[论文解读] Extending the computational reach of a noisy superconducting quantum processor

Abhinav Kandala, Kristan Temme+4 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 28被引用 118

一句话总结

论文在5量子比特的超导处理器上实验实现零噪声外推误差抑制，以提高量子化学和量子磁性领域的短深度变分本征求解器的准确性。

ABSTRACT

Quantum computation, a completely different paradigm of computing, benefits from theoretically proven speed-ups for certain problems and opens up the possibility of exactly studying the properties of quantum systems. Yet, because of the inherent fragile nature of the physical computing elements, qubits, achieving quantum advantages over classical computation requires extremely low error rates for qubit operations as well as a significant overhead of physical qubits, in order to realize fault-tolerance via quantum error correction. However, recent theoretical work has shown that the accuracy of computation based off expectation values of quantum observables can be enhanced through an extrapolation of results from a collection of varying noisy experiments. Here, we demonstrate this error mitigation protocol on a superconducting quantum processor, enhancing its computational capability, with no additional hardware modifications. We apply the protocol to mitigate errors on canonical single- and two-qubit experiments and then extend its application to the variational optimization of Hamiltonians for quantum chemistry and magnetism. We effectively demonstrate that the suppression of incoherent errors helps unearth otherwise inaccessible accuracies to the variational solutions using our noisy processor. These results demonstrate that error mitigation techniques will be critical to significantly enhance the capabilities of near-term quantum computing hardware.

研究动机与目标

• 通过在不增加硬件资源的前提下抑制非相干误差，推动在近端硬件上改进量子计算。
• 表明零噪声外推可以提升超导量子比特上单量子比特和双量子比特实验的期望值精度。
• 将误差抑制推广到自适应硬件高效的变分量子本征求解器，用于自旋模型和小分子。
• 量化非相干误差抑制如何使更深的电路产生更准确的变分解。

提出的方法

• 将任意量子电路表达为在时间依赖驱动 K(t) 下的演化，驱动算符为 Pα 的Pauli 算子。
• 使用 Richardson 的延迟极限方法，通过在拉伸后的噪声水平 c_iλ 上进行测量来构造抑制估计 E*K(λ)。
• 实现带时间平移不变噪声的缩放驱动协议 K^I(t)，在不进行硬件更改的情况下模拟放大后的噪声强度。
• 将门长度、上升/下降时间和缓冲区按因子 c_i 进行拉伸，并通过对 {c_i} 的线性约束进行标定，以实现 ÊK^n(λ)。
• 将零噪声外推应用于随机的单量子比特和双量子比特Clifford电路，以及针对 Heisenberg、H2 和 LiH 问题的硬件高效 VQE Ansatz。

实验结果

研究问题

• RQ1 零噪声外推是否能扩展近端嘈杂超导量子处理器在变分算法中的有用计算范围？
• RQ2 误差抑制如何影响用于量子磁性和小分子系统的硬件高效 VQE 的收敛性和精度？
• RQ3 影响在超导量子比特上实现零噪声外推的实际考虑因素（相干波动、采样、门非线性）有哪些？

主要发现

• 零噪声外推在单量子比特和双量子比特实验中抑制高阶误差项，使估计趋近于零噪声极限。
• 误差抑制使得更深的硬件高效试验电路在 Heisenberg 自旋模型中比无抑制时得到更精确的能量。
• 在 H2 和 LiH 中，抑制后的能量和Pauli项的期望值比未抑制的更接近精确结果，且具有可比的相干性质。
• 采样方差和相干时间波动是关键因素；使用自举法估计抑制误差，且更快的初始化将进一步改善结果。
• 该方法与问题无关，可补充门表征和量子优化工作，而不需要错误纠正硬件。