[论文解读] Demonstrating scalable randomized benchmarking of universal gate sets

Jordan Hines, Marie Lu+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 43被引用 6

一句话总结

本文提出随机镜像电路（RMCs），一种可扩展的随机化基准测试（RB）方法，适用于包含非 Clifford 门和纠缠操作的通用量子门集。该技术通过利用随机编译和基于反射的电路结构，在大规模设备上实现了高效且经典可处理的 RB，展示了其在 4 量子比特和 27 量子比特超导处理器上的可扩展性，同时将串扰量化为主要误差来源——在 27 量子比特设备中贡献了约 67% 的总门误差。

ABSTRACT

Randomized benchmarking (RB) protocols are the most widely used methods for assessing the performance of quantum gates. However, the existing RB methods either do not scale to many qubits or cannot benchmark a universal gate set. Here, we introduce and demonstrate a technique for scalable RB of many universal and continuously parameterized gate sets, using a class of circuits called randomized mirror circuits. Our technique can be applied to a gate set containing an entangling Clifford gate and the set of arbitrary single-qubit gates, as well as gate sets containing controlled rotations about the Pauli axes. We use our technique to benchmark universal gate sets on four qubits of the Advanced Quantum Testbed, including a gate set containing a controlled-S gate and its inverse, and we investigate how the observed error rate is impacted by the inclusion of non-Clifford gates. Finally, we demonstrate that our technique scales to many qubits with experiments on a 27-qubit IBM Q processor. We use our technique to quantify the impact of crosstalk on this 27-qubit device, and we find that it contributes approximately 2/3 of the total error per gate in random many-qubit circuit layers.

研究动机与目标

• 为解决在多量子比特量子处理器上表征包含非 Clifford 门和纠缠门的通用门集时，缺乏可扩展的随机化基准测试（RB）方法的问题。
• 克服标准 RB 和交叉熵基准测试（XEB）在多量子比特范围内应用于通用门集时导致的指数级经典资源需求。
• 开发一种方法，实现对任意通用门集（包括具有连续参数的门集）的鲁棒、可扩展且经典高效的 RB。
• 通过实验量化串扰和门集组成对多量子比特量子处理器中误差率的影响。

提出的方法

• 提出随机镜像电路（RMCs），一类具有反射结构并结合随机编译的量子电路，可在随机化下保持平均门保真度。
• 利用随机编译将任意通用门集映射为等效的 Clifford 类电路，从而在不引入指数级经典开销的情况下应用标准 RB 协议。
• 采用两步 RB 协议：孤立镜像 RB 和同时镜像 RB，通过比较单量子比特与多量子比特操作下的误差率，分离出串扰效应。
• 将该方法应用于在 Advanced Quantum Testbed 的四个量子比特和 27 量子比特 IBM Q 处理器上对通用门集进行基准测试，使用指数衰减拟合提取平均门误差率。
• 利用镜像电路结构实现在包含受控- S 门和任意单量子比特旋转的通用门集上的可扩展 RB，避免了完整 Haar 随机电路编译的需求。
• 通过比较单个和成对量子比特上的孤立与同时镜像 RB，验证结果，揭示了由串扰引起的系统性误差增加。

实验结果

研究问题

• RQ1 随机化基准测试能否在包含非 Clifford 门和纠缠门的多量子比特量子处理器上实现对通用门集的可扩展表征？
• RQ2 串扰如何影响大规模超导量子处理器中的门误差率？能否通过可扩展的 RB 方法对其进行量化？
• RQ3 与仅含 Clifford 门的实现相比，非 Clifford 门在通用门集中使误差率增加了多少？
• RQ4 随机镜像电路能否在无需指数级经典模拟的情况下，实现对通用门集的类经典高效且可扩展的 RB？
• RQ5 在 27 量子比特处理器中，不同量子比特子集和连通性模式下的误差率如何变化？

主要发现

• 该方法成功在 Advanced Quantum Testbed 的四个量子比特上实现了可扩展的随机化基准测试，包括一个包含受控- S 门及其逆的通用门集，提取的平均层误差率范围为每层 0.10 至 0.39。
• 在 27 量子比特 IBM Q Montreal 处理器上，同时镜像 RB 表明，串扰贡献了每层总门误差的约 67%，显著高于单量子比特和双量子比特门误差。
• 孤立镜像 RB 实验显示误差率比同时镜像 RB 低约 50%，表明串扰是多量子比特操作中主要的误差来源。
• 对于 27 量子比特实验，同时镜像 RB 的每层平均误差率范围为 0.097(2) 至 3.15(1)，其中最高值（如 Q22 和 Q25 量子比特对的 3.15(1)）表明存在强烈的串扰或校准问题。
• 该方法实现了对所有 27 个独立量子比特以及所有相连量子比特对的一致误差率提取，证明了镜像 RB 框架的全面可扩展性和鲁棒性。
• 该研究证实，随机镜像电路为多量子比特范围内通用门集的基准测试提供了一种可扩展、经典高效且实验可行的方法。