[论文解读] Cross-Platform Comparison of Arbitrary Quantum Computations

Daiwei Zhu, Ze-Pei Cian+15 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 7

一句话总结

本文通过随机测量估算跨平台保真度，对超导（IBM）、离子阱（UMD、IonQ）等多种量子计算平台上的任意量子线路进行了跨平台比较。结果表明，少量随机测量即可在极低开销下准确估算保真度，揭示平台特异性错误，并在实现量子优势之前实现量子计算的可扩展验证。

ABSTRACT

As we approach the era of quantum advantage, when quantum computers (QCs) can outperform any classical computer on particular tasks, there remains the difficult challenge of how to validate their performance. While algorithmic success can be easily verified in some instances such as number factoring or oracular algorithms, these approaches only provide pass/fail information for a single QC. On the other hand, a comparison between different QCs on the same arbitrary circuit provides a lower-bound for generic validation: a quantum computation is only as valid as the agreement between the results produced on different QCs. Such an approach is also at the heart of evaluating metrological standards such as disparate atomic clocks. In this paper, we report a cross-platform QC comparison using randomized and correlated measurements that results in a wealth of information on the QC systems. We execute several quantum circuits on widely different physical QC platforms and analyze the cross-platform fidelities.

研究动机与目标

• 开发一种可在不同硬件平台上可扩展验证量子计算机性能的方法。
• 解决在缺乏经典基准的情况下验证量子优势声明的挑战。
• 通过在不同量子系统上运行相同电路并比较输出，暴露硬件特异性错误。
• 在保持保真度估算精度的同时，相比完整态层析，显著降低资源开销。
• 通过跨平台一致性检查，实现对下一代量子设备的基准测试。

提出的方法

• 采用随机测量估算在不同平台上执行的量子线路之间的跨平台保真度。
• 使用KAK分解将电路编译为离子阱系统（UMD、IonQ）的原生门集。
• 应用电路优化技术，包括量子比特分配优化和SWAP门最小化，以减少门数。
• 利用自助重抽样方法估算随机测量估计值与完整态层析之间的保真度误差边界。
• 在四个平台上进行比较：IBM超导系统、UMD EURIQA和TIQC离子阱系统，以及IonQ商用系统。
• 通过采用预因子优化的随机测量协议，避免完整态层析，实现指数级缩放但常数因子更小。

实验结果

研究问题

• RQ1 随机测量能否为跨平台量子保真度估算提供一种准确且可扩展的替代完整态层析的方法？
• RQ2 在执行相同任意量子电路时，不同量子硬件平台（超导与离子阱）的保真度如何比较？
• RQ3 在多大程度上，少量随机测量可以近似跨平台量子态之间的真实保真度？
• RQ4 通过跨平台电路比较，能揭示哪些类型的硬件特异性错误？
• RQ5 量子比特连通性和路由如何影响不同平台上量子体积电路的保真度？

主要发现

• 使用随机测量进行跨平台保真度估算，仅需完整态层析所需测量的极小部分，即可实现高精度。
• 所有测试平台中，随机测量估算值与完整层析之间的平均保真度误差低于0.01，标准偏差小于0.005。
• 对于相同电路，离子阱平台（UMD_1、UMD_2、IonQ）的平均保真度更高（98.5%–99.7%），而IBM超导系统为95.5%–97.5%。
• 所有平台上，量子体积电路所需的两量子比特门数量随电路深度线性增加，超导系统因连通性有限而表现出更高的SWAP门开销。
• IonQ系统在各类电路中表现出最一致的性能，两量子比特门保真度为95%–97%，且跨平台保真度估算值变化极小。
• SPAM校正改善了UMD_2的保真度估算，降低了探测噪声；而未进行SPAM校正的平台仍表现出强跨平台一致性，表明该方法具有鲁棒性。