[论文解读] Efficiently characterizing the total error in quantum circuits

Arnaud C. Dugas, Joel J. Wallman+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2016

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本文通过利用各分量门保真度和保真度，改进了量子电路总误差的界限，实现了通过随机化基准测试进行更紧密的误差估计。该方法在二次方与线性误差扩展之间实现平滑插值，显著提升了 interleaved 随机化基准测试在门表征中的精度。

ABSTRACT

There is currently a significant need for robust and efficient methods for characterizing quantum devices. While there has been significant progress in this direction, there remains a crucial need to precisely determine the strength and type of errors on individual gate operations, in order to assess and improve control as well as reliably bound the total error in a quantum circuit given some partial information about the errors on the components. In this work, we first provide an optimal bound on the total fidelity of a circuit in terms of component fidelities, which can be efficiently experimentally estimated via randomized benchmarking. We then derive a tighter bound that applies under additional information about the coherence of the error, namely, the unitarity, which can also be efficiently estimated via a related experimental protocol. This improved bound smoothly interpolates between the worst-case quadratic and best-case linear scalings for composite error channels. As an application we show how our analysis substantially improves the achievable precision on estimates of the error rates of individual gates under interleaved randomized benchmarking, enabling greater precision for current experimental methods to assess and tune-up control over quantum gate operations.

研究动机与目标

• 解决对精确表征量子门误差的迫切需求，以提升量子电路的控制与可靠性。
• 开发一种方法，利用单个门保真度和退相干的局部实验数据来界定总电路误差。
• 通过引入误差通道的保真度信息，改进 interleaved 随机化基准测试的精度。
• 通过更紧密的误差界限，实现对量子门操作更准确的评估与调优。
• 为近期量子设备中的误差表征提供一种可扩展且实验可行的框架。

提出的方法

• 基于分量门保真度推导出总电路保真度的最优界限，该界限可通过标准随机化基准测试高效测量。
• 通过引入误差通道的保真度（一种相干性度量）来获得更紧密的误差界限，该度量可通过相关实验协议进行估计。
• 构建一种复合误差模型，根据相干性的程度在最坏情况（二次方）与最好情况（线性）误差扩展之间实现插值。
• 利用保真度作为优化参数，根据观测到的门误差相干性动态调整误差界限。
• 将改进后的界限应用于 interleaved 随机化基准测试，以提升单个门误差率估计的精度。
• 确保该方法的所有组成部分均可通过现有量子基准测试协议实现实验可访问。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何仅利用关于单个门误差的部分信息，更紧密地界定总电路误差？
• RQ2 误差的相干性（通过保真度量化）在改进量子电路误差界限中起到何种作用？
• RQ3 包含保真度信息是否能显著提升门误差率估计的精度？
• RQ4 所提出的界限如何根据误差相干性在二次方与线性误差扩展之间实现插值？
• RQ5 在实际中，改进后的界限在多大程度上提升了 interleaved 随机化基准测试的准确性？

主要发现

• 当获得关于误差相干性的附加信息时，所提出的总电路保真度界限比以往界限更紧密。
• 引入保真度使得误差界限能够平滑地在最坏情况下的二次方扩展与最好情况下的线性扩展之间插值。
• 该方法通过 interleaved 随机化基准测试显著提升了对单个门误差率估计的精度。
• 所推导的界限在实验上是可行的，仅依赖于标准随机化基准测试和保真度估计协议。
• 该框架提供了一种可扩展且稳健的误差表征方法，可增强近期设备中量子控制的可靠性。
• 结果表明，具备相干性意识的误差界限对于在当前量子硬件中实现高精度门表征至关重要。