[论文解读] Improved Quantum State Tomography for Superconducting Quantum Computing Systems

Tao Xin|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 7

一句话总结

该论文通过将两比特演化算符作为读出设置，结合整数规划方法，提出了一种针对超导量子计算（SQC）系统的优化量子态层析方法，显著降低了测量开销。该方法在各种量子比特连通性结构（最近邻、二维网格及全连接）下，均实现了超过60%的测量次数减少，从而实现了高效且可扩展的量子态重建。

ABSTRACT

Quantum device characterization via state tomography plays an important role in both validating quantum hardware and processing quantum information, unfortunately with the exponential number of the measurements. As one of the main stream quantum platforms, superconducting quantum computing (SQC) system at least requires $3^n$ measurement settings consisted of single-qubit readout operators in reconstructing a $n$-qubit state. In this work, I add the 2-qubit evolutions as the readout operators, and propose an optimal tomographic scheme with the cost-reduced measurements using the integer programming. In detail, I present the minimum number of required measurements to fully reconstruct a state for the Nearest-Neighbor, 2-Dimensional, and All-to-All connectivities on SQC qubits. It is shown that this method can reduce the number of measurements by over 60% compared with the previous state tomography on SQC systems. It is expected that the experimentalist from SQC field can directly utilize the ready-made results for reconstructing quantum states involved in their research. Besides, this method can be applied to reduce the complexity of traditional state tomography in some quantum platforms including but not limited to SQC systems.

研究动机与目标

• 解决量子态层析中测量成本指数级增长的问题，这是表征超导量子计算（SQC）硬件的主要瓶颈。
• 在标准的3^n单量子比特读出方法之外，减少在SQC系统中重建n量子比特态所需的测量设置数量。
• 为不同量子比特连通性架构（最近邻、二维网格及全连接）设计定制化的最优层析方案。
• 为实验用SQC研究人员提供即用型测量设置，以加速量子态重建。
• 通过降低传统态层析的复杂度，使该方法可广泛适用于其他量子平台。

提出的方法

• 引入两量子比特演化算符作为额外的读出设置，以补充量子态层析中的单量子比特测量。
• 将测量成本最小化问题建模为整数规划问题，以识别所需测量设置的最小集合。
• 针对三种不同的量子比特连通性模式（最近邻、二维网格、全连接）分别优化测量方案。
• 通过确保所选测量设置包含足够的信息内容，保证全态重建保真度。
• 利用每种连通性类型的对称性与结构特性，减少整数规划中的搜索空间。
• 通过验证所选测量设置能构成密度矩阵的完整基，确保解的最优性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有最近邻连通性的超导量子计算系统中，完全重建n量子比特态所需的最少测量设置数量是多少？
• RQ2 与标准单量子比特层析相比，将两量子比特演化算符引入后，如何降低SQC架构中的测量开销？
• RQ3 整数规划能否有效用于寻找不同量子比特连通性模式下量子态层析的最优测量设置？
• RQ4 与3^n基线相比，该方法在2D和全连接SQC连通类型下，测量成本可降低多少？
• RQ5 优化后的测量方案能否被实验人员直接应用于真实SQC系统中，以加速量子态重建？

主要发现

• 与传统的单量子比特读出层析相比，所提方法在超导量子计算系统中将所需测量次数减少了60%以上。
• 通过整数规划，明确推导出最近邻、二维网格及全连接量子比特连通架构下的最小测量设置数量。
• 将两量子比特演化算符作为读出设置，可在不牺牲态重建保真度的前提下，实现显著的测量成本降低。
• 该方法提供了即用型、优化后的测量设置，实验人员可直接集成到其量子态重建工作流中。
• 该框架具有通用性，可推广应用于其他量子计算平台，以降低其态层析的复杂度，而不仅限于超导系统。