[论文解读] Faster and More Reliable Quantum SWAPs via Native Gates

Pranav Gokhale, Teague Tomesh+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于原生超导量子比特门的优化量子SWAP门，以提升IBM硬件上的速度与保真度。通过应用四种技术——SWAP方向选择、交叉门脉冲抵消、通过交叉共振实现的可交换性，以及交叉共振极性调整，该方法将SWAP门持续时间减少11%，保真度提升13%，且无需校准开销，在应用基准测试中实现10–40%的成功率提升。

ABSTRACT

Due to the sparse connectivity of superconducting quantum computers, qubit communication via SWAP gates accounts for the vast majority of overhead in quantum programs. We introduce a method for improving the speed and reliability of SWAPs at the level of the superconducting hardware's native gateset. Our method relies on four techniques: 1) SWAP Orientation, 2) Cross-Gate Pulse Cancellation, 3) Commutation through Cross-Resonance, and 4) Cross-Resonance Polarity. Importantly, our Optimized SWAP is bootstrapped from the pre-calibrated gates, and therefore incurs zero calibration overhead. We experimentally evaluate our optimizations with Qiskit Pulse on IBM hardware. Our Optimized SWAP is 11% faster and 13% more reliable than the Standard SWAP. We also experimentally validate our optimizations on application-level benchmarks. Due to (a) the multiplicatively compounding gains from improved SWAPs and (b) the frequency of SWAPs, we observe typical improvements in success probability of 10-40%. The Optimized SWAP is available through the SuperstaQ platform.

研究动机与目标

• 为减少由于量子比特连接稀疏性导致的超导量子处理器中SWAP门的性能瓶颈。
• 在原生门层面提升SWAP门的速度与保真度，绕过标准的电路级抽象。
• 通过利用预校准的原生门，实现在无需额外校准开销的前提下实现上述改进。
• 通过随机化基准测试和应用级基准测试，在真实IBM量子硬件上对方法进行实验验证。
• 展示由于优化的量子比特通信，真实世界量子应用中保真度的乘法增益。

提出的方法

• 应用SWAP方向选择，根据原生门特性选择更快、更可靠的CNOT-NOTC-CNOT或NOTC-CNOT-NOTC分解方式。
• 使用交叉门脉冲抵消技术，通过抵消控制与目标量子比特之间不必要的共振相互作用，抑制串扰与跃迁泄漏。
• 采用通过交叉共振实现的可交换性，重新配置门序列，使非相邻操作可交换，从而减少易出错的相互作用。
• 调整交叉共振极性，使门相位对齐并减少残余纠缠，提升门保真度。
• 从预校准的原生门构建优化SWAP门，确保零校准开销。
• 通过在IBMQ Johannesburg的22个量子比特对上进行交错随机化基准测试（IRB），验证该方法，测量门错误率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无需校准开销的前提下，通过原生门层面的优化降低SWAP门的持续时间并提升保真度？
• RQ2 串扰与残余纠缠在多大程度上影响SWAP门性能？能否通过脉冲级设计加以缓解？
• RQ3 优化SWAP门在真实量子程序中的端到端应用成功率提升程度如何？
• RQ4 由于通信开销较高，优化SWAP门带来的增益是否可在多个操作中产生乘法效应？
• RQ5 在不同量子比特对上，优化SWAP门与标准SWAP门在错误率与可靠性方面相比如何？

主要发现

• 优化SWAP门比标准SWAP门快11%，其持续时间为3968 dt（882 ns），而标准SWAP门为4448 dt（988 ns），两者均在IBMQ Casablanca上测量。
• 通过交错随机化基准测试测量，优化SWAP门的保真度比标准SWAP门高出13%。
• 在IBMQ Johannesburg的22个量子比特对上，优化SWAP门在成功率衰减率方面始终优于标准SWAP门。
• 应用级基准测试显示，由于更快、更可靠的SWAP门的累积效应，成功率提高了10–40%。
• 该方法因基于预校准的原生门，不产生任何校准开销。
• 优化SWAP门可通过SuperstaQ平台直接用于量子程序。