성능은 어떠한가? 기존 DD 시퀀스와 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ5 QAOA의 Max-Cut 문제에서 DD와 펄스 최적화의 어떤 조합이 근사 비율 향상에 가장 큰 기여를 하는가?

주요 결과

• DD만으로는 특정 유형의 양자 알고리즘에서만 회로 신뢰도가 향상되며, 다양한 IBM 양자 칩 간 성능 향상 폭이 크게 달라진다.
• DD와 펄스 효율 최적화의 조합은 Max-Cut 문제에 대한 QAOA 회로에서 상대적 근사 비율을 일관되게 향상시키며, ibmq_guadalupe에서 최대 0.20, ibmq_montreal에서 최대 0.15 향상됨.
• 강력한 KDD 시퀀스는 IBM 장치에서 뚜렷한 성능을 보였으며, 특히 ibmq_montreal에서 일부 경우에서 표준 시퀀스인 XY4나 CPMG를 뛰어넘는 성능을 보였다.
• 펄스 효율 최적화만으로도(ibmq_guadalupe에서 최대 0.15 향상) 근사 비율 향상이 가능하여 독립적으로 사용했을 때의 강력한 영향을 시사한다.
• 상대적 PST 및 JSD 메트릭은 모든 테스트된 장치와 벤치마크에서 DD + pe 조합이 가장 높은 신뢰도를 확보했음을 확인했다.
• 연구에서 하드웨어 특성인 큐비트 연결성, 게이트 지연 시간, 비에이전시율 등이 DD 및 최적화 기법의 효과성에 상당한 영향을 미친다는 것이 드러났다.