[论文解读] Non-Markovian memory in IBMQX4

Joshua Morris, Felix A. Pollock+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 15

一句话总结

该论文通过分析基于先前操作的条件门性能，展示了并量化了IBMQX4中的非马尔可夫记忆效应。研究揭示了所有通用门之间显著的时间相关性，估算了记忆长度和容量，并表明即使在固有噪声下，通过考虑非马尔可夫性，也能实现更清洁、更精确的量子计算。

ABSTRACT

We measure and quantify non-Markovian effects in IBM's Quantum Experience. Specifically, we analyze the temporal correlations in a sequence of gates by characterizing the performance of a gate conditioned on the gate that preceded it. With this method, we estimate (i) the size of fluctuations in the performance of a gate, i.e., errors due to non-Markovianity; (ii) the length of the memory; and (iii) the total size of the memory. Our results strongly indicate the presence of non-trivial non-Markovian effects in almost all gates in the universal set. However, based on our findings, we discuss the potential for cleaner computation by adequately accounting the non-Markovian nature of the machine.

研究动机与目标

• 检测并量化真实超导量子处理器（特别是IBMQX4）中的非马尔可夫效应。
• 识别门性能如何依赖于先前操作，揭示系统-环境相互作用中的记忆效应。
• 估计量子处理器中非马尔可夫相关性的大小、长度和总记忆容量。
• 评估非马尔可夫噪声对量子误差纠正和基准测试协议的影响。
• 提出通过记忆感知的脉冲序列设计来缓解非马尔可夫噪声的策略。

提出的方法

• 通过应用一对门的序列并基于第一个门的类型分析第二个门的性能，测量条件门保真度。
• 使用量子过程层析技术重建每个门的有效量子通道，同时考虑态制备与测量（SPAM）误差。
• 采用微扰误差模型将SPAM引起的误差与真实的非马尔可夫效应分离，表明后者占主导地位。
• 采用基于泡利基的旋转的双态层析框架，从IBMQX4的Z基测量中重建过程矩阵。
• 通过分析在先前门历史条件下门性能的偏差，使用保真度为基础的误差度量来量化非马尔可夫性。
• 通过分析受控-非门序列中的相关性，估计记忆长度和总记忆大小。

实验结果

研究问题

• RQ1 IBMQX4中的门错误在多大程度上依赖于前一个门的身份，表明存在非马尔可夫记忆？
• RQ2 IBMQX4处理器中非马尔可夫相关性的特征时间尺度（记忆长度）是多少？
• RQ3 对非马尔可夫效应有贡献的总记忆容量（以门数计）有多大？
• RQ4 在近期量子硬件中，非马尔可夫噪声能否与SPAM误差及其他标准噪声源区分开来？
• RQ5 非马尔可夫结构能否被利用来设计更优的脉冲序列以减轻噪声？

主要发现

• 非马尔可夫效应在IBMQX4通用门集中的几乎所有门中均显著存在，这由条件门性能的变化所证实。
• 系统的记忆长度估计在数个门操作量级，表明存在短期时间相关性。
• 总记忆容量非微不足道，可观测到相关性持续存在于多个连续门中。
• SPAM误差被证明较小，且无法解释观测到的非马尔可夫效应，从而确认结果源于真实的系统-环境记忆。
• 非马尔可夫性的存在使随机基准测试和基集层析中的标准假设失效，这些假设均假设噪声为马尔可夫性。
• 研究结果表明，未来的量子控制策略应明确考虑非马尔可夫记忆，以提升门保真度和计算准确性。