[논문 리뷰] Quantum thermodynamic methods to purify a qubit on a quantum processing unit

Andrea Solfanelli, Alessandro Santini외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 31.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 18인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 게이트 모델 양자 처리 장치(QPU)에서 삼큐비트 회로를 활용하여 냉각 사이클을 모방함으로써 한 큐비트를 정제하는 양자 열역학적 방법을 제안한다. 이 방법은 한 큐비트를 냉각시키는 동안 나머지 두 큐비트를 가열함으로써 작동하며, 동일한 큐비트들 사이에서도 작동하도록 수정된 SWAP 연산을 사용한다. 이로 인해 IBM QPU에서 200 mK까지 효과적인 정제가 가능했으며, 게이트 노이즈가 주요 제한 요소로 밝혀졌다.

ABSTRACT

We report on a quantum thermodynamic method to purify a qubit on a quantum processing unit (QPU) equipped with (nearly) identical qubits. Our starting point is a three qubit design that emulates the well known two qubit swap engine. Similar to standard fridges, the method would allow to cool down a qubit at the expense of heating two other qubits. A minimal modification thereof leads to a more practical three qubit design that allows for enhanced refrigeration tasks, such as increasing the purity of one qubit at the expense of decreasing the purity of the other two. The method is based on the application of properly designed quantum circuits, and can therefore be run on any gate model quantum computer. We implement it on a publicly available superconducting qubit based QPU, and observe a purification capability down to 200 mK. We identify gate noise as the main obstacle towards practical application for quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 노이즈가 있는 중규모 양자(NISQ) 장치에서 초기 상태가 본질적으로 열적 상태이므로 순수한 기본 상태가 아닌 고정밀도의 초기 상태를 준비하는 데 도전하는 것.
• 동일한 주파수를 가진 큐비트들 사이에서 표준 SWAP 엔진이 기능하지 않는 상황에서, 거의 동일한 큐비트들 사이에서 목표 큐비트의 순수성을 높이는 실용적인 방법을 개발하는 것.
• 실제 초전도 QPU에서 양자 열역학 사이클을 실험적으로 실행하여 큐비트 정제를 달성할 수 있음을 보여주는 것.
• 현재 하드웨어에서 이러한 열역학적 정제 프로토콜의 성능을 제한하는 주요 노이즈 원인—특히 게이트 노이즈—를 규명하고 분석하는 것.

제안 방법

• 이 방법은 두 큐비트(0번과 2번)가 공진 주파수 ωH ≈ 10.35 GHz를 가지는 복합 '핫' 시스템을 형성하고, 나머지 하나의 큐비트(1번)가 ωC ≈ 5.01 GHz를 가지는 '콜드' 큐비트로 작용하는 삼큐비트 회로를 사용한다.
• 유니터리 연산 U가 복합 시스템의 논리 상태 |00⟩H와 |11⟩H를 콜드 큐비트의 상태와 교환함으로써, 양자 열기관 사이클을 효과적으로 구현한다.
• 유니터리 U는 제어된-SWAP 유사 게이트를 통해 구현되며, 게이트 분해에서 V 행렬의 선택은 실용적 노이즈 내성에 영향을 주지만 열역학적 결과에는 영향을 주지 않는다.
• 이 프로토콜은 시스템의 초기 열적 상태에 의존하며, 핫 시스템은 온도 TH에서, 콜드 큐비트는 TC < TH에서 Gibbs 상태로 준비된다.
• 냉각 효과는 에너지 수준의 불일치에서 기인한다: ωH > ωC이며, 이로 인해 게이트가 적용될 때 콜드 시스템에서 핫 시스템으로 순수한 열 에너지가 이동한다.
• 이 방법은 Qiskit를 사용하여 IBM ibmq Jakarta 초전도 QPU에서 실행되었으며, V 행렬에 대해 두 가지 선택지가 존재한다: 항등행렬(V = I)과 그 켤레 전치행렬(V = V*).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 SWAP 엔진이 동일한 주파수를 가진 큐비트들 사이에서 실패하는 상황에서, 실제 QPU에서 거의 동일한 큐비트들 사이에 양자 열역학적 냉각 프로토콜을 적용할 수 있는가?
• RQ2 제어된 양자 게이트 연산을 통해 에너지를 소비함으로써, 한 큐비트의 순수성을 얼마나 높일 수 있으며, 이는 다른 두 큐비트를 가열하는 비용을 치르는 조건에서 가능한가?
• RQ3 현재 NISQ 시대 하드웨어의 게이트 노이즈가 이러한 열역학적 프로토콜에서 달성 가능한 냉각 및 정제 성능을 얼마나 제한하는가?
• RQ4 유니터리 게이트 내부 매개변수의 선택(예: V = I 대 V = V*)이 냉각 프로토콜의 실용적 성능에 상당한 영향을 미치는가?
• RQ5 냉각 및 순수성 향상에 대한 이론적 열역학 예측이 실제 양자 프로세서에서 실험적으로 검증될 수 있는가?

주요 결과

• 이 방법은 IBM ibmq Jakarta QPU에서 큐비트 정제를 성공적으로 구현하여 약 200 mK까지 효과적인 냉각을 달성했다.
• 실험 결과, 게이트 매개변수를 V = I로 설정했을 때 목표 큐비트(큐비트 1번)의 순수성이 증가하여, 초기 상태를 초월한 진정한 정제가 이루어졌음을 확인했다.
• TH–TC 평면에서의 위상도는 냉각 영역 존재를 확인하였으며, 실험 결과는 이론적 예측과 정성적으로 일치하였다.
• V = I 선택 시 콜드 큐비트의 기본 상태 비율이 명확히 증가하여, 위상도의 [P] 영역에서 순수성 향상이 확인되었다.
• 게이트 노이즈가 주요 장애물로 규명되었으며, 관측된 냉각 성능(200 mK)은 이론적 한계(노이즈가 없을 경우 영도 온도에 수렴)에 못 미쳤다.
• 큐비트의 물리적 초기화 온도가 15 mK까지 낮아도, 노이즈로 인해 관측된 효과적 냉각은 200 mK로 제한되어 있어, 이론적 잠재력과 현재 하드웨어 제약 사이의 격차를 드러냈다.