[论文解读] Complete characterization of the single-qubit quantum gates used in the IBM quantum processors

Abhishek Shukla, Mitali Sisodia+1 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 34被引用 4

一句话总结

本研究对IBM QX2和QX4量子处理器中的所有单量子比特门执行量子过程层析成像，以评估门保真度并评估其在可扩展量子计算中的可行性。研究发现，尽管QX4在门保真度方面总体优于QX2，但两种架构的保真度均低于NMR等其他技术，表明在实现容错且复杂的量子操作之前，仍需显著的技术改进。

ABSTRACT

Quantum process tomography of each single-qubit quantum gate used in the IBM quantum processors is performed to compute gate error in order to check viability of complex quantum operations in the superconductivity-based quantum computers introduced by IBM and to compare the quality of these gates with the corresponding gates implemented using other technologies. Gate fidelities for all the allowed gates for every allowed position (i.e., by placing the gates in different qubit lines) have been obtained and reported for IBM QX4 architecture. Gate fidelities are observed to be lower than the corresponding values obtained in the other technologies, like NMR. Further, gate fidelities for all the single-qubit gates are obtained for IBM QX2 architecture by placing the gates in the third qubit line ($q[2]$). It's observed that the IBM QX4 architecture yields better gate fidelity compared to IBM QX2 in all cases except the case of $\operatorname{Y}$ gate as far as the gate fidelity corresponding to the third qubit line is concerned. In general, the analysis performed here leads to a conclusion that a considerable technological improvement would be inevitable to achieve the desired scalability required for the realization of complex quantum operations.

研究动机与目标

• 通过测量门保真度，评估IBM超导量子处理器在复杂量子操作中的可行性。
• 比较IBM QX2和QX4架构中不同量子比特位置的单量子比特门性能。
• 评估门保真度如何随量子比特位置变化，特别关注两种架构中第三量子比特线（$q[2]$）的情况。
• 将IBM的门性能与NMR等其他量子技术进行基准测试，以识别技术差距。

提出的方法

• 对IBM QX2和QX4处理器中的所有单量子比特门应用量子过程层析成像（QPT），以重建过程矩阵。
• 从重建的过程矩阵中计算门保真度，以量化门性能。
• 在不同量子比特线位置进行测量，特别分析第三量子比特线（$q[2]$）以评估一致性和位置相关性变化。
• 在架构之间（QX2与QX4）以及技术之间（IBM与NMR）进行保真度比较，以评估相对性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同量子比特位置下，IBM QX4处理器中每个单量子比特门的门保真度是多少？
• RQ2 IBM QX2处理器的门保真度与QX4处理器相比如何，特别是在第三量子比特线（$q[2]$）处？
• RQ3 IBM超导处理器中的门保真度是否与NMR等其他技术相当？
• RQ4 量子比特位置对IBM量子架构中门保真度有何影响？

主要发现

• 在第三量子比特线（$q[2]$）测量时，除Y门外，IBM QX4架构在所有单量子比特门上的门保真度均高于QX2。
• IBM超导处理器中的门保真度始终低于其他技术（如NMR）报告的水平。
• QX4处理器中的Y门在第三量子比特线处的保真度低于QX2，表明存在特定位置的异常现象。
• 本研究得出结论：为实现可扩展且容错的量子计算，必须进行重大的技术改进以达到所需的高门保真度。