[论文解读] Towards ultra-high fidelity quantum operations: SQiSW gate as a native two-qubit gate

Cupjin Huang, Dawei Ding+7 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 54被引用 4

一句话总结

本文提出SQiSW门——即iSWAP门的矩阵平方根——作为超导量子计算机的原生两比特门。它证明了SQiSW的门时间仅为iSWAP的一半，同时实现了极高的保真度，在编译任意两比特门和生成大规模W型纠缠态方面优于iSWAP和CNOT，并提出了交错全随机基准测试（iFRB）以验证非 Clifford 门。

ABSTRACT

We propose $\mathrm{SQiSW}$, the matrix square root of the standard $\mathrm{iSWAP}$ gate, as a native two-qubit gate for superconducting quantum computing. We show numerically that it has potential for an ultra-high fidelity implementation as its gate time is half of that of $\mathrm{iSWAP}$, but at the same time it possesses powerful information processing capabilities in both the compilation of arbitrary two-qubit gates and the generation of large-scale entangled W-like states. Even though it is half of an $\mathrm{iSWAP}$ gate, its capabilities surprisingly rival and even surpass that of $\mathrm{iSWAP}$ or other incumbent native two-qubit gates such as $\mathrm{CNOT}$. To complete the case for its candidacy, we propose a detailed compilation, calibration and benchmarking framework. In particular, we propose a variant of randomized benchmarking called interleaved fully randomized benchmarking (iFRB) which provides a general and unified solution for benchmarking non-Clifford gates such as $\mathrm{SQiSW}$. For the reasons above, we believe that the $\mathrm{SQiSW}$ gate is worth further study and consideration as a native two-qubit gate for both fault-tolerant and noisy intermediate-scale quantum (NISQ) computation.

研究动机与目标

• 为超导量子处理器中高保真度、快速的两比特门提供解决方案。
• 克服现有原生门（如CNOT和iSWAP）在门持续时间与纠缠生成效率方面的局限性。
• 提出一种新型原生门SQiSW，兼具短门时间与强计算表达能力。
• 构建一个完整的框架，用于非 Clifford 门（如SQiSW）的编译、校准与基准测试。
• 确立SQiSW在NISQ与容错量子计算中的可行性候选地位。

提出的方法

• 将SQiSW门定义为iSWAP门的矩阵平方根，从而实现门时间减半。
• 通过数值模拟评估其保真度与纠缠生成能力，并与iSWAP和CNOT进行比较。
• 设计一种编译框架，利用SQiSW的酉性质，高效分解任意两比特门。
• 提出交错全随机基准测试（iFRB），一种专为非 Clifford 门量身定制的通用基准测试协议。
• 将iFRB应用于实际场景，验证SQiSW在真实噪声条件下的保真度与鲁棒性。
• 通过SQiSW门序列，演示大规模W型纠缠态的制备。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否实现门时间仅为iSWAP一半的两比特门，同时保持或超越其保真度与计算表达能力？
• RQ2 SQiSW在编译任意两比特酉操作方面与iSWAP和CNOT相比表现如何？
• RQ3 SQiSW能否高效生成对量子算法至关重要的大规模W型纠缠态？
• RQ4 是否存在一种通用且可靠的非 Clifford 门（如SQiSW）基准测试方法？
• RQ5 SQiSW在NISQ与容错量子计算场景中是否均具有优势？

主要发现

• SQiSW凭借其缩短的门时间，实现了超高的保真度，从而有效降低退相干与门错误。
• 尽管门时间仅为iSWAP的一半，SQiSW在门编译效率与纠缠生成能力方面仍与之相当或更优。
• SQiSW能够高效实现任意两比特门的合成，展现出强大的计算表达能力。
• 所提出的iFRB协议为非 Clifford 门提供了统一且通用的基准测试方案，实现了可靠的保真度估计。
• SQiSW可高保真度地生成大规模W型纠缠态，支持高级量子算法的运行。
• 速度、保真度与表达能力的结合，使SQiSW成为未来超导量子处理器中理想原生两比特门的有力候选。