[论文解读] Benchmarking of quantum processors with random circuits

James R. Wootton|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 9

一句话总结

本文提出使用随机量子线路对超导量子处理器进行基准测试，以评估其探索多量子比特希尔伯特空间的能力，这是实现量子优势的关键要求。通过分析模糊度（fuzz）、逆线路解码成功率以及门保真度等输出统计量，研究发现误差缓解显著提升了性能，揭示了当前设备——尤其是小型设备——尽管存在噪声，仍能保持较高的相干性和纠缠保真度。

ABSTRACT

Quantum processors with sizes in the 10-100 qubit range are now increasingly common. However, with increased size comes increased complexity for benchmarking. The effectiveness of a given device may vary greatly between different tasks, and will not always be easy to predict from single and two qubit gate fidelities. For this reason, it is important to assess processor quality for a range of important tasks. In this work we propose and implement tests based on random quantum circuits. These are used to evaluate multiple different superconducting qubit devices, with sizes from 5 to 19 qubits, from two hardware manufacturers: IBM Research and Rigetti. The data is analyzed to give a quantitive description of how the devices perform. We also describe how it can be used for a qualititive description accessible to the layperson, by being played as a game.

研究动机与目标

• 开发一种适用于近期量子处理器的通用基准测试方法，以检验其探索完整希尔伯特空间的能力。
• 评估噪声和硬件限制对不同尺寸和架构的超导量子比特器件性能的影响。
• 评估误差缓解技术在恢复噪声中等规模含噪声量子（NISQ）器件中预期量子行为方面的有效性。
• 使用波特-托马斯统计和线路重建保真度等可观测特征，对设备性能进行定量与定性评估。
• 通过标准化、可扩展的基准测试框架，实现不同制造商（IBM 与 Rigetti）设备之间的可比性。

提出的方法

• 构建具有交替纠缠门和逆门切片的随机量子线路，其中纠缠门根据器件连通性施加于不相交的量子比特对上。
• 采用基于轮次的线路生成协议，实现受控的纠缠积累，从而分析噪声如何快速破坏量子结构。
• 测量输出态统计量，如“模糊度”（fuzz）——一种量化偏离预期随机态分布程度的指标，用于评估量子混沌与希尔伯特空间探索能力。
• 应用最小权重完美匹配（MWPM）解码器，从输出数据中重建逆线路，以成功率为性能指标。
• 将真实器件的实验结果与随机选择及正确选择的逆门对的模拟结果进行比较，以隔离噪声影响。
• 通过拟概率分解实现误差缓解，以减轻读出误差和门误差对测量可观测量的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前超导量子处理器在运行深度随机线路时，能在多大程度上维持相干的量子行为？
• RQ2 纠缠积累速率如何影响噪声输出态中量子结构的可检测性？
• RQ3 误差缓解技术能否通过提升线路重建保真度，恢复NISQ器件中的预期量子行为？
• RQ4 模糊度和MWPM成功率等性能指标在不同尺寸和连通性模式的设备间如何变化？
• RQ5 电路深度、门保真度与真实器件在希尔伯特空间中均匀采样能力之间存在何种关系？

主要发现

• 5量子比特的IBM设备在误差缓解后表现最显著的改善，MWPM解码的成功率从约70%提升至第1轮接近100%，表明量子结构得到强烈恢复。
• 对于16量子比特的IBM设备，误差缓解降低了模糊度并提升了重建保真度，但效果不如5量子比特设备明显。
• 8量子比特的Rigetti设备在第6轮时MWPM成功率急剧下降至50%，但误差缓解将初始成功率恢复至100%，显示出极强的缓解效果。
• 19量子比特的Rigetti设备在模糊度上表现出较随机逆门对延迟的峰值，但误差缓解仍未能完全恢复预期结构，表明噪声效应持续存在。
• 在所有设备中，真实器件估计门角与理想门角之间的平均保真度偏差，即使在误差缓解后仍高于模拟结果，表明门操作中仍存在残余误差。
• 尽管存在噪声，真实器件的保真度仍高于随机选择逆门对的模拟结果，表明底层量子动力学仍部分保持。