[论文解读] Comparison of Cloud-Based Ion Trap and Superconducting Quantum Computer Architectures

S. Blinov, Biao Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 9被引用 7

一句话总结

本文通过在云环境中执行基准量子电路，对比了基于云的离子阱（IonQ）与超导（IBM、Rigetti）量子计算机，重点分析了门保真度、量子比特连通性及错误累积。主要发现表明，由于具备全量子比特连通性且错误累积较低，离子阱系统表现出更优性能；而超导系统受限于连通性不足与串扰问题，尤其在复杂电路（如Bernstein-Vazirani算法）中表现受限。

ABSTRACT

Quantum computing represents a radical departure from conventional approaches to information processing, offering the potential for solving problems that can never be approached classically. While large scale quantum computer hardware is still in development, several quantum computing systems have recently become available as commercial cloud services. We compare the performance of these systems on several simple quantum circuits and algorithms, and examine component performance in the context of each system's architecture.

研究动机与目标

• 评估并比较基于云的离子阱与超导量子计算架构的性能。
• 研究架构差异（尤其是量子比特连通性与门错误累积）对量子线路执行的影响。
• 量化各系统中态制备与测量（SPAM）错误及两量子比特门保真度。
• 评估电路复杂度与连通性限制对算法成功率的影响，特别是在Bernstein-Vazirani算法中的表现。
• 识别系统特有的限制因素，如串扰及编译器/优化器导致的线路转换性能差异。

提出的方法

• 在云访问的离子阱（IonQ）与超导（IBM、Rigetti）量子处理器上执行小型量子电路。
• 通过准备并立即测量处于确定态的初始化量子比特，测量SPAM错误。
• 通过在两个量子比特之间逐步增加两量子比特操作的数量，评估门噪声与错误累积。
• 使用不同汉明权重的Bernstein-Vazirani算法，探测量子比特连通性与错误扩展特性。
• 针对各系统原生门集，实现受控-非门（CNOT）与纠缠门（XX、CZ、ZX）。
• 通过多次运行分析电路性能，以检测超出统计误差的系统性波动。

实验结果

研究问题

• RQ1 在两量子比特操作中，离子阱与超导量子计算机在门保真度与错误累积方面有何差异？
• RQ2 量子比特连通性在如Bernstein-Vazirani等量子算法中对性能的限制程度如何？
• RQ3 离子阱与超导系统之间的SPAM错误有何不同？
• RQ4 串扰及编译器/优化器效应在观测到的性能差异中扮演何种角色？
• RQ5 为何某些系统在特定电路复杂度下出现算法成功率的突然下降？

主要发现

• IonQ的离子阱系统由于具备全量子比特连通性，在Bernstein-Vazirani算法中表现出更优性能，其成功率随汉明权重增加仅出现温和下降。
• IBM-Vigo在4量子比特BV算法中，汉明权重为4时出现显著性能下降，与每个量子比特最多仅有三个直接连接的限制一致。
• IBM-Melbourne在10量子比特BV算法中，汉明权重超过1–2后成功率急剧下降，可能源于串扰以及近邻连通性所导致的噪声SWAP操作需求。
• Rigetti Aspen-8无法为10量子比特Bernstein-Vazirani算法生成可靠输出，表明其在可扩展性方面存在系统性限制。
• 所有系统在多次运行中均表现出显著的性能波动，表明系统性错误已超过统计不确定性，可能源于校准漂移或时序效应。
• 即使10量子比特BV算法的成功率仅为1%，也远超经典最优成功率1/2^9 ≈ 0.2%，证实了该基准测试中的量子优势。