[论文解读] Mitigating noise in digital and digital-analog quantum computation

Paula García-Molina, Ana Belén Barragán Martín+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 5

一句话总结

本文提出在含噪声中等规模量子（NISQ）时代，数字-模拟量子计算（DAQC）是数字量子计算（DQC）更具抗噪声能力的替代方案。通过结合快速单量子比特门与自然哈密顿量演化实现纠缠门操作，DAQC降低了对控制误差和串扰的敏感性；模拟结果表明，在真实超导量子比特噪声条件下，DAQC在量子傅里叶变换和相位估计算法中均实现了比DQC更高的保真度，且该优势随量子比特数量增加而增强。

ABSTRACT

Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) devices lack error correction, limiting scalability for quantum algorithms. In this context, digital-analog quantum computing (DAQC) offers a more resilient alternative quantum computing paradigm that outperforms digital quantum computation by combining the flexibility of single-qubit gates with the robustness of analog simulations. This work explores the impact of noise on both digital and DAQC paradigms and demonstrates DAQC's effectiveness in error mitigation. We compare the quantum Fourier transform and quantum phase estimation algorithms under a wide range of single and two-qubit noise sources in superconducting processors. DAQC consistently surpasses digital approaches in fidelity, particularly as processor size increases. Moreover, zero-noise extrapolation further enhances DAQC by mitigating decoherence and intrinsic errors, achieving fidelities above 0.95 for 8 qubits, and reducing computation errors to the order of $10^{-3}$. These results establish DAQC as a viable alternative for quantum computing in the NISQ era.

研究动机与目标

• 评估在NISQ时代，数字-模拟量子计算（DAQC）相较于数字量子计算（DQC）是否具备更优的抗噪声能力。
• 比较DQC与DAQC在超导量子处理器中实际存在的噪声源（如振幅阻尼、比特翻转和去极化噪声）下的性能表现。
• 研究DAQC相对于DQC在量子比特数量增加时的可扩展性。
• 将量子误差缓解技术（如零噪声外推和理查德森外推）适配至DAQC框架，以进一步抑制噪声影响。
• 通过基准量子算法（量子傅里叶变换（QFT）和量子相位估计（QPE））验证DAQC的有效性。

提出的方法

• 在3-和6-量子比特系统上，分别使用DQC和DAQC范式模拟量子傅里叶变换（QFT）和量子相位估计（QPE）算法。
• 基于超导量子比特硬件构建全面的噪声模型，包括T₁弛豫、T₂退相干、振幅阻尼、比特翻转和去极化通道。
• 采用数字-模拟范式（DAQC），通过快速单量子比特门与自然两量子比特相互作用哈密顿量演化实现纠缠门操作。
• 在噪声DAQC电路中应用量子误差缓解技术（零噪声外推、理查德森外推和泡利误差缓解），以恢复理想结果。
• 使用保真度和期望值（如⟨Z₀⟩）作为指标评估性能，将噪声结果与理想目标进行比较。
• 在量子比特数量不断增加的情况下，比较DQC、sDAQC（单个模拟块）和bDAQC（分块模拟演化）在保真度和期望值准确性方面的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实超导量子比特噪声条件下，DAQC与DQC在量子傅里叶变换中的保真度表现如何？
• RQ2 DAQC相较于DQC的性能优势是否会随着系统中量子比特数量的增加而提升？
• RQ3 能否有效将量子误差缓解技术适配至DAQC框架，以抑制噪声影响？
• RQ4 模拟块结构的选择（sDAQC与bDAQC）如何影响对噪声（尤其是比特翻转错误）的鲁棒性？
• RQ5 在噪声DAQC电路中，能否通过误差缓解技术准确恢复如⟨Z₀⟩之类的期望值？

主要发现

• 对于3-量子比特QFT电路，bDAQC在相同噪声模型下实现了约90%的保真度，优于sDAQC（约85%）和DQC（约80%）。
• 随着量子比特数量的增加，bDAQC与DQC之间的保真度差距进一步扩大，表明DAQC范式具有更优的可扩展性。
• 即使在显著噪声条件下（如T₁ = 50 μs，p = 0.35），bDAQC仍能保持高保真度，且误差缓解将⟨Z₀⟩误差降低至ε ≈ 0.0003。
• 通过理查德森外推进行误差缓解，可恢复⟨Z₀⟩ ≈ 0.2883，非常接近理想值，表明状态重建具有高度准确性。
• 保真度和期望值结果证实，在真实噪声条件下，bDAQC对理想量子态的逼近优于DQC。
• 本研究证明，误差缓解技术可成功适配至DAQC框架，进一步强化了其作为NISQ时代量子计算范式的可行性。