[论文解读] Study of Decoherence in Quantum Computers: A Circuit-Design Perspective

Abdullah Ash Saki, Mahabubul Alam+1 more|ArXiv.org|Apr 8, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 15被引用 19

一句话总结

本文從電路設計的視角出發，利用物理模型模擬研究量子電路中的退相干現象，結果顯示保真度取決於輸入態、閘類型與電路深度。低深度的實現方式可降低退相干，使量子加法器的保真度提升最多達20%，證明電路層級優化能顯著提升NISQ裝置的系統效能。

ABSTRACT

Decoherence of quantum states is a major hurdle towards scalable and reliable quantum computing. Lower decoherence (i.e., higher fidelity) can alleviate the error correction overhead and obviate the need for energy-intensive noise reduction techniques e.g., cryogenic cooling. In this paper, we performed a noise-induced decoherence analysis of single and multi-qubit quantum gates using physics-based simulations. The analysis indicates that (i) decoherence depends on the input state and the gate type. Larger number of $|1 angle$ states worsen the decoherence; (ii) amplitude damping is more detrimental than phase damping; (iii) shorter depth implementation of a quantum function can achieve lower decoherence. Simulations indicate 20\% improvement in the fidelity of a quantum adder when realized using lower depth topology. The insights developed in this paper can be exploited by the circuit designer to choose the right gates and logic implementation to optimize the system-level fidelity.

研究动机与目标

• 從電路設計的觀點分析退相干對多量子位元量子電路的影響。
• 研究退相干對輸入態、閘類型與電路深度的依存關係。
• 利用物理模型分析振幅阻尼與相位阻尼對量子閘保真度的影響。
• 證明電路層級優化，特別是深度最小化，可提升系統層級的保真度。
• 為量子電路設計師提供具體可行的建議，以提升嘈雜中等規模量子（NISQ）系統中的保真度。

提出的方法

• 本研究採用基於物理的主方程框架，模擬環境噪音下量子位的動態行為，包含振幅阻尼與相位阻尼。
• 使用密度矩陣表示量子態，以分析退相干對疊加態與 entangled 態的影響。
• 模擬追蹤不同輸入態與噪音參數下，單一與多量子位閘的保真度隨時間的演化。
• 比較兩種量子全加法器的實作方式——QCKT-1（深度6）與QCKT-2（深度9），以評估深度相關的退相干效應。
• 保真度透過閘操作後理想與實際密度矩陣之間的重疊計算得出。
• 分析考慮多種輸入態，包括純態（例如|111⟩）、疊加態與混合態，以評估資料依賴性的退相干。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子閘中，量子位的輸入態如何影響退相干速率？
• RQ2 振幅阻尼與相位阻尼對量子閘保真度的相對影響為何？
• RQ3 電路深度如何影響多量子位元量子電路中的退相干與整體保真度？
• RQ4 即使功能結果相同，低深度邏輯實作是否可達成更高的保真度？
• RQ5 電路層級設計選擇在NISQ時代的量子電腦中，能在多大程度上減輕退相干效應？

主要发现

• 退相干嚴重依賴於輸入態，含有更多|1⟩態的電路因對振幅阻尼更敏感，導致保真度下降更明顯。
• 振幅阻尼對保真度的破壞性影響大於相位阻尼，特別是在|1⟩態佔比較高的狀態中。
• 低深度的量子電路展現顯著更高的保真度；6深度的QCKT-1加法器相比9深度的QCKT-2加法器，保真度提升達20%。
• 低深度電路（QCKT-1）的平均保真度為0.74，高於高深度電路（QCKT-2）的0.59，證實深度最小化的優勢。
• 由於長時間暴露於噪音中，特別是在含有多個|1⟩量子位的態中，門序列越長，保真度衰減越明顯。
• 即使因輸入態效應導致保真度曲線暫時交叉，所有輸入組合的平均保真度仍穩定支持低深度設計。