[論文レビュー] Efficiently characterizing the total error in quantum circuits

Arnaud C. Dugas, Joel J. Wallman+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2016

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、コンponentゲートの忠実度とユニタリティを活用することで、量子回路全体の誤りの上限を改善し、ランダム化ベンチマークによる誤り推定をより厳密に行うことを可能にした。この手法により、2次と線形の誤りスケーリングの間を滑らかに補間でき、ゲート特徴化のためのインタレーブドランダム化ベンチマークにおける精度が顕著に向上する。

ABSTRACT

There is currently a significant need for robust and efficient methods for characterizing quantum devices. While there has been significant progress in this direction, there remains a crucial need to precisely determine the strength and type of errors on individual gate operations, in order to assess and improve control as well as reliably bound the total error in a quantum circuit given some partial information about the errors on the components. In this work, we first provide an optimal bound on the total fidelity of a circuit in terms of component fidelities, which can be efficiently experimentally estimated via randomized benchmarking. We then derive a tighter bound that applies under additional information about the coherence of the error, namely, the unitarity, which can also be efficiently estimated via a related experimental protocol. This improved bound smoothly interpolates between the worst-case quadratic and best-case linear scalings for composite error channels. As an application we show how our analysis substantially improves the achievable precision on estimates of the error rates of individual gates under interleaved randomized benchmarking, enabling greater precision for current experimental methods to assess and tune-up control over quantum gate operations.

研究の動機と目的

• 量子ゲート誤りの正確な特徴化が、量子回路の制御と信頼性を向上させるために不可欠であるという重要なニーズに対応する。
• 個々のゲートの忠実度とコherー二ンスに関する部分的な実験データに基づいて、回路全体の誤りを上限づける手法を開発する。
• 誤りチャネルのユニタリティに関する情報を組み込むことで、インタレーブドランダム化ベンチマークの精度を向上させる。
• より厳密な誤りバウンドを通じて、量子ゲート動作のより正確な評価とチューニングを可能にする。
• 近い将来の量子デバイスにおける誤り特徴化のスケーラブルで実験的に実現可能なフレームワークを提供する。

提案手法

• 標準的なランダム化ベンチマークを用いて効率的に測定可能なコンponentゲートの忠実度に基づき、回路全体の忠実度に対する最適なバウンドを導出する。
• 誤りチャネルのユニタリティ（コherー二ンスの尺度）を組み込むことで、より厳密な誤りバウンドを導入する。このユニタリティは、関連する実験的手順を用いて推定可能である。
• 誤りのコherー二ンスの度合いに応じて、最悪ケース（2次）と最良ケース（線形）の誤りスケーリングの間を補間する合成誤りモデルを構築する。
• ユニタリティを修正パラメータとして用い、ゲート誤りの観察されたコherー二ンスに応じて誤りバウンドを動的に調整する。
• 改善されたバウンドをインタレーブドランダム化ベンチマークに適用し、個々のゲート誤り率推定の精度を向上させる。
• 本手法のすべての要素が、既存の量子ベンチマークプロトコルを用いて実験的にアクセス可能であることを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々のゲート誤りに関する部分的な情報のみを用いて、回路全体の誤りをより厳密にバウンドする方法は何か？
• RQ2 ユニタリティで定量化される誤りのコherー二ンスは、量子回路の誤りバウンドを精緻化する上で果たす役割は何か？
• RQ3 ユニタリティ情報の組み込みが、ゲート誤り率推定の精度を顕著に向上させ得るか？
• RQ4 提案されたバウンドは、誤りのコherー二ンスに応じて、2次と線形の誤りスケーリングの間をどのように補間するか？
• RQ5 実際の応用において、改善されたバウンドはインタレーブドランダム化ベンチマークの正確性をどの程度向上させるか？

主な発見

• 誤りのコherー二ンスに関する追加情報が得られる場合、本研究で提案する回路全体の忠実度バウンドは、従来のバウンドよりも厳密である。
• ユニタリティの組み込みにより、誤りの最悪ケース（2次）と最良ケース（線形）のスケーリングの間を滑らかに補間する誤りバウンドが可能になる。
• 本手法により、インタレーブドランダム化ベンチマークを用いた個々のゲート誤り率推定の精度が顕著に向上する。
• 導出されたバウンドは、標準的なランダム化ベンチマークとユニタリティ推定プロトコルのみに依存するため、実験的に実現可能である。
• 本フレームワークは、近い将来のデバイスにおける誤り特徴化のためのスケーラブルで頑健なアプローチを提供し、量子制御の信頼性を向上させる。
• 結果から、現在の量子ハードウェアにおいて高精度なゲート特徴化を達成するには、コherー二ンスに配慮した誤りバウンドが不可欠であることが示された。