[论文解读] Exploiting dynamic quantum circuits in a quantum algorithm with superconducting qubits

Antonio Córcoles, Maika Takita+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 68被引用 161

一句话总结

本论文首次在超导量子处理器上实现了动态量子线路的实验演示，通过自适应量子相位估计算法（IPE）在减少资源使用的同时提升了相位估计算法的精度。通过在电路中途进行测量并实现即时经典反馈，作者表明当噪声和延迟足够低时，动态线路相比非自适应线路具有实际优势。

ABSTRACT

The execution of quantum circuits on real systems has largely been limited to those which are simply time-ordered sequences of unitary operations followed by a projective measurement. As hardware platforms for quantum computing continue to mature in size and capability, it is imperative to enable quantum circuits beyond their conventional construction. Here we break into the realm of dynamic quantum circuits on a superconducting-based quantum system. Dynamic quantum circuits involve not only the evolution of the quantum state throughout the computation, but also periodic measurements of a subset of qubits mid-circuit and concurrent processing of the resulting classical information within timescales shorter than the execution times of the circuits. Using noisy quantum hardware, we explore one of the most fundamental quantum algorithms, quantum phase estimation, in its adaptive version, which exploits dynamic circuits, and compare the results to a non-adaptive implementation of the same algorithm. We demonstrate that the version of real-time quantum computing with dynamic circuits can offer a substantial and tangible advantage when noise and latency are sufficiently low in the system, opening the door to a new realm of available algorithms on real quantum systems.

研究动机与目标

• 探索真实量子硬件中动态量子线路的可行性与优势。
• 在超导量子处理器上实现并比较迭代相位估计算法（IPE）的自适应与非自适应版本。
• 评估在噪声条件下，实时经典处理对量子线路性能的影响。
• 证明当系统延迟和噪声被最小化时，动态线路可减少量子算法的资源开销。

提出的方法

• 在超导量子处理器上实现带有中途测量和实时经典反馈的迭代相位估计算法（IPE）。
• 使用单个辅助量子比特按顺序估计相位比特，每个测量结果用于控制后续的Z-旋转。
• 应用经典逻辑根据测量结果确定下一步的旋转角度，决策在系统相干时间内完成。
• 采用随机基准测试和层析验证方法评估量子门和测量保真度。
• 在相同的噪声和硬件约束下，比较IPE（动态）与标准Kitaev QPE（非自适应）的资源效率。
• 使用Hoeffding不等式估算相位估计算法精度所需的采样量，以指导资源权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在超导量子处理器上实现带有中途测量和实时经典反馈的动态量子线路？
• RQ2 在现实噪声和延迟约束下，自适应相位估计算法（IPE）是否在资源效率上优于非自适应相位估计算法？
• RQ3 经典处理延迟和测量保真度对动态量子线路性能有何影响？
• RQ4 在保证特定相位估计算法精度的前提下，动态线路能在多大程度上减少电路重复次数？
• RQ5 在噪声中等规模量子（NISQ）设备中，经典与量子处理之间的协同作用如何影响整体算法性能？

主要发现

• 自适应IPE协议实现了7位相位近似，误差为2.905 × 10⁻⁴，表明在噪声硬件上实现了高保真度相位估计。
• 该实现达到了1/2⁸ = 1/256的相位估计算法精度，对应7位近似，且每个测量步骤仅需100次采样。
• 动态线路在总电路重复次数上相比非自适应Kitaev QPE有所减少，尤其在考虑非自适应方法的指数级采样增长时更为显著。
• 该系统表明，实时经典反馈可在相干时间范围内完成，使得当前NISQ设备上实际执行动态线路成为可能。
• 当噪声和延迟足够低时，结果表明动态线路具有实际优势，验证了其在未来的量子算法中的潜力。
• 该研究证实，中途测量和经典反馈可在超导量子比特系统中可靠实现，为量子误差校正和量子 teleportation 等复杂算法铺平了道路。