[论文解读] Variational Quantum Gate Optimization

Kentaro Heya, Yasunari Suzuki+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 4被引用 12

一句话总结

该论文提出变分量子门优化（VQGO），一种混合量子-经典算法，利用参数化单量子比特门在近期量子设备上优化多量子比特门保真度。通过迭代调整旋转角度以实现经典优化的代价函数，VQGO即使在串扰存在的情况下，也能实现高保真度的CNOT门和四量子比特逻辑错误检测门，相较于传统方法在超导量子比特模型中表现出更优性能。

ABSTRACT

We propose a gate optimization method, which we call variational quantum gate optimization (VQGO). VQGO is a method to construct a target multi-qubit gate by optimizing a parametrized quantum circuit which consists of tunable single-qubit gates with high fidelities and fixed multi-qubit gates with limited controlabilities. As an example, we apply the proposed scheme to the models relevant to superconducting qubit systems. We show in numerical simulations that the high-fidelity CNOT gate can be constructed with VQGO using cross-resonance gates with finite crosstalk. We also demonstrate that fast and a high-fidelity four-qubit syndrome extraction can be implemented with simultaneous cross-resonance drives even in the presence of non-commutative crosstalk. VQGO gives a pathway for designing efficient gate operations for quantum computers.

研究动机与目标

• 为解决近期量子计算机中两量子比特门保真度低的问题，特别是在存在串扰的超导量子比特架构中。
• 开发一种变分量子-经典方法，以在不依赖完整量子误差纠正的前提下提升物理门保真度。
• 通过可调单量子比特门和固定、低可控性的多量子比特门，实现高效构建高保真度多量子比特门。
• 证明混合算法不仅可用于计算，还可用于门优化本身。

提出的方法

• VQGO 使用由可调单量子比特门和固定源门（例如交叉共振门）组成的参数化量子线路来构建目标多量子比特门。
• 该方法通过经典优化器优化单量子比特门的旋转角度，以最小化基于测量门保真度的代价函数。
• 平均门保真度（AGF）通过随机化基准测试估算，采用随机态制备和测量基，其权重为所目标门的过程矩阵元素。
• 该协议使用基于目标门过程矩阵的代价函数，其失败概率和估计误差由测量统计特性所限定。
• 参数化线路结构允许优化源门的卡坦系数，这些系数直接影响纠缠能力与门表达能力。
• 该方法应用于具有有限串扰的超导量子比特模型，通过数值模拟验证门性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在串扰的超导量子比特系统中，变分量子-经典算法能否提升两量子比特门的保真度？
• RQ2 参数化单量子比特门在多量子比特门构建中，能在多大程度上补偿对固定多量子比特门控制能力有限的问题？
• RQ3 在非对易串扰和同时驱动条件下，VQGO能否实现高保真度的四量子比特逻辑错误检测？
• RQ4 源门的纠缠能力如何影响VQGO的优化性能？
• RQ5 在真实噪声和控制约束条件下，VQGO在门保真度方面是否优于传统门构建方法？

主要发现

• 即使在交叉共振门存在有限串扰的情况下，VQGO实现的CNOT门保真度仍高于传统方法。
• 该方法在存在非对易串扰的情况下，仍能通过同时驱动交叉共振门实现快速且高保真的四量子比特逻辑错误检测。
• 当源门的卡坦系数避免极端值（0或π/4）时，优化线路与CNOT门之间的平均门保真度趋近于1。
• 参数化线路的表达能力强烈依赖于源门的纠缠能力，当卡坦系数远离单位操作和SWAP极限时性能最优。
• 通过随机化基准测试结合随机态和基的选择来估算AGF，可确保保真度评估的可靠性，且误差和失败概率有界。
• 数值模拟证实，VQGO能有效缓解串扰影响，并在真实超导量子比特模型中提升门性能。