[논문 리뷰] State Preparation on Quantum Computers via Quantum Steering

Daniel Volya, Prabhat Mishra|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 27.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 67인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 근접된 초전도 양자 컴퓨터에서 임의의 양자 상태를 준비하기 위한 측정 유도 양자 스티어링 프로토콜을 제시한다. 시스템 큐비트를 반복적으로 보조 큐비트와 얽히게 하고, 보조 큐비트를 측정하며, 활성적으로 |0⟩으로 재설정함으로써 시스템 상태가 원하는 목표 상태로 스티어링된다 — 이는 큐비트와 큼직한 큐트리트 모두에 대해 실험적으로 입증되었으며, 지수적 수렴 속도를 보이며 측정 결과로부터 온라인으로 얻은 고전적 피드백에 의해 가속화된다.

ABSTRACT

One of the major components for realizing quantum computers is the ability to initialize the computer to a known fiducial state, also known as state preparation. We demonstrate a state preparation method via measurement-induced steering on contemporary, digital quantum computers. By delegating ancilla qubits and systems qubits, the system state is prepared by repeatedly performing the following steps: (1) executing a designated system-ancilla entangling circuit, (2) measuring the ancilla qubits, and (3) re-initializing ancilla qubits to known states through active reset. While the ancilla qubits are measured and reinitialized to known states, the system qubits are steered from arbitrary initial states to desired final states. We show results of the method by preparing arbitrary qubit states and qutrit (three-level) states. We also demonstrate that the state convergence can be accelerated by utilizing the readouts of the ancilla qubits to guide the protocol in an active manner. This protocol serves as a nontrivial example that incorporates and characterizes essential operations such as qubit reuse (qubit reset), entangling circuits, and measurement. These operations are not only vital for near-term noisy intermediate-scale quantum (NISQ) applications but are also crucial for realizing future error-correcting codes.

연구 동기 및 목표

• 긴 생존 시간으로 인해 수동적 열화가 비실용적이게 되는 상황에서, 비기본 상태로 양자 컴퓨터를 초기화하는 데 도전하는 데에 대비하기 위해.
• 정밀한 게이트 캘리브레이션과 광범위한 오류 보정이 필요 없는 스케일러블하고 게이트 기반의 상태 준비 방법을 개발하기 위해.
• 양자 얽힘 게이트, 중간 회로 측정, 큐비트 재설정와 같은 핵심 NISQ 연산의 통합 성능을 상태 허용도를 통해 특성화하기 위해.
• 실제 IBM 양자 하드웨어에서 큐비트와 고차원 큐디트(큐트리트) 모두에 대한 상태 준비의 가능성을 입증하기 위해.
• 실시간으로 보조 큐비트 측정 결과를 활용한 피드백 기반 스티어링이 수렴 속도를 어떻게 가속화하는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 시스템 큐비트와 보조 큐비트 사이의 유니타리 얽힘 상호작용 $ U(J) $ 는 결합 강도 $ J $ 를 매개변수로 하여 시스템에 역작용을 유도한다.
• 각 얽힘 연산 이후 보조 큐비트는 측정되고, IBM 프로세서에서 이용 가능한 중간 회로 측정과 양자 재설정 연산을 통해 |0⟩으로 활성적으로 재설정된다.
• 반복적인 얽힘 유니타리 연산과 측정 유도 붕괴에 따라 시스템 큐비트는 초기 조건과 무관하게 목표 상태로 수렴한다.
• 활성 스티어링을 위해 고전적 피드백은 보조 큐비트 독출 결과를 이용해 프로토콜 매개변수를 적응적으로 조정함으로써 수렴 속도를 가속화한다.
• 큐트리트 상태 준비를 위해 Qiskit Pulse를 사용한 펄스 수준 제어를 통해 $ \pi_{1\to2} $ 전이의 라비 진동과 주파수 스윕을 캘리브레이션한다.
• 양자 상태 토모그라피는 게일-만 행렬을 사용하여 시스템 큐비트 또는 큽트리트의 밀도 행렬을 재구성하며, 측정 독출에 오류 보정을 적용한다.

Figure 1: The measurement-induced steering protocol conceptually consists of (a) passively steering a system (qubit or qutrit) to an arbitrary state via coupling to an ancilla qubit that is exposed to an environment for measurement and simple state reset (i.e., to $\ket{0}$ ). A specifically chosen

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정 유도 양자 스티어링이 게이트 기반 상태 준비에 의존하지 않고 현재 디지털 양자 컴퓨터에서 임의의 상태 준비를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 시스템 상태가 목표 상태로 수렴하는 속도는 반복 횟수와 결합 강도 $ J $ 에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 보조 큐비트 측정 결과로부터 온라인으로 얻은 고전적 피드백이 스티어링 프로토콜의 수렴 속도를 얼마나 가속화할 수 있는가?
• RQ4 실제 하드웨어에서 활성 재설정과 측정 피드백을 사용할 경우 큐비트와 큽트리트의 상태 준비 허용도는 어느 정도인가?
• RQ5 중간 회로 측정과 활성 재설정의 성능 특성이 전체 상태 준비 허용도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이론적 모델에서 예측한 바와 같이, 시스템 상태는 반복 횟수 $ n $ 이 증가함에 따라 초기 조건과 무관하게 목표 상태 $ \ket{+} $ 로 지수적으로 수렴한다.
• 최적의 수렴 속도는 $ J = \pi/2 $ 에서 발생하며, 이상적인 경우 단일 스텝 내에 완전한 수렴을 달성한다.
• IBM의 ibm_perth 프로세서에서 프로토콜은 임의의 큐비트 상태를 성공적으로 준비하였으며, 최종 상태는 블로흐 구상에서 목표 상태 $ \ket{+} $ 근처에 집중되어 있었다.
• 캘리브레이션된 $ \pi_{1\to2} $ 펄스를 사용하여 큽트리트 상태 준비를 달성하였으며, 오류 보정 이후 측정 분류 정확도는 0.917에 도달하였다.
• 연속적인 재설정을 반복할수록 재설정 허용도가 향상되었으며, 테스트된 장치에서 $ \ket{0} $ 준비 허용도는 90%를 초과하였다.
• 피드백 기반 스티어링은 수렴 속도를 크게 가속화하여 고정밀도 목표 상태에 도달하기 위한 반복 횟수를 감소시켰다.

(a) Starting from an unknown initial state $\rho_{S}$ , the system qubit $S$ is steered via a repeated application of an ancilla-system entanglement operation $U_{A-S}$ , followed by measurements and active resets of the ancilla qubit $A$ . After $N$ applications, the system qubit arrives to a targe