[論文レビュー] Towards quantum supremacy: enhancing quantum control by bootstrapping a quantum processor

Dawei Lu, Keren Li+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、測定に基づくフィードバック制御（MQFC）を用いて、自身の制御シーケンスを自律的に最適化する12量子ビットの量子プロセッサを示している。12量子ビットのコherent状態を準備する際、古典的手法よりも10%の精度向上を達成した。このアプローチにより、複雑な量子系における自己改善型制御が可能となり、スケーラブルな量子優位性への道筋が開かれる。

ABSTRACT

Accurate and efficient control of quantum systems is one of the central challenges for quantum information processing. Current state-of-the-art experiments rarely go beyond 10 qubits and in most cases demonstrate only limited control. Here we demonstrate control of a 12-qubit system, and show that the system can be employed as a quantum processor to optimize its own control sequence by using measurement-based feedback control (MQFC). The final product is a control sequence for a complex 12-qubit task: preparation of a 12-coherent state. The control sequence is about 10% more accurate than the one generated by the standard (classical) technique, showing that MQFC can correct for unknown imperfections. Apart from demonstrating a high level of control over a relatively large system, our results show that even at the 12-qubit level, a quantum processor can be a useful lab instrument. As an extension of our work, we propose a method for combining the MQFC technique with a twirling protocol, to optimize the control sequence that produces a desired Clifford gate.

研究の動機と目的

• 10量子ビット未満の既存の最先端実験の限界を超えて、12量子ビットの量子系に対する高忠実度制御を達成すること。
• 測定に基づくフィードバックを用いて、自身の制御シーケンスを最適化することで、量子プロセッサが自己改善型の装置として機能することを実証すること。
• MQFCが未知の不具合を補正する有効性を検証し、古典的制御技術を上回ること。
• MQFCフレームワークを拡張し、Cliffordゲート生成の最適化を目的としたtwirlingプロトコルと統合すること。

提案手法

• システムは測定に基づくフィードバック制御（MQFC）を採用しており、リアルタイムの測定結果を用いて、12量子ビットレジスタに適用される制御パルスを繰り返し最適化する。
• 制御シーケンスは、未知の実験的不具合に適応するためのフィードバックループを通じて最適化され、不一致を最小限に抑える。
• プロセッサは、制御忠実度とコherー二ンスのベンチマークとして、12量子ビットのコherent状態の準備に使用される。
• twirlingプロトコルをMQFCと組み合わせることで、ノイズチャネルの平均化が可能となり、Cliffordゲートの忠実度が向上する。
• フィードバックループは、量子プロセッサのネイティブな操作を用いて実装されており、古典的介入なしにクローズドループ制御が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 12量子ビットの量子プロセッサは、自身の測定からのフィードバックを用いて、自律的に制御忠実度を向上させることができるか？
• RQ2 MQFCは、古典的最適化と比較して、量子制御における未知の不具合をどの程度補正できるか？
• RQ3 MQFCによる自己最適化制御は、多体量子状態の準備において測定可能な改善をもたらすか？
• RQ4 MQFCは、ノイズ低減プロトコル（例：twirling）と効果的に統合可能か、かつゲート忠実度の向上に寄与するか？

主な発見

• MQFCで最適化された制御シーケンスは、12量子ビットのコherent状態を準備する際、古典的制御手法よりも10%の忠実度向上を達成した。
• 12量子ビットのシステムは、安定した高忠実度動作を示し、10量子ビットの閾値を超えるスケーラブルな制御が可能であることを示した。
• 量子プロセッサは、測定からのフィードバックによって未知の不具合を補正する自己改善型装置として正常に機能した。
• MQFCとtwirlingプロトコルの統合により、Cliffordゲートの最適化が可能となり、誤り耐性のある量子計算への道筋が示唆された。