[论文解读] Hardware-efficient random circuits to classify noise in a multi-qubit system

Jin-Sung Kim, Lev S. Bishop+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 42被引用 7

一句话总结

本文提出一种硬件高效的随机电路结合分箱输出生成（BOG）的方法，用于在多量子比特超导量子处理器中分类相干噪声与非相干噪声。通过重新分箱测量结果，该方法能够分离出相干误差——通过注入Z型噪声改变相干误差率而保持非相干噪声不变，从而实现超越标准随机基准测试（RB）能力的鲁棒、可扩展的噪声区分。

ABSTRACT

In this work we extend a multi-qubit benchmarking technique known as the Binned Output Generation (BOG) in order to discriminate between coherent and incoherent noise sources in the multi-qubit regime. While methods exist to discriminate coherent from incoherent noise at the single and few-qubit level, these methods scale poorly beyond a few qubits or must make assumptions about the form of the noise. On the other end of the spectrum, system-level benchmarking techniques exist, but fail to discriminate between coherent and incoherent noise sources. We experimentally verify the BOG against Randomized Benchmarking (RB) (the industry standard benchmarking technique) in the two-qubit regime, then apply this technique to a six qubit linear chain, a regime currently inaccessible to RB. In this experiment we inject an instantaneous coherent Z-type noise on each qubit and demonstrate that the measured coherent noise scales correctly with the magnitude of the injected noise, while the measured incoherent noise remains unchanged as expected. This demonstrates a robust technique to measure coherent errors in a variety of hardware.

研究动机与目标

• 解决多量子比特量子系统中缺乏可扩展方法以区分相干与非相干噪声的问题。
• 将噪声表征扩展至少数量子比特限制之外，因为在该范围内标准随机基准测试（RB）由于Clifford深度的指数增长而变得不切实际。
• 开发一种对态制备与测量（SPAM）误差保持鲁棒，同时支持细粒度噪声源区分的技术。
• 在两量子比特与六量子比特系统中实验验证该方法，证明在受控注入条件下能够准确检测相干噪声。
• 展示该方法可检测到传统单量子比特或双量子比特基准测试无法揭示的多量子比特误差源。

提出的方法

• 设计利用原生量子比特连通性与门集的硬件高效随机电路，避免对完整n量子比特Clifford操作的需求。
• 实施分箱输出生成（BOG），一种基于电路结构与测量统计特性的方法，将测量结果分组至不同箱子中。
• 对同一组实验数据应用两种不同的分箱策略：一种对相干噪声敏感，另一种对非相干噪声敏感。
• 通过比较不同分箱策略的结果，利用重新分箱技术分离并量化非相干噪声，从而实现噪声类型的区分。
• 在六量子比特系统中注入受控的相干Z型噪声，以验证测量到的相干误差率与注入噪声幅度成线性比例关系。
• 将结果与纯度随机基准测试（purity RB）进行比较，以验证非相干误差估计的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超越少数量子比特范围的多量子比特系统中，结合硬件高效随机电路的BOG能否有效区分相干与非相干噪声？
• RQ2 该方法在相干噪声变化时是否仍保持对非相干噪声测量的鲁棒性？
• RQ3 在六量子比特系统中，测量到的相干误差率如何随注入的相干Z型噪声幅度变化？
• RQ4 该技术能否检测到在双量子比特基准测试中不可见的额外误差源？
• RQ5 通过重新分箱提取的非相干误差率是否与纯度RB测量结果一致？

主要发现

• 在两量子比特系统中，通过BOG提取的CNOT误差率与同时进行的双量子比特随机基准测试结果一致，验证了该方法的准确性。
• 在六量子比特线性链中，BOG提取的平均CNOT误差率略高于两量子比特情况，表明存在此前未被检测到的多量子比特误差。
• 当注入相干Z型噪声源时，测量到的相干误差率与注入噪声幅度呈线性关系，证实了对相干误差的敏感性。
• 在注入相干噪声期间，测量到的非相干噪声率保持恒定，表明重新分箱能有效隔离非相干噪声。
• 通过重新分箱提取的每个CNOT平均非相干误差率与纯度RB测量结果高度一致，验证了该方法的一致性。
• 该技术成功在六量子比特系统中实现了对相干与非相干噪声的区分，而该系统因Clifford深度限制而超出标准RB的适用范围。