[论文解读] Implementation of quantum compression on IBM quantum computers

Matej Pivoluska, Martin Plesch|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 7

一句话总结

本文在 IBM 量子处理器上实现了 3 到 2 量子比特的量子压缩算法，通过优化的编译过程最小化电路深度与错误。尽管将三个量子比特压缩为两个的逻辑看似简单，但完整的压缩-解压缩循环仍超出当前硬件的保真度与相干性极限，凸显了编译与硬件连通性在量子算法性能中的关键作用。

ABSTRACT

Advances in development of quantum computing processors brought ample opportunities to test the performance of various quantum algorithms with practical implementations. In this paper we report on implementations of quantum compression algorithm that can efficiently compress unknown quantum information. We restricted ourselves to compression of three pure qubits into two qubits, as the complexity of even such a simple implementation is barely within the reach of today's quantum processors. We implemented the algorithm on IBM quantum processors with two different topological layouts - a fully connected triangle processor and a partially connected line processor. It turns out that the incomplete connectivity of the line processor affects the performance only minimally. On the other hand, it turns out that the transpilation, i.e. compilation of the circuit into gates physically available to the quantum processor, crucially influences the result. We also have seen that the compression followed by immediate decompression is, even for such a simple case, on the edge or even beyond the capabilities of currently available quantum processors.

研究动机与目标

• 在真实的 IBM 量子处理器上实现并测试 3 到 2 量子比特的压缩算法。
• 评估量子处理器拓扑结构（全连接与部分连接）对算法保真度的影响。
• 研究编译对真实硬件上量子电路性能的影响。
• 评估在当前含噪声的中等规模量子（NISQ）设备上执行完整压缩-解压缩循环的可行性。

提出的方法

• 使用带有受控 U3 门、CNOT 门和量子施尔-外尔变换（QSWT）的门模型实现 3 到 2 的压缩算法。
• 通过 Qiskit 的 transpile 函数，采用不同优化级别（0 到 3）对电路进行编译，将逻辑门映射为原生基门。
• 将算法拆分为子电路（U3 门与退纠缠部分）以实现针对性编译，随后重新组合并进一步优化。
• 通过按顺序应用优化级别 3、2 和 1 生成高效电路，并采用随机采样选择性能最佳的变体。
• 通过模拟中的 100 万次测量和硬件运行中的 8192 次测量，将最终解压缩态与理想目标态 |ψ⟩⊗3 进行比较以测量保真度。
• 本研究在两个 IBM 后端（ibmq_5_yorktown 和 ibmq_bogota）上对比了默认电路与优化后电路的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 IBM 量子处理器的连通性拓扑结构（三角形与线性）如何影响量子压缩电路的保真度？
• RQ2 在真实硬件上，编译在多大程度上影响量子电路的成功率与保真度？
• RQ3 当前的 NISQ 设备能否成功执行 3 到 2 量子比特的压缩-解压缩循环？
• RQ4 Qiskit 编译器中的优化级别在最小化电路深度与错误累积方面起到什么作用？
• RQ5 在保真度方面，该量子压缩任务的模拟结果与实际硬件运行结果相比如何？

主要发现

• 编译过程对电路保真度具有决定性影响，与默认编译相比，优化编译显著提升了结果。
• 全连接的三角形处理器（ibmq_bogota）在压缩-解压缩循环中实现了最高 0.876 的保真度，而线性处理器（ibmq_5_yorktown）仅达到 0.651。
• 即使经过优化，ibmq_bogota 上的完整压缩-解压缩循环保真度仍为 0.876，表明其已接近当前硬件能力的极限。
• ibmq_bogota 的硬件运行保真度始终低于模拟结果，10 次运行的标准差为 ±0.03，表明对噪声高度敏感。
• 在未进行优化的编译下，默认电路在 ibmq_bogota 上的保真度仅为 0.358，证明了电路优化的必要性。
• 生成的最高效电路仅包含 10 个 CNOT 门，约占 10% 的编译尝试中实现，表明低深度电路虽罕见但可实现。