[论文解读] Stability of noisy quantum computing devices

Samudra Dasgupta, Travis S. Humble|arXiv (Cornell University)|May 20, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 33被引用 19

一句话总结

本文提出一种框架，通过使用赫林杰距离量化关键性能指标（门保真度、占空比和可寻址性）的波动，评估噪声中间规模量子（NISQ）设备在时间和空间上的稳定性。该研究基于22个月的数据揭示了这些指标在时间和空间上存在显著变化，表明当前的NISQ设备在短时间尺度之外不可靠，从而破坏了量子计算结果的可重现性。

ABSTRACT

Noisy, intermediate-scale quantum (NISQ) computing devices offer opportunities to test the principles of quantum computing but are prone to errors arising from various sources of noise. Fluctuations in the noise itself lead to unstable devices that undermine the reproducibility of NISQ results. Here we characterize the reliability of NISQ devices by quantifying the stability of essential performance metrics. Using the Hellinger distance, we quantify the similarity between experimental characterizations of several NISQ devices by comparing gate fidelities, duty cycles, and register addressability across temporal and spatial scales. Our observations collected over 22 months reveal large fluctuations in each metric that underscore the limited scales on which current NISQ devices may be considered reliable.

研究动机与目标

• 解决由于设备随时间和空间变化而行为不稳定，导致NISQ量子计算中可重现性问题的关键挑战。
• 定义并量化设备稳定性，即在容差范围内跨时间和空间尺度的一致性能表现。
• 使用符合迪文琴佐量子计算标准的指标，评估当前NISQ设备的可靠性。
• 基于设备性能的可测量波动，确定实验量子计算中可重现性的实际限制。
• 提供一种统计框架，用于评估设备稳定性，以支持长期基准测试和验证。

提出的方法

• 使用赫林杰距离比较不同时空范围内性能指标的概率分布，量化设备稳定性。
• 通过两量子比特 Clifford 群的随机化基准测试测量门保真度，以估算每门误差并计算 $ F_G = 1 - \epsilon_G $。
• 计算占空比 $ \tau = T_2 / T_G $，其中 $ T_2 $ 为平均退相干时间，$ T_G $ 为门持续时间。
• 使用归一化互信息 $ \eta $ 评估寄存器可寻址性，保真度 $ F_A $ 由纠缠或分离的基准态推导得出。
• 使用一个月滑动窗口计算运行中的赫林杰距离，以进行时间稳定性分析。
• 收集并分析来自IBM的 yorktown 和 toronto 设备在22个月内的数据，以评估多个指标下的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NISQ设备中，关键性能指标——门保真度、占空比和可寻址性——在时间和不同量子比特对之间如何波动？
• RQ2 设备参数在时间和空间上的变化在多大程度上破坏了量子计算基准测试的可重现性？
• RQ3 赫林杰距离能否有效量化不同时窗和空间区域之间性能分布的相似性？
• RQ4 基于观测到的指标波动，当前NISQ设备的可靠性实际限制是什么？
• RQ5 不同量子比特对之间，初始化保真度、门保真度和可寻址性的变化如何相互关联？

主要发现

• 在 yorktown 设备（量子比特对 0,1）上，CNOT 门的占空比表现出显著的时间波动，赫林杰距离显示其分布随时间发生显著偏移。
• 在 toronto 设备中，不同量子比特对之间的可寻址性差异显著，其中 (23,21) 对的最低值为 0.8875，而 (11,13) 对的最高值为 0.9989，表明量子比特耦合不一致。
• 赫林杰距离揭示了不同指标间稳定性存在可区分的差异，其中占空比表现出最显著的时间波动。
• 门保真度和初始化保真度的波动与可寻址性的变化相关，尤其在非最近邻对中更为明显。
• 研究发现，当前NISQ设备在短时间尺度之外表现出不可靠的性能，限制了实验结果的可重现性。
• 即使在执行前立即进行校准，设备参数如退相干时间和门持续时间仍存在显著变化，破坏了长期一致性。