[论文解读] Efficiently improving the performance of noisy quantum computers

Samuele Ferracin, Akel Hashim+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 46被引用 17

一句话总结

本文提出了两种高效的错误缓解协议——无噪声输出外推法（NOX）和泡利错误抵消法（PEC）——通过针对整个门循环而非单个门来提升噪声量子线路的性能。通过结合噪声放大、随机误差抵消以及基于循环错误重构（CER）的高效循环级噪声重建，这些协议能够缓解复杂、非局域且与门相关的噪声，进而在四量子比特超导处理器上实现相较于未缓解输出高达86%的变分距离改善。

ABSTRACT

Using near-term quantum computers to achieve a quantum advantage requires efficient strategies to improve the performance of the noisy quantum devices presently available. We develop and experimentally validate two efficient error mitigation protocols named "Noiseless Output Extrapolation" and "Pauli Error Cancellation" that can drastically enhance the performance of quantum circuits composed of noisy cycles of gates. By combining popular mitigation strategies such as probabilistic error cancellation and noise amplification with efficient noise reconstruction methods, our protocols can mitigate a wide range of noise processes that do not satisfy the assumptions underlying existing mitigation protocols, including non-local and gate-dependent processes. We test our protocols on a four-qubit superconducting processor at the Advanced Quantum Testbed. We observe significant improvements in the performance of both structured and random circuits, with up to $86\%$ improvement in variation distance over the unmitigated outputs. Our experiments demonstrate the effectiveness of our protocols, as well as their practicality for current hardware platforms.

研究动机与目标

• 解决现有错误缓解协议依赖于逐门噪声模型的局限性，这些模型无法捕捉如串扰等多量子比特噪声。
• 开发适用于近期含噪声量子计算机的实用且可扩展的错误缓解策略，其量子比特和门的开销有限。
• 实现对非局域、与门相关的非去极化噪声过程的有效缓解，这些过程会损害当前量子硬件的性能。
• 在先进量子测试平台（Advanced Quantum Testbed）的真实四量子比特超导处理器上实验验证协议，展示显著的性能提升。

提出的方法

• 协议利用循环错误重构（CER）高效表征作用于整个门循环的泡利噪声通道，包括多量子比特和相关误差。
• NOX通过应用逆噪声通道在单个循环中放大噪声，并利用线性响应理论外推至无噪声极限。
• PEC通过采样带有逆噪声通道的噪声电路，并经经典后处理估计无噪声期望值，实现拟概率误差抵消。
• 两种协议均集成读出误差缓解（REM）以校正测量误差，提升整体保真度。
• 方法在电路深度和误差率方面均具有高效性，运行时间和偏差随循环数与误差率的增加而有利地增长。
• 噪声重构在循环级别进行，能够准确建模传统门集层析成像所遗漏的复杂非局域噪声过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过针对完整门循环而非单个门，能否使错误缓解协议在大规模量子电路中更有效？
• RQ2 在近期量子设备中，如何高效表征并缓解非局域和与门相关的噪声过程（如串扰和相关误差）？
• RQ3 能否将噪声放大与概率误差抵消结合高效噪声重构，以实现显著的性能提升，同时保持极低的资源开销？
• RQ4 循环级错误缓解协议在真实量子硬件上相较于传统门级方法的性能优势有多大？
• RQ5 所提出的协议能否在当前超导量子处理器上实际实现，并在电路保真度上实现可测量的提升？

主要发现

• 在四量子比特超导处理器上，NOX和PEC协议相较于未缓解输出，变分距离最高改善达86%，展现出显著的性能提升。
• 在随机电路中，协议将变分距离相比未缓解结果最高降低了86%，且在多个电路深度下均保持一致的改进。
• 在W态制备电路中，NOX+REM将变分距离从8.0%（未缓解）降低至1.9%（在8%噪声下），显示出对态制备误差的强烈抑制。
• 在三量子比特QPE电路中，NOX+REM将变分距离从15.2%降低至3.0%，表明在参数估计任务中有效缓解了噪声。
• 在W态电路中，协议优于仅使用REM的结果，但在QPE和随机电路中额外增益有限，表明其效果具有上下文依赖性。
• 理论分析与数值模拟证实，协议在电路深度和误差率方面具有有利的可扩展性，偏差和运行时间分别受O(m²n²ε²)和O(σ⁻²)的界约束。