[论文解读] Automatic Qubit Characterization and Gate Optimization with QubiC

Yilun Xu, Gang Huang+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于超导量子比特的自动化、基于FPGA的校准框架QubiC，采用多维损失优化方法校准单量子比特门，并利用完整的XY平面测量方法校准两量子比特CNOT门。该方法在LBNL先进量子测试平台的8量子比特先进处理器上通过随机化基准测试验证，实现了高保真度门操作，单量子比特Clifford保真度误差为$4.9(1.1) imes 10^{-4}$，两量子比特Clifford保真度误差为$1.4(3) imes 10^{-2}$。

ABSTRACT

As the size and complexity of a quantum computer increases, quantum bit (qubit) characterization and gate optimization become complex and time-consuming tasks. Current calibration techniques require complicated and verbose measurements to tune up qubits and gates, which cannot easily expand to the large-scale quantum systems. We develop a concise and automatic calibration protocol to characterize qubits and optimize gates using QubiC, which is an open source FPGA (field-programmable gate array) based control and measurement system for superconducting quantum information processors. We propose mutli-dimensional loss-based optimization of single-qubit gates and full XY-plane measurement method for the two-qubit CNOT gate calibration. We demonstrate the QubiC automatic calibration protocols are capable of delivering high-fidelity gates on the state-of-the-art transmon-type processor operating at the Advanced Quantum Testbed at Lawrence Berkeley National Laboratory. The single-qubit and two-qubit Clifford gate infidelities measured by randomized benchmarking are of $4.9(1.1) imes 10^{-4}$ and $1.4(3) imes 10^{-2}$, respectively.

研究动机与目标

• 解决大规模超导量子处理器中手动量子比特表征与门优化的可扩展性与复杂性问题。
• 通过使用可定制的基于FPGA的控制系统自动化校准过程，减少量子比特校准所需的时间和人工干预。
• 开发一种简洁、全自动的校准协议，在系统漂移和环境敏感性条件下仍能保持高门保真度。
• 为NISQ时代量子计算系统提供高效、高保真度的门优化方法。

提出的方法

• 该方法采用多维基于损失的优化方法，通过迭代调整驱动幅度和脉冲宽度，利用堆叠的相同门序列来优化单量子比特X(90)门的保真度。
• 对于两量子比特CNOT门校准，采用完整的XY平面测量技术，可将纠缠态投影到Bloch球面上任意角度，从而仅通过一组测量即可提取CNOT门参数。
• QubiC系统是一种开源的基于FPGA的控制与测量平台，支持实时波形生成、信号采集和经典后处理，实现精确的控制与反馈。
• 校准协议利用随机化基准测试（SRB、IRB、XRB）验证门保真度，数据通过True-Q软件处理以提取参数。
• 该方法通过拟合拉比振荡和纠缠层析成像提取门参数，对实验数据应用函数形式$P(t) = C + A\exp(-\tau t)\sin(2\pi f t + \phi_0)$。
• CNOT门建模为$CNOT = IX(\theta_4) \cdot ZZ(\theta_1,\theta_2) \cdot CR \cdot IZ(\theta_3)$，不同参数集之间相差$\pi/2$的全局相位。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于FPGA的自动化控制系统能否在最小人工干预下实现高保真度的单量子比特门校准？
• RQ2 如何通过单组测量结合完整的XY平面态制备，高效提取两量子比特CNOT门参数？
• RQ3 与传统校准方法相比，多维基于损失的优化方法在多大程度上提升了单量子比特门的保真度？
• RQ4 在真实世界中的漂移和噪声条件下，该提出的校准协议能否在大规模处理器的多个量子比特上保持高保真度？
• RQ5 通过随机化基准测试验证，该自动化协议可实现的门保真度是多少？

主要发现

• 测得单量子比特Clifford门保真度误差为$4.9(1.1)\times 10^{-4}$，表明实现了高保真度的单量子比特操作。
• 测得两量子比特Clifford门保真度误差为$1.4(3)\times 10^{-2}$，证明了有效的两量子比特纠缠与门控制。
• 完整的XY平面测量方法使CNOT门参数仅通过一组测量即可提取，显著减少了校准时间和复杂度。
• 多维基于损失的优化方法通过堆叠门序列迭代调整驱动幅度，成功优化了单量子比特门。
• 随机化基准测试结果证实，该自动校准协议可提供适合NISQ时代量子算法的高保真度门。
• QubiC系统实现了量子比特表征与门优化的端到端自动化，其结果已在LBNL先进量子测试平台的真实8量子比特超导处理器上得到验证。