[논문 리뷰] Error mitigation increases the effective quantum volume of quantum computers

Ryan LaRose, Andrea Mari외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 10.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 NISQ 시대의 양자 컴퓨터에서 하드웨웨어나 샘플링을 추가로 요구하지 않고도, 영점 노이즈 외삽(ZNE)을 통한 오차 보정이 효과적인 양자 볼륨을 증가시킬 수 있음을 보여준다. 저자들은 노이즈 스케일링된 회로에 리처드슨 외삽을 적용하여 노이즈가 없는 무거운 출력 확률을 추정하며, 이로 인해 효과적인 양자 볼륨이 증가한다 — Belem에서는 3에서 5로, Lima에서는 3에서 4로, Quito에서는 4에서 5로 증가한다. 이는 총 샷 수가 동일한 조건에서 이루어졌다.

ABSTRACT

Quantum volume is a single-number metric which, loosely speaking, reports the number of usable qubits on a quantum computer. While improvements to the underlying hardware are a direct means of increasing quantum volume, the metric is "full-stack" and has also been increased by improvements to software, notably compilers. We extend this latter direction by demonstrating that error mitigation, a type of indirect compilation, increases the effective quantum volume of several quantum computers. Importantly, this increase occurs while taking the same number of overall samples. We encourage the adoption of quantum volume as a benchmark for assessing the performance of error mitigation techniques.

연구 동기 및 목표

• 오차 보정 기법이 근접한 양자 컴퓨터의 효과적인 양자 볼륨을 향상시킬 수 있는지 조사하는 것.
• ZNE와 같은 소프트웨어 수준 기법이 하드웨어 업그레이드나 샘플링 증가 없이도 양자 볼륨을 향상시킬 수 있는지 평가하는 것.
• 오차 보정 기법 평가를 위한 기준으로서의 양자 볼륨 설정.
• 오차 보정을 통한 기대값 추정이 직접적인 비트스트링 샘플링보다 더 높은 효과적인 양자 볼륨을 가능하게 한다는 것을 보여주는 것.

제안 방법

• 저자들은 양자 볼륨 회로에서의 무거운 출력 프로젝터의 노이즈 없는 기대값을 추정하기 위해 리처드슨 외삽을 사용한 영점 노이즈 외삽(ZNE)을 적용한다.
• 로컬 CNOT 게이트를 접어 노이즈 요인 λ ∈ {1, 3, 5, 7, 9}에서 회로를 스케일링한다.
• 각 회로는 각 노이즈 수준당 n_s / 5샷으로 실행되며, 보정된 실험과 보정되지 않은 실험 간 총 샷 수가 유지된다.
• 영점 추정은 외삽 계수 η_i = ∏_{j≠i} (λ_j / (λ_j - λ_i))를 사용한 노이즈 결과의 선형 조합으로 계산된다.
• 각 큐비트 구성에 대해 무거운 출력 확률 ĥ_d를 추정하고, ĥ_d > 2/3 + 2σ를 만족하는 가장 큰 m 값으로 효과적인 양자 볼륨을 결정한다.
• 표준 오차와 신뢰구간을 계산하기 위해 500회 리샘플링을 사용한 부트스트랩 방법을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ZNE와 같은 오차 보정 기법이 양자 컴퓨터의 효과적인 양자 볼륨을 증가시킬 수 있는가?
• RQ2 총 샷 수를 늘리지 않고도 영점 노이즈 외삽이 추정된 무거운 출력 확률을 향상시키는가?
• RQ3 효과적인 양자 볼륨은 오차 보정 성능 평가에 적합한 기준인가?
• RQ4 일반적인 오차 보정 기법은 장치 특화 校정 없이도 양자 볼륨 회로에 적용될 수 있는가?

주요 결과

• IBM의 Belem 장치에서 오차 보정은 효과적인 양자 볼륨을 3 큐비트에서 5 큐비트로 증가시켰다.
• Lima 장치에서는 효과적인 양자 볼륨이 3 큐비트에서 4 큐비트로 증가했다.
• Quito 장치에서는 효과적인 양자 볼륨이 4 큐비트에서 5 큐비트로 증가했다.
• 모든 큐비트 구성에서 보정된 실험은 보정되지 않은 실험보다 더 높은 무거운 출력 확률(ĥ_d)을 달성했으며, 특히 보정되지 않은 실험에서 2/3 기준을 충족하지 못한 경우에도 마찬가지였다.
• 동일한 총 샷 수로도 달성된 결과로, 소프트웨어 기반의 효율성 향상이 입증되었다.
• 결과는 오차가 큐비트 수에 따라 비례 증가하지 않는 한, 오차 보정이 장치 크기와 무관하게 효과적인 양자 볼륨을 향상시킬 수 있음을 시사한다.