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JP7655966B2 - Fidelity Estimation for Quantum Computing Systems - Google Patents
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Description

本明細書は、量子コンピューティングに関する。 This specification relates to quantum computing.

量子回路は、計算が量子ゲートのシーケンスを含む量子計算のモデルである。量子回路は、たとえばデコヒーレンスおよび他の量子雑音に起因する誤差に対して敏感である。量子回路における誤りの影響は、量子回路の忠実度によって特徴づけられる場合がある。忠実度は、量子回路の品質および信頼度を示す量子回路の測定基準(metric)である。 A quantum circuit is a model of quantum computation in which a computation involves a sequence of quantum gates. Quantum circuits are sensitive to errors due to, for example, decoherence and other quantum noise. The effect of errors in a quantum circuit is sometimes characterized by the fidelity of the quantum circuit. Fidelity is a quantum circuit metric that indicates the quality and reliability of the quantum circuit.

本明細書は、量子コンピューティングシステムにおける量子ハードウェアの忠実度を推定することに関する。特に、本明細書は、複数のキュービットを有する、複雑な非クリフォード量子回路の忠実度を推定するための技術を説明する。 This specification relates to estimating the fidelity of quantum hardware in quantum computing systems. In particular, this specification describes techniques for estimating the fidelity of complex non-Clifford quantum circuits having multiple qubits.

一般に、本明細書において説明する主題の発明的一態様は、量子ゲートのセットにアクセスするアクションと、量子ゲートのセットから量子ゲートのサブセットをサンプリングするアクションであって、量子ゲートのサブセットが量子回路を定義する、アクションと、量子回路を量子システムに適用し、量子システムの出力情報を決定するために量子システム上で測定を行うアクションと、量子システムへの量子回路の適用に基づいて量子システムの出力情報を計算するアクションと、量子システムの決定された出力情報および計算された出力情報に基づいて量子回路の忠実度を推定するアクションとを含む方法において実装することができる。 In general, an inventive aspect of the subject matter described herein may be implemented in a method that includes the actions of accessing a set of quantum gates, sampling a subset of quantum gates from the set of quantum gates, where the subset of quantum gates defines a quantum circuit, applying the quantum circuit to a quantum system and performing measurements on the quantum system to determine output information of the quantum system, calculating output information of the quantum system based on application of the quantum circuit to the quantum system, and estimating fidelity of the quantum circuit based on the determined and calculated output information of the quantum system.

本態様の他の実装形態は、対応するコンピュータシステム、装置、および1つまたは複数のコンピュータ記憶デバイスに記録されたコンピュータプログラムを含み、各々が、本方法のアクションを行うように構成される。1つまたは複数のコンピュータのシステムは、動作時にシステムにアクションを行わせるソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはそれらの組合せをシステムにインストールすることによって、特定の動作またはアクションを行うように構成することができる。1つまたは複数のコンピュータプログラムは、データ処理装置によって実行されるとき、装置にアクションを行わせる命令を含むことによって、特定の動作またはアクションを行うように構成することができる。 Other implementations of the present aspect include corresponding computer systems, devices, and computer programs recorded on one or more computer storage devices, each configured to perform the actions of the present method. One or more computer systems can be configured to perform a particular operation or action by installing software, firmware, hardware, or a combination thereof on the system that, when operated, causes the system to perform the action. One or more computer programs can be configured to perform a particular operation or action by including instructions that, when executed by a data processing device, cause the device to perform the action.

上記および他の実装形態は、各々任意選択で、以下の特徴のうち1つまたは複数を単独でまたは組み合わせて含むことができる。いくつかの実装形態では、量子システムの忠実度を推定することは、量子システムの決定された出力情報を量子システムの計算された出力情報にフィッティングすることを含む。 These and other implementations may each optionally include one or more of the following features, alone or in combination: In some implementations, estimating the fidelity of the quantum system includes fitting determined output information of the quantum system to calculated output information of the quantum system.

場合によっては、量子回路の忠実度を推定するために、量子システムの決定された出力情報を量子システムの計算された出力情報にフィッティングすることは、量子システムの計算された出力情報および完全混合(totally mixed)量子状態の凸結合を定義することと、定義された凸結合を量子システムの決定された出力情報と比較することによって、量子回路の忠実度を推定することとを含む。 In some cases, fitting the determined output information of the quantum system to the calculated output information of the quantum system to estimate the fidelity of the quantum circuit includes defining a convex combination of the calculated output information of the quantum system and a totally mixed quantum state, and estimating the fidelity of the quantum circuit by comparing the defined convex combination to the determined output information of the quantum system.

いくつかの実装形態では、凸結合は、以下によって与えられる。 In some implementations, the convex combination is given by:

ここで、αは量子回路の忠実度を表し、|ψ〉は量子システムへの量子回路の適用に基づく量子システムの計算された量子状態を表し、I/Nは完全混合状態を表す。 where α represents the fidelity of the quantum circuit, |ψ〉 represents the computed quantum state of the quantum system based on the application of the quantum circuit to the quantum system, and I/N represents the fully mixed state.

場合によっては、本方法は、イベントの完了まで量子ゲートのセットから量子ゲートのサブセットを繰り返しサンプリングするステップであって、量子ゲートの各サブセットがそれぞれの量子回路を定義する、ステップと、量子ゲートのサンプリングされたサブセットごとに、それぞれの量子回路を量子システムに適用し、量子システムの出力情報を決定するために量子システムについてそれぞれの測定を行うステップと、量子システムへのそれぞれの量子回路の適用に基づいて量子システムの出力情報を計算するステップと、量子システムの決定された出力情報および計算された出力情報に基づいてそれぞれの量子回路の忠実度を推定するステップとをさらに含む。 In some cases, the method further includes repeatedly sampling subsets of quantum gates from the set of quantum gates until completion of the event, each subset of quantum gates defining a respective quantum circuit; for each sampled subset of quantum gates, applying the respective quantum circuit to a quantum system and performing a respective measurement on the quantum system to determine output information of the quantum system; calculating output information of the quantum system based on application of the respective quantum circuit to the quantum system; and estimating fidelity of the respective quantum circuit based on the determined output information and the calculated output information of the quantum system.

いくつかの実装形態では、推定される忠実度の不確実さが所定のしきい値を下回るとき、イベントの完了が発生する。 In some implementations, completion of the event occurs when the uncertainty of the estimated fidelity falls below a predefined threshold.

場合によっては、量子ゲートのセットは、量子ゲートのユニバーサルセットを含む。 In some cases, the set of quantum gates includes a universal set of quantum gates.

場合によっては、量子ゲートのセットは、単一キュービット量子ゲート、および2キュービット量子ゲートを含む。 In some cases, the set of quantum gates includes single-qubit quantum gates and two-qubit quantum gates.

いくつかの実装形態では、量子ゲートのセット中の各ゲートが、それぞれの量子ゲート忠実度に関連する。 In some implementations, each gate in a set of quantum gates is associated with a respective quantum gate fidelity.

他の実装形態では、量子ゲートのサンプリングされたサブセットは、比較可能なそれぞれの量子ゲート忠実度の同数の量子ゲートを含む。 In other implementations, the sampled subset of quantum gates includes an equal number of quantum gates of comparable respective quantum gate fidelity.

場合によっては、量子ゲートのセットから量子ゲートのサブセットをサンプリングすることは、量子ゲートのセットから量子ゲートのサブセットをランダムにサンプリングすることを含む。 In some cases, sampling the subset of quantum gates from the set of quantum gates includes randomly sampling the subset of quantum gates from the set of quantum gates.

本明細書において説明する主題は、以下の利点のうちの1つまたは複数を実現するために、特定の方法で実装することができる。 The subject matter described herein can be implemented in a particular manner to achieve one or more of the following advantages:

量子ハードウェア、たとえば量子ゲートのシステムは、本質的に誤りを起こしやすく、誤りは、訂正可能となる前に特徴づけられる必要がある。量子プロセストモグラフィなどのプロセスによる完全な特徴づけは、たとえば計算コストおよび効率の観点から実用的でない。たとえば、量子プロセストモグラフィは、必要とされる測定の数が指数関数的に増えるので、量子システム中のキュービットの数が増えるにつれて極めて高くなる。加えて、実際的には平均忠実度などのより全般的な量を推定することで十分である場合があるので、完全な特徴づけは不要であることが多い。 Quantum hardware, e.g., systems of quantum gates, are inherently error-prone and errors need to be characterized before they can be corrected. Full characterization by processes such as quantum process tomography is impractical, e.g., in terms of computational cost and efficiency. For example, quantum process tomography becomes prohibitively expensive as the number of qubits in the quantum system increases, as the number of measurements required grows exponentially. In addition, full characterization is often unnecessary, as in practice it may be sufficient to estimate more general quantities such as the average fidelity.

誤りを特徴づけるための代替方法は、量子ハードウェアにおいて量子ゲートの限定的なセットを使用することを含む。たとえば、クリフォードゲートを用いたランダム化ベンチマーキングは、単一キュービットゲートおよび2キュービットゲートの忠実度を測定するための大幅に拡張された方法である。しかしながら、そのような技法は、ユニバーサル量子ゲートセットを採用する量子回路の忠実度を直接測定するために適用することができない。これらの限定的な回路群によって生成された量子状態が、ユニバーサル量子ゲートを用いる回路によって生成される量子状態とは、重要な面において非常に異なる場合があるので、そのような方法を使用して得られた結果は、したがってただちに注目されるものではない、または例示的、非実用的とみなされる場合がある。たとえば、クリフォード回路は、古典コンピュータを使用して常に効率的にシミュレートされ、Porter-Thomas分布を示さない場合がある。 Alternative methods for characterizing errors include using a limited set of quantum gates in quantum hardware. For example, randomized benchmarking with Clifford gates is a significantly enhanced method for measuring the fidelity of single-qubit and two-qubit gates. However, such techniques cannot be applied to directly measure the fidelity of quantum circuits employing a universal quantum gate set. Because the quantum states produced by these limited sets of circuits may differ significantly in important respects from those produced by circuits using universal quantum gates, results obtained using such methods may therefore be considered not immediately remarkable or illustrative or non-practical. For example, Clifford circuits may not always be efficiently simulated using classical computers and may not exhibit a Porter-Thomas distribution.

量子ハードウェアの複雑性および多様性が増大すると、古典コンピュータによって容易に、かつ効率的にシミュレートできるタイプではない量子回路には、回路忠実度を測定することが必須である。 As the complexity and diversity of quantum hardware increases, measuring circuit fidelity is essential for quantum circuits that are not easily and efficiently simulated by classical computers.

本明細書で説明するような量子コンピューティングシステムのための忠実度推定を実装するシステムは、ますます複雑になる量子ハードウェアの忠実度を推定することができる。 Systems implementing fidelity estimation for quantum computing systems as described herein can estimate the fidelity of increasingly complex quantum hardware.

本明細書で説明するような量子コンピューティングシステムのための忠実度推定を実装するシステムは、量子計算のデジタルモデルと量子計算のアナログモデルの両方に適用可能である。量子計算のデジタルモデルの場合、システムは、量子ゲートの限定的なセットの使用を必要としない。たとえば、システムは、量子ゲートのユニバーサルセットから選ばれたゲートから構成される複雑なランダム量子回路を利用してもよく、したがってますます多くのキュービットおよび量子ゲートとともにますます複雑になる量子回路の量子回路忠実度の直接測定が可能となる。同様に、量子計算のアナログモデルの場合、システムは、連続ハミルトニアン進化(continuous Hamiltonian evolution)を実装する量子ハードウェアの忠実度を直接決定することを可能にする。 The system implementing fidelity estimation for quantum computing systems as described herein is applicable to both digital models of quantum computation and analog models of quantum computation. In the case of digital models of quantum computation, the system does not require the use of a limited set of quantum gates. For example, the system may utilize complex random quantum circuits composed of gates chosen from a universal set of quantum gates, thus allowing direct measurement of quantum circuit fidelity for quantum circuits of increasing complexity with an increasing number of qubits and quantum gates. Similarly, in the case of analog models of quantum computation, the system allows for direct determination of the fidelity of quantum hardware that implements continuous Hamiltonian evolution.

量子回路の忠実度を推定するための他のシステムおよび方法とは異なり、本明細書で説明するような量子コンピューティングシステムのための忠実度推定を実装するシステムは、量子回路の忠実度が、キュービット数のべき乗のいくつかの測定が行われる必要なしに、推定されることを可能にする。 Unlike other systems and methods for estimating the fidelity of quantum circuits, systems implementing fidelity estimation for quantum computing systems as described herein allow the fidelity of a quantum circuit to be estimated without the need for measurements to be made of several powers of the number of qubits.

本明細書の主題の1つまたは複数の実装形態の詳細は、添付の図面および以下の説明に記載される。説明、図面、および特許請求の範囲から、主題の他の特徴、態様、および利点が明らかとなるであろう。 Details of one or more implementations of the subject matter herein are set forth in the accompanying drawings and the description below. Other features, aspects, and advantages of the subject matter will become apparent from the description, drawings, and claims.

忠実度推定のための例示的なシステムを示す図である。FIG. 1 illustrates an example system for fidelity estimation. 忠実度推定のための例示的なシステムを示す図である。FIG. 1 illustrates an example system for fidelity estimation. 量子回路の忠実度をベンチマーキングするための例示的なプロセスの流れ図である。1 is a flow diagram of an exemplary process for benchmarking the fidelity of a quantum circuit. 量子回路の忠実度を推定するために、量子システムの決定された出力情報を量子システムの計算された出力情報にフィッティングするための例示的なプロセスの流れ図である。1 is a flow diagram of an exemplary process for fitting determined output information of a quantum system to calculated output information of a quantum system to estimate the fidelity of a quantum circuit. 量子ハードウェアの忠実度をベンチマーキングするための例示的なプロセスの流れ図である。1 is a flow diagram of an exemplary process for benchmarking the fidelity of quantum hardware. 量子ハードウェアの忠実度を推定するために、量子システムの決定された出力情報を量子システムの計算された出力情報にフィッティングするための例示的なプロセスの流れ図である。1 is a flow diagram of an exemplary process for fitting determined output information of a quantum system to calculated output information of a quantum system to estimate the fidelity of the quantum hardware.

様々な図面における同様の参照符号および名称は、同様の要素を示す。 Like reference numbers and names in the various drawings indicate like elements.

本明細書は、量子ハードウェア、たとえば量子回路に対する、忠実度ベンチマーキングのための方法およびシステムを説明する。利用可能な量子ゲートの所与のユニバーサルファミリー(universal family)からの量子回路のランダムインスタンスが選択され、選ばれた測定に対する選択された量子回路の統計値は、古典的シミュレーションを使用して数値的に計算される。同じ量子回路のラン(run)のシーケンスが行われ、量子ハードウェアの測定が行われる。量子回路の忠実度は、数値的に取得された予想統計値および実験的に決定された統計値を使用して推定される。 This specification describes a method and system for fidelity benchmarking of quantum hardware, e.g., quantum circuits. A random instance of a quantum circuit from a given universal family of available quantum gates is selected, and statistics of the selected quantum circuit for chosen measurements are numerically calculated using classical simulation. A sequence of runs of the same quantum circuit is performed, and measurements of the quantum hardware are made. The fidelity of the quantum circuit is estimated using the numerically obtained expected statistics and the experimentally determined statistics.

例示的な動作環境
図1Aは、忠実度推定のための例示的なシステム100を示す。例示的なシステム100は、以下で説明するシステム、コンポーネント、技法を実装することができる1つまたは複数の場所において、1つまたは複数の古典コンピュータまたは量子コンピューティングデバイス上に古典的または量子力学的コンピュータプログラムとして実装されるシステムの一例である。
1A illustrates an exemplary system 100 for fidelity estimation. The exemplary system 100 is an example of a system implemented as a classical or quantum mechanical computer program on one or more classical or quantum computing devices, at one or more locations where the systems, components, and techniques described below may be implemented.

システムは、忠実度推定システム104と通信している量子ハードウェア102を含む。量子ハードウェア102は、1つまたは複数のキュービット106、たとえばキュービット108を含む場合がある量子システムを含む。1つまたは複数のキュービットは、アルゴリズム動作または量子計算を行うように使用されてもよい。1つまたは複数のキュービットの特定の実現は、量子コンピューティングデバイスが行っているアルゴリズム動作または量子計算のタイプによって決まる。たとえば、キュービットは、原子、分子、またはソリッドステートの量子システムにより実現されるキュービットを含んでもよい。他の例では、キュービットは、限定はしないが超伝導キュービットまたは半導体キュービットを含んでもよい。明快のために、図1Aでは4つのキュービットが示されるが、システムは、より小さいまたはより大きい数のキュービットを含んでもよい。 The system includes quantum hardware 102 in communication with a fidelity estimation system 104. The quantum hardware 102 includes a quantum system that may include one or more qubits 106, e.g., qubit 108. The one or more qubits may be used to perform an algorithmic operation or a quantum computation. The particular implementation of the one or more qubits depends on the type of algorithmic operation or quantum computation that the quantum computing device is performing. For example, the qubits may include qubits implemented with atomic, molecular, or solid-state quantum systems. In other examples, the qubits may include, but are not limited to, superconducting qubits or semiconductor qubits. For clarity, four qubits are shown in FIG. 1A, but the system may include a smaller or larger number of qubits.

1つまたは複数のキュービット106の各々が、たとえばそれぞれの制御可能な結合を通して、1つまたは複数の他のキュービットと相互作用してもよい。いくつかの例では、1つまたは複数のキュービット106は、最隣接相互作用を受けてもよい。 Each of the one or more qubits 106 may interact with one or more other qubits, for example through respective controllable couplings. In some examples, one or more qubits 106 may undergo nearest-neighbor interactions.

1つまたは複数のキュービット106は様々な方法で配列されてもよい。1つまたは複数のキュービットの特定の配列は、キュービットが実行するように使用されているアルゴリズム動作または量子計算によって決まってもよい。いくつかの例では、キュービットは、1次元アレイで、たとえば鎖状に配列されてもよい。他の例では、キュービットは、2次元アレイで、たとえば格子状に配列されてもよい。明快のために、4つのキュービットは、図1では1次元アレイで示されるが、システムは他の形でキュービットを配列してもよい。 The one or more qubits 106 may be arranged in a variety of ways. The particular arrangement of the one or more qubits may depend on the algorithmic operation or quantum computation that the qubits are being used to perform. In some examples, the qubits may be arranged in a one-dimensional array, e.g., a chain. In other examples, the qubits may be arranged in a two-dimensional array, e.g., a lattice. For clarity, four qubits are shown in a one-dimensional array in FIG. 1, although the system may arrange the qubits in other ways.

量子ハードウェア102は、量子ゲート110のセットを含む。量子ゲート110のセットは、単一キュービットゲート、たとえば量子ゲート112、および2キュービットゲート、たとえば量子ゲート114を含む。単一キュービット量子ゲートは、単一のキュービット上で動作する量子ゲートである。例示的な単一キュービットゲートは、限定はしないがアダマールゲート、パウリX、Y、もしくはZゲート、または位相シフトゲートを含む。2キュービット量子ゲートは、2つのキュービット上で動作する量子ゲートである。例示的な2キュービットゲートは、限定はしないがスワップゲート、制御ゲート、トフォリゲート、またはフレドキンゲートを含む。 The quantum hardware 102 includes a set of quantum gates 110. The set of quantum gates 110 includes single qubit gates, e.g., quantum gate 112, and two qubit gates, e.g., quantum gate 114. A single qubit quantum gate is a quantum gate that operates on a single qubit. Exemplary single qubit gates include, but are not limited to, a Hadamard gate, a Pauli X, Y, or Z gate, or a phase shift gate. A two qubit quantum gate is a quantum gate that operates on two qubits. Exemplary two qubit gates include, but are not limited to, a swap gate, a control gate, a Toffoli gate, or a Fredkin gate.

量子ゲート110のセットは、量子ゲートのユニバーサルセットを含んでもよい。量子ゲートのユニバーサルセットは、量子コンピューティングデバイス上で可能な任意の計算動作を減らすことができるゲートのセットである。たとえば、単一および2キュービット量子ゲートのユニバーサルセットの一例は、アダマールゲート、π/8ゲート、および制御NOTゲートを含む。 The set of quantum gates 110 may include a universal set of quantum gates. A universal set of quantum gates is a set of gates to which any computational operation possible on a quantum computing device can be reduced. For example, one example of a universal set of single and two-qubit quantum gates includes the Hadamard gate, the π/8 gate, and the controlled NOT gate.

量子ゲート110のセットは、1つまたは複数の量子回路、たとえば量子回路116を定義するためにサンプリングされてもよい。明快のために、量子回路116は、固定数の代表的量子ゲート、たとえば量子ゲート112および114を含むが、量子ゲートのサンプリングされたセットによって定義される量子回路は、様々な配列でより多いまたはより少ない量子ゲートを含んでもよい。 The set of quantum gates 110 may be sampled to define one or more quantum circuits, e.g., quantum circuit 116. For clarity, quantum circuit 116 includes a fixed number of representative quantum gates, e.g., quantum gates 112 and 114, although a quantum circuit defined by a sampled set of quantum gates may include more or fewer quantum gates in various arrangements.

サンプリングされた量子回路116は、初期状態122、たとえば基底状態で用意された量子システム、たとえば1つまたは複数のキュービットを入力として受け取る。量子回路は、量子システム上で動作し、最終状態120の量子システムを出力する。ここにおいて、最終状態は、量子回路によって量子システム上で行われる動作によって決定される。 The sampled quantum circuit 116 receives as input a quantum system, e.g., one or more qubits, prepared in an initial state 122, e.g., a basis state. The quantum circuit operates on the quantum system and outputs a quantum system in a final state 120, where the final state is determined by the operations performed on the quantum system by the quantum circuit.

量子ゲート110のセット内の各量子ゲートおよび量子ゲート110のセットのサブセットで定義される各量子回路が、それぞれのゲート忠実度または量子回路忠実度に関連する。量子ゲート忠実度および量子回路忠実度は、どのくらい確実にゲートまたは回路が入力を予想される出力に変換するかの尺度を示す。たとえば、パウリX量子ゲートは、単一キュービット上で作用し、0状態を1状態に、および1状態を0状態にマッピングする。パウリXゲートの忠実度は、どのくらい正確かつ確実にマッピングが実現されるかを示す、たとえばゲートが0状態を1状態に、その逆も同様に確実にマッピングするかどうかを示す0と1との間の数を含んでもよい。 Each quantum gate in the set of quantum gates 110 and each quantum circuit defined by a subset of the set of quantum gates 110 is associated with a respective gate fidelity or quantum circuit fidelity. Quantum gate fidelity and quantum circuit fidelity indicate a measure of how reliably a gate or circuit converts an input into an expected output. For example, a Pauli X quantum gate operates on a single qubit and maps a 0 state to a 1 state and a 1 state to a 0 state. The fidelity of a Pauli X gate may include a number between 0 and 1 indicating how accurately and reliably the mapping is achieved, for example, whether the gate reliably maps a 0 state to a 1 state and vice versa.

量子ハードウェア102は、1つまたは複数の測定デバイス118、たとえば測定デバイス124を含む。測定デバイス118は、量子システムバイスの特性を決定するために、量子システム上で動作してもよく、たとえば測定デバイス124が、最終状態120において量子システム上で動作する。 The quantum hardware 102 includes one or more measurement devices 118, such as measurement device 124. The measurement devices 118 may operate on the quantum system to determine a characteristic of the quantum system, such as measurement device 124 operating on the quantum system at a final state 120.

忠実度推定システム104は、古典的または量子力学的処理デバイスを含んでもよく、量子ハードウェア102と通信する。忠実度推定システム104は、量子ゲート110のセットにアクセスし、それぞれの量子回路、たとえば量子回路116を定義するために、量子ゲート110のセットから量子ゲートのサブセットをサンプリングするように構成されてもよい。忠実度推定システム104は、定義された量子回路が量子システム、たとえば1つまたは複数のキュービット106に繰り返し適用されるようにし、1つまたは複数の測定デバイス118を使用して量子システムの出力情報、たとえば統計値を決定するために、量子システム上でそれぞれの測定を行ってもよい。 The fidelity estimation system 104 may include a classical or quantum mechanical processing device and is in communication with the quantum hardware 102. The fidelity estimation system 104 may be configured to access a set of quantum gates 110 and sample a subset of quantum gates from the set of quantum gates 110 to define a respective quantum circuit, e.g., quantum circuit 116. The fidelity estimation system 104 may cause the defined quantum circuit to be repeatedly applied to a quantum system, e.g., one or more qubits 106, and perform respective measurements on the quantum system to determine output information, e.g., statistics, of the quantum system using one or more measurement devices 118.

忠実度推定システム104は、量子システムへの量子回路の適用に基づいて、たとえば量子システム上で定義された量子回路を適用した後に、量子システムの出力情報、たとえば予想統計値を計算することと、量子回路の忠実度を推定するために、量子システムの決定された出力情報を量子システムの計算された出力情報にフィッティングすることとを行うように構成されてもよい。量子回路の忠実度を推定することについては、図2および図3に関して以下でより詳細に説明する。 The fidelity estimation system 104 may be configured to calculate output information, e.g., expected statistics, of the quantum system based on application of the quantum circuit to the quantum system, e.g., after applying a defined quantum circuit on the quantum system, and to fit the determined output information of the quantum system to the calculated output information of the quantum system to estimate the fidelity of the quantum circuit. Estimating the fidelity of the quantum circuit is described in more detail below with respect to Figures 2 and 3.

図1Bは、忠実度推定のための例示的なシステム150を示す。例示的なシステム150は、以下で説明するシステム、コンポーネント、技法を実装することができる1つまたは複数の場所において、1つまたは複数の古典コンピュータまたは量子コンピューティングデバイス上に古典的または量子力学的コンピュータプログラムとして実装されるシステムの一例である。 FIG. 1B illustrates an exemplary system 150 for fidelity estimation. The exemplary system 150 is an example of a system implemented as a classical or quantum mechanical computer program on one or more classical or quantum computing devices at one or more locations where the systems, components, and techniques described below may be implemented.

システムは、忠実度推定システム154と通信している量子ハードウェア152を含む。量子ハードウェア152は、1つまたは複数のキュービット156、たとえばキュービット158を含む場合がある量子システムを含む。図1Aに関して上記で説明したように、1つまたは複数のキュービットは、アルゴリズム動作または量子計算を行うように使用されてもよい。1つまたは複数のキュービットの特定の実現は、量子コンピューティングデバイスが行っているアルゴリズム動作または量子計算のタイプによって決まる。たとえば、キュービットは、原子、分子、またはソリッドステートの量子システムにより実現されるキュービットを含んでもよい。他の例では、キュービットは、限定はしないが超伝導キュービットまたは半導体キュービットを含んでもよい。明快のために、図1Bでは4つのキュービットが示されるが、システムは、より小さいまたはより大きい数のキュービットを含んでもよい。 The system includes quantum hardware 152 in communication with a fidelity estimation system 154. The quantum hardware 152 includes a quantum system that may include one or more qubits 156, e.g., qubit 158. As described above with respect to FIG. 1A, the one or more qubits may be used to perform an algorithmic operation or a quantum computation. The particular implementation of the one or more qubits depends on the type of algorithmic operation or quantum computation that the quantum computing device is performing. For example, the qubits may include qubits implemented with atomic, molecular, or solid-state quantum systems. In other examples, the qubits may include, but are not limited to, superconducting qubits or semiconductor qubits. For clarity, four qubits are shown in FIG. 1B, but the system may include a smaller or larger number of qubits.

1つまたは複数のキュービット156の各々は、たとえばそれぞれの制御可能な結合を通して1つまたは複数の他のキュービットと相互作用してもよい。いくつかの例では、1つまたは複数のキュービット156は、最隣接相互作用を受けてもよい。 Each of the one or more qubits 156 may interact with one or more other qubits, for example through respective controllable couplings. In some examples, one or more qubits 156 may undergo nearest-neighbor interactions.

1つまたは複数のキュービット156は様々な方法で配列されてもよい。1つまたは複数のキュービットの特定の配列は、キュービットが実行するように使用されているアルゴリズム動作または量子計算によって決まってもよい。いくつかの例では、キュービットは、1次元アレイで、たとえば鎖状に配列されてもよい。他の例では、キュービットは、2次元アレイで、たとえば格子状に配列されてもよい。明快のために、4つのキュービットは、図1では1次元アレイで示されるが、システムは他の形でキュービットを配列してもよい。 The one or more qubits 156 may be arranged in a variety of ways. The particular arrangement of the one or more qubits may depend on the algorithmic operation or quantum computation that the qubits are being used to perform. In some examples, the qubits may be arranged in a one-dimensional array, e.g., a chain. In other examples, the qubits may be arranged in a two-dimensional array, e.g., a lattice. For clarity, four qubits are shown in a one-dimensional array in FIG. 1, although the system may arrange the qubits in other ways.

量子ハードウェア152は、連続ハミルトニアン進化を行うための1つまたは複数のコンポーネント160を含む。連続ハミルトニアン進化を行うための1つまたは複数のコンポーネント160は、1つまたは複数のハミルトニアンを実装し、ひいては1つまたは複数のハミルトニアンは、それが適用される量子システムの進化を定義するユニタリー演算子を決定してもよい。たとえば、コンポーネント160は、ハミルトニアンHを実装してもよく、ハミルトニアンHはひいてはユニタリー演算子162を生じさせる。ユニタリー演算子162は、初期状態164で用意され、量子システムの最終状態166となる、量子システムの進化を定義する。 The quantum hardware 152 includes one or more components 160 for performing continuous Hamiltonian evolution. The one or more components 160 for performing continuous Hamiltonian evolution may implement one or more Hamiltonians, which in turn may determine a unitary operator that defines the evolution of the quantum system to which it is applied. For example, the component 160 may implement a Hamiltonian H, which in turn gives rise to a unitary operator 162. The unitary operator 162 defines the evolution of a quantum system that is provided at an initial state 164 and becomes a final state 166 of the quantum system.

量子システムの各連続ハミルトニアン進化は、それぞれの量子ハードウェア忠実度に関連する。量子ハードウェア忠実度は、図1Aに関して上記で説明したように、どのくらい確実にハードウェアが入力を予想される出力に変換するかの尺度を示す。 Each successive Hamiltonian evolution of a quantum system is associated with a respective quantum hardware fidelity, which is a measure of how reliably the hardware transforms inputs into expected outputs, as explained above with respect to Figure 1A.

量子ハードウェア152は、1つまたは複数の測定デバイス168、たとえば測定デバイス172を含む。測定デバイス168は、量子システムの特性を決定するために、量子システム上で動作してもよく、たとえば測定デバイス172が、最終状態166において量子システム上で動作する。 Quantum hardware 152 includes one or more measurement devices 168, such as measurement device 172. Measurement device 168 may operate on the quantum system to determine a property of the quantum system, such as measurement device 172 operating on the quantum system at final state 166.

忠実度推定システム154は、古典的または量子力学的処理デバイスを含んでもよく、量子ハードウェア152と通信する。忠実度推定システム154は、量子ハードウェア512にアクセスし、特定の連続ハミルトニアン進化のためのコンポーネント160を選択するように構成されてもよい。忠実度推定システム154は、量子ハードウェアが、量子システム上の選択されたコンポーネント、たとえば1つまたは複数のキュービット156に対応する連続ハミルトニアン進化を繰り返し実行し、量子システムの出力情報を決定するために量子システム上でそれぞれの測定を行うようにしてもよい。 The fidelity estimation system 154 may include a classical or quantum mechanical processing device and is in communication with the quantum hardware 152. The fidelity estimation system 154 may be configured to access the quantum hardware 512 and select a particular component 160 for the continuous Hamiltonian evolution. The fidelity estimation system 154 may cause the quantum hardware to repeatedly perform the continuous Hamiltonian evolution corresponding to the selected component on the quantum system, e.g., one or more qubits 156, and perform respective measurements on the quantum system to determine output information of the quantum system.

忠実度推定システム154は、量子システム上で選択された連続ハミルトニアン進化を行うことに基づいて、量子システムの出力情報を計算することと、量子ハードウェアの忠実度を推定するために量子システムの決定された出力情報を量子システムの計算された出力情報にフィッティングすることとを行うように構成されてもよい。量子ハードウェアの忠実度を推定することについては、図4および図5に関して以下でより詳細に説明する。 The fidelity estimation system 154 may be configured to calculate output information of the quantum system based on performing a selected continuous Hamiltonian evolution on the quantum system, and to fit the determined output information of the quantum system to the calculated output information of the quantum system to estimate the fidelity of the quantum hardware. Estimating the fidelity of the quantum hardware is described in more detail below with respect to Figures 4 and 5.

ハードウェアをプログラミングする
図2は、量子回路の忠実度をベンチマーキングするための例示的なプロセス200のフローチャートである。便宜上、プロセス200は、1つまたは複数の場所にある1つまたは複数の古典的または量子力学的コンピューティングデバイスのシステムによって行われるものと説明する。たとえば、量子コンピューティングシステム、たとえば本明細書に従って適切にプログラムされた、図1Aの量子コンピューティングシステム100は、プロセス200を行うことができる。
Programming the Hardware Figure 2 is a flow chart of an exemplary process 200 for benchmarking the fidelity of a quantum circuit. For convenience, process 200 is described as being performed by a system of one or more classical or quantum mechanical computing devices at one or more locations. For example, a quantum computing system, such as quantum computing system 100 of Figure 1A, suitably programmed in accordance with the present specification, can perform process 200.

システムは、量子ゲートのセットにアクセスする(ステップ202)。量子ゲートのセットは、1つまたは複数の単一キュービットゲートを含んでもよい。量子ゲートのセット中の各量子ゲートが、それぞれの量子ゲート忠実度に関連してもよい。量子ゲートのセットは、1つまたは複数の2キュービットゲートを含んでもよい。例示的な単一および2キュービットゲートについては、図1Aに関して上記で説明される。いくつかの実装形態では、量子ゲートのセットは、量子ゲートのユニバーサルセットを含む。量子ゲートのユニバーサルセットについては、図1Aに関して上記で説明される。 The system accesses a set of quantum gates (step 202). The set of quantum gates may include one or more single-qubit gates. Each quantum gate in the set of quantum gates may be associated with a respective quantum gate fidelity. The set of quantum gates may include one or more two-qubit gates. Exemplary single and two-qubit gates are described above with respect to FIG. 1A. In some implementations, the set of quantum gates includes a universal set of quantum gates. The universal set of quantum gates is described above with respect to FIG. 1A.

システムは、量子ゲートのセットから量子ゲートのサブセットをサンプリングする(ステップ204)。いくつかの実装形態では、システムは、量子ゲートのセットから量子ゲートのサブセットをランダムにサンプリングしてもよい。サンプリングされた量子ゲートのサブセットは、量子回路を定義する。たとえば、量子ゲートの利用可能なセットから量子ゲートのサブセットをランダムにサンプリングすることによって、システムは、量子回路のランダムインスタンスを生成する。 The system samples a subset of quantum gates from the set of quantum gates (step 204). In some implementations, the system may randomly sample a subset of quantum gates from the set of quantum gates. The sampled subset of quantum gates defines a quantum circuit. For example, by randomly sampling a subset of quantum gates from the available set of quantum gates, the system generates a random instance of a quantum circuit.

いくつかの実装形態では、システムは、量子ゲートのセットか量子ゲートのサブセットを繰り返しサンプリングしてもよく、サンプリングされた各サブセットが、それぞれの量子回路を定義する。システムは、比較可能なそれぞれの量子ゲート忠実度の同数の量子ゲートを含む量子ゲートのサブセットをサンプリングしてもよく、たとえば量子ゲートのサンプリングされたサブセットによって定義される量子回路のインスタンスは、比較可能な量子ゲート忠実度の同数の量子ゲートを含んでもよい。比較可能なそれぞれの量子ゲート忠実度の同数の量子ゲートを含む量子ゲートのサブセットをサンプリングすることによって、システムは、プロセス200によって得られる結果の一貫性を向上させ、大きな系統誤差を避けることができる。 In some implementations, the system may repeatedly sample a set or subset of quantum gates, with each sampled subset defining a respective quantum circuit. The system may sample subsets of quantum gates that include a same number of quantum gates of comparable respective quantum gate fidelity, e.g., instances of a quantum circuit defined by the sampled subsets of quantum gates may include a same number of quantum gates of comparable quantum gate fidelity. By sampling subsets of quantum gates that include a same number of quantum gates of comparable respective quantum gate fidelity, the system may improve the consistency of results obtained by process 200 and avoid large systematic errors.

システムは、量子回路を量子システムに適用し、出力情報、たとえば量子システムの統計値を決定するために、量子システム上で測定を行う(ステップ206)。たとえば、システムは、量子システム、たとえば図1Aに示すように1つまたは複数のキュービットを含む量子システムを含み、または場合によってはこれにアクセスし、サンプリングされた量子ゲートのサブセットによって定義された量子回路を量子システムの初期化された状態に繰り返し適用してもよい。量子回路の適用ごとに、システムは、量子システム上でそれぞれの測定を行い、量子システムの出力情報を決定するために測定結果を使用してもよい。一例として、システムは、それぞれの量子回路を定義する量子ゲートのサブセットをサンプリングし、対象の量子システム上で量子回路のm個のランを実行し、計算ベースで測定されたビットストリングのシーケンス{x1,x2,…,xm}を取得してもよい。 The system applies the quantum circuit to the quantum system and performs measurements on the quantum system to determine output information, e.g., statistics of the quantum system (step 206). For example, the system may include or possibly access a quantum system, e.g., a quantum system including one or more qubits as shown in FIG. 1A, and repeatedly apply a quantum circuit defined by a sampled subset of quantum gates to an initialized state of the quantum system. For each application of the quantum circuit, the system may perform a respective measurement on the quantum system and use the measurement results to determine output information of the quantum system. As an example, the system may sample a subset of quantum gates defining each quantum circuit, perform m runs of the quantum circuit on the quantum system of interest, and obtain a sequence of computationally measured bit strings {x 1 , x 2 , ..., x m }.

上記で説明したように、いくつかの実装形態では、システムは、量子ゲートのセットから量子ゲートのサブセットを繰り返しサンプリングしてもよく、サンプリングされた各サブセットが、それぞれの量子回路を定義する。そのような場合、システムは、サンプリングされた各量子回路を量子システムに繰り返し適用してもよく、サンプリングされた回路の各々に対して量子システムのそれぞれの統計値を決定するために、量子システム上でそれぞれの測定を行う。 As described above, in some implementations, the system may repeatedly sample subsets of quantum gates from the set of quantum gates, with each sampled subset defining a respective quantum circuit. In such cases, the system may repeatedly apply each sampled quantum circuit to the quantum system, and perform respective measurements on the quantum system to determine respective statistics of the quantum system for each of the sampled circuits.

システムは、量子回路を量子システムに適用することに基づいて、量子システムの出力情報、たとえば予想される、たとえば正確なまたは理想的な統計値を計算する(ステップ208)。たとえば、システムは、量子回路を量子システムに適用した後に量子システムの出力情報を計算するために、利用可能な計算技術、たとえば古典的コンピューティング技術を使用してもよい。 The system calculates output information, e.g., expected, e.g., exact or ideal statistics, of the quantum system based on applying the quantum circuit to the quantum system (step 208). For example, the system may use available computational techniques, e.g., classical computing techniques, to calculate the output information of the quantum system after applying the quantum circuit to the quantum system.

上記の例を続けると、量子システムの出力情報を決定するために、システムは、考えられる各ビットストリングyjを取得する確率に対応する確率のセット{p(yj)}を計算してもよい。ステップ204に関して上記で説明したように、いくつかの実装形態では、システムは、量子ゲートのセットから量子ゲートのサブセットを繰り返しサンプリングしてもよく、サンプリングされた各サブセットが、それぞれの量子回路を定義する。そのような場合、システムは、サンプリングされた各量子回路に対して、考えられる各ビットストリングを取得する確率に対応する確率のセットを計算してもよい。 Continuing with the above example, to determine the output information of the quantum system, the system may compute a set of probabilities {p(y j )} corresponding to the probability of obtaining each possible bit string y j . As described above with respect to step 204, in some implementations, the system may repeatedly sample subsets of quantum gates from the set of quantum gates, with each sampled subset defining a respective quantum circuit. In such a case, the system may compute, for each sampled quantum circuit, a set of probabilities corresponding to the probability of obtaining each possible bit string.

システムは、量子システムの決定された出力情報および計算された出力情報に基づいて、量子回路の忠実度を推定する(ステップ210)。システムは、量子システムの決定された出力情報を、量子システムの計算された出力情報にフィッティングすることによって、量子回路の忠実度を推定してもよい。システムは、ステップ206で測定を行った結果を(i)ステップ208で計算されたような量子システムへの量子回路の適用に基づく量子システムの出力情報と、(ii)完全混合量子状態との統計的混合にフィッティングしてもよい。量子回路の忠実度を推定するために、量子システムの決定された出力情報を量子システムの計算された出力情報にフィッティングすることについては、図3に関して以下でより詳細に説明する。 The system estimates the fidelity of the quantum circuit based on the determined output information and the calculated output information of the quantum system (step 210). The system may estimate the fidelity of the quantum circuit by fitting the determined output information of the quantum system to the calculated output information of the quantum system. The system may fit the results of the measurements made in step 206 to a statistical mixture of (i) the output information of the quantum system based on application of the quantum circuit to the quantum system as calculated in step 208, and (ii) the fully mixed quantum state. Fitting the determined output information of the quantum system to the calculated output information of the quantum system to estimate the fidelity of the quantum circuit is described in more detail below with respect to FIG. 3.

複数の量子回路を定義するために、システムが量子ゲートのサブセットを繰り返しサンプリングする場合は、システムは、各量子回路のそれぞれの忠実度を推定するために、量子システムに対するそれぞれの決定された出力情報を量子システムのそれぞれの計算された出力情報にフィッティングする。システムは、イベントの完了まで、たとえば推定される忠実度の不確実性が所定のしきい値を下回るときまで、量子ゲートのセットから量子ゲートのサブセットを繰り返しサンプリングしてもよい。繰り返し数を増やすことによって、推定される忠実度の不確実性は、たとえば繰り返し数の逆2乗根の法則に従って、確実性の所望のしきい値まで減らされてもよい。 If the system repeatedly samples a subset of quantum gates to define multiple quantum circuits, the system fits the respective determined output information for the quantum systems to the respective calculated output information of the quantum systems to estimate the respective fidelity of each quantum circuit. The system may repeatedly sample the subset of quantum gates from the set of quantum gates until completion of the event, e.g., when the uncertainty of the estimated fidelity falls below a predefined threshold. By increasing the number of iterations, the uncertainty of the estimated fidelity may be reduced to a desired threshold of certainty, e.g., according to the inverse square root law of the number of iterations.

図3は、量子回路の忠実度を推定するために、量子システムの決定された出力情報、たとえば統計値を、量子システムの計算された出力情報、たとえば統計値にフィッティングするための例示的なプロセス300のフローチャートである。便宜上、プロセス300は、1つまたは複数の場所にある1つまたは複数の古典的または量子力学的コンピューティングデバイスのシステムによって行われるものと説明する。たとえば、本明細書に従って適切にプログラムされた1つまたは複数の古典的プロセッサ、たとえば図1Aの古典的プロセッサ104がプロセス300を行うことができる。 FIG. 3 is a flowchart of an exemplary process 300 for fitting determined output information, e.g., statistics, of a quantum system to calculated output information, e.g., statistics, of a quantum system to estimate the fidelity of a quantum circuit. For convenience, process 300 is described as being performed by a system of one or more classical or quantum mechanical computing devices at one or more locations. For example, one or more classical processors suitably programmed in accordance with this specification, e.g., classical processor 104 of FIG. 1A, may perform process 300.

システムは、図2のステップ208に関して上記で説明した量子システムの計算された出力情報、および完全混合量子状態の凸結合を定義する(ステップ302)。たとえば、凸結合は、以下の式(1)によって与えられてもよい。
式(1)において、αは量子回路の忠実度を表し、|ψ〉は量子システムへの量子回路の適用に基づく量子システムの計算された量子状態を表し、I/Nは|ψ〉を含むヒルベルト空間の次元Nを有する完全混合状態を表す。
The system defines (step 302) a convex combination of the calculated output information of the quantum system and the fully mixed quantum states described above with respect to step 208 of Figure 2. For example, the convex combination may be given by the following equation (1):
In equation (1), α represents the fidelity of the quantum circuit, |ψ〉 represents the calculated quantum state of the quantum system based on the application of the quantum circuit to the quantum system, and I/N represents the completely mixed state with dimension N of the Hilbert space containing |ψ〉.

システムは、式(1)中の定義された凸結合を図2のステップ206に関して上記で説明した量子システムの決定された出力情報と比較することによって、量子回路の忠実度を推定する(ステップ304)。たとえば、システムは、定義された凸結合を量子システムの決定された出力情報と比較し、パラメータαの値を求めることによって量子回路の忠実度を推定してもよい。 The system estimates the fidelity of the quantum circuit by comparing the defined convex combination in equation (1) to the determined output information of the quantum system as described above with respect to step 206 of FIG. 2 (step 304). For example, the system may estimate the fidelity of the quantum circuit by comparing the defined convex combination to the determined output information of the quantum system and determining the value of the parameter α.

図2において上記で示した例を続けると、システムは、対応する実験的に取得されたビットストリングのシーケンス{x1,x2,…,xm}に対して量子ゲートのサンプリングされたサブセットごとに、量
を数値的に計算してもよい。一定の仮定の下で、たとえば量子回路は十分に長い(回路の深さは、log(n)において可能な補正までn1/Dよりも速く増えることはなく、ここでnはキュービットの数であり、Dはキュービットアレイの寸法であり、たとえば図1Aに示すように、1Dアレイのキュービットの場合、D=1、深さ=nであり、またはキュービットの任意のペア間で2キュービットゲートが実行される仮定の構成に対して一定の深さ、もしくはnの対数の深さでは、Dは無限である場合がある)と仮定すると、パラメータα、たとえば量子回路忠実度は、α=c+ln(N)+γによって推定されてもよく、ここでγはオイラー定数であり、cは上記で定義される。いくつかの実装形態では、αの推定における誤差は、k/m1/2によって与えられてもよく、ここでk≒1である。これは必要とされる測定の数を表してもよく、キュービットの数とは無関係である。
Continuing with the example given above in FIG. 2, the system may generate a quantity, for each sampled subset of quantum gates, for a corresponding experimentally obtained sequence of bit strings {x 1 ,x 2 ,...,x m }.
may be calculated numerically. Under certain assumptions, e.g., the quantum circuit is long enough (the circuit depth does not grow faster than n 1/D to possible corrections in log(n), where n is the number of qubits and D is the dimension of the qubit array, e.g., as shown in FIG. 1A for a 1D array of qubits, D=1, depth=n, or for a constant depth or logarithmic depth of n for a hypothetical configuration in which a two-qubit gate is performed between any pair of qubits, D may be infinite), the parameter α, e.g., the quantum circuit fidelity, may be estimated by α=c+ln(N)+γ, where γ is Euler's constant and c is defined above. In some implementations, the error in estimating α may be given by k/m 1/2 , where k≈1. This may represent the number of measurements required, and is independent of the number of qubits.

いくつかの実装形態では、システムは、任意の数の統計集合(statistical aggregate)との数値的比較を通して、量子回路の忠実度を推定してもよい。たとえば、上記の場合のような量
を使用する代わりに、システムは、量
、たとえば確率の2乗和を使用してもよい。他の量もまた使用されてもよい。本量は量子回路のシミュレーションを使用して計算されてもよい統計集合であることが必須条件であり、しかも本量は量子回路の物理的実装における誤差に等しく反応しなければならない。
In some implementations, the system may estimate the fidelity of a quantum circuit through a numerical comparison to any number of statistical aggregates. For example,
Instead of using
One may use, for example, the sum of squared probabilities. Other quantities may also be used. The requirement is that the quantity is a statistical set that may be computed using simulation of the quantum circuit, and that the quantity must be equally sensitive to errors in the physical implementation of the quantum circuit.

上記で説明したように、いくつかの実装形態では、システムは、量子ゲートのサブセットを繰り返しサンプリングし、量子ゲートのサブセットによって定義される量子回路について対応する忠実度を繰り返し推定してもよい。量子回路について忠実度を繰り返し推定することによって、システムは、忠実度推定の信頼性を増大させ、系統誤差または相関関係が得られる結果に影響を及ぼす可能性を低減することができる。単純な一例として、忠実度を繰り返し推定することによって、システムは、量子ハードウェアが意図した通りに機能していると判定することができる。 As described above, in some implementations, the system may repeatedly sample a subset of quantum gates and repeatedly estimate the corresponding fidelity for a quantum circuit defined by the subset of quantum gates. By repeatedly estimating the fidelity for a quantum circuit, the system can increase the reliability of the fidelity estimates and reduce the likelihood that systematic errors or correlations will affect the resulting results. As a simple example, by repeatedly estimating the fidelity, the system can determine that the quantum hardware is functioning as intended.

図4は、量子ハードウェアの忠実度をベンチマーキングするための例示的なプロセス400のフローチャートである。便宜上、プロセス400は、1つまたは複数の場所にある1つまたは複数の古典的または量子力学的コンピューティングデバイスのシステムによって行われるものと説明する。たとえば、量子コンピューティングシステム、たとえば本明細書に従って適切にプログラムされた図1Bの量子コンピューティングシステム150が、プロセス400を行うことができる。 FIG. 4 is a flow chart of an exemplary process 400 for benchmarking the fidelity of quantum hardware. For convenience, process 400 is described as being performed by a system of one or more classical or quantum computing devices at one or more locations. For example, a quantum computing system, such as quantum computing system 150 of FIG. 1B, suitably programmed in accordance with the present specification, may perform process 400.

システムは、量子ハードウェアにアクセスする(ステップ402)。量子ハードウェアは、図1Bに関して上記で説明したように、1つまたは複数の異なる連続ハミルトニアン進化を行うように構成されてもよい。各連続ハミルトニアン進化は、それぞれの量子ハードウェア忠実度に関連してもよい。 The system accesses quantum hardware (step 402). The quantum hardware may be configured to perform one or more different successive Hamiltonian evolutions, as described above with respect to FIG. 1B. Each successive Hamiltonian evolution may be associated with a respective quantum hardware fidelity.

システムは、特定の連続ハミルトニアン進化を選択する(ステップ404)。たとえば、システムは、それが適用される量子システムの進化を定義するユニタリー演算子を決定する特定のハミルトニアンを実装するように構成される1つまたは複数のコンポーネントを選択してもよい。場合によっては、システムは、特定の連続ハミルトニアン進化をランダムに選択してもよい。 The system selects a particular continuous Hamiltonian evolution (step 404). For example, the system may select one or more components that are configured to implement a particular Hamiltonian that determines the unitary operator that defines the evolution of the quantum system to which it is applied. In some cases, the system may randomly select a particular continuous Hamiltonian evolution.

いくつかの実装形態では、システムは、連続ハミルトニアン進化を繰り返し選択してもよい。たとえば、場合によっては、量子ハードウェアは、各キュービット相互作用が関連するそれぞれの忠実度を有する、1つまたは複数の相互作用キュービットに1つまたは複数の異なる連続ハミルトニアン進化を行うように構成されてもよい。これらの場合、システムは、比較可能な忠実度の相互作用を含む連続ハミルトニアン進化を繰り返し選択してもよい。比較可能な忠実度のキュービット相互作用を含む連続ハミルトニアン進化を選択することによって、システムは、プロセス400によって得られる結果の一貫性を向上させ、大きな系統誤差を避けることができる。 In some implementations, the system may iteratively select a continuous Hamiltonian evolution. For example, in some cases, the quantum hardware may be configured to perform one or more different continuous Hamiltonian evolutions on one or more interacting qubits, where each qubit interaction has a respective fidelity associated with it. In these cases, the system may iteratively select a continuous Hamiltonian evolution that includes interactions of comparable fidelity. By selecting a continuous Hamiltonian evolution that includes qubit interactions of comparable fidelity, the system can improve the consistency of results obtained by process 400 and avoid large systematic errors.

システムは、量子システムの選択された連続ハミルトニアン進化を行い、量子システムの出力情報値を決定するために、量子システム上で測定を行う(ステップ406)。たとえば、システムは、量子システム、たとえば図1Bに示すように1つまたは複数のキュービットを含む量子システムを含み、または場合によってこれにアクセスし、図1Bに関して上記で説明したように、量子システムの進化を定義するユニタリー演算子を生じさせるハミルトニアンを実装する1つまたは複数の対応するコンポーネントを選択することによって、選択された連続ハミルトニアン進化を繰り返し行ってもよい。量子システムの進化ごとに、システムは、量子システム上でそれぞれの測定を行い、量子システムの出力情報を決定するために測定結果を使用してもよい。 The system performs a selected successive Hamiltonian evolution of the quantum system and performs measurements on the quantum system to determine an output information value of the quantum system (step 406). For example, the system may include or possibly access a quantum system, e.g., a quantum system including one or more qubits as shown in FIG. 1B, and iteratively perform the selected successive Hamiltonian evolution by selecting one or more corresponding components that implement a Hamiltonian that gives rise to a unitary operator that defines the evolution of the quantum system, as described above with respect to FIG. 1B. For each evolution of the quantum system, the system may perform a respective measurement on the quantum system and use the measurement results to determine the output information of the quantum system.

上記で説明したように、いくつかの実装形態では、システムは、連続ハミルトニアン進化を繰り返し選択してもよい。そのような場合、システムは、量子システムの選択された各連続ハミルトニアン進化を繰り返し行い、選択された連続ハミルトニアン進化に対して量子システムのそれぞれの出力情報を決定するために量子システム上でそれぞれの測定を行ってもよい。 As described above, in some implementations, the system may iteratively select successive Hamiltonian evolutions. In such cases, the system may iteratively perform each selected successive Hamiltonian evolution of the quantum system and perform respective measurements on the quantum system to determine respective output information of the quantum system for the selected successive Hamiltonian evolution.

システムは、選択された連続ハミルトニアン進化を行うことに基づいて、量子システム上で量子システムの出力情報を計算する(ステップ408)。たとえば、システムは、量子システムの選択された連続進化の後に量子システムの出力情報を計算するために、利用可能な計算技術、たとえば古典的コンピューティング技術を使用してもよい。 The system calculates the output information of the quantum system on the quantum system based on performing the selected continuous Hamiltonian evolution (step 408). For example, the system may use available computational techniques, e.g., classical computing techniques, to calculate the output information of the quantum system after the selected continuous evolution of the quantum system.

システムは、量子システムの決定された出力情報および計算された出力情報に基づいて、量子ハードウェアの忠実度を推定する(ステップ410)。システムは、量子システムの決定された出力情報を量子システムの計算された出力情報にフィッティングすることによって量子ハードウェアの忠実度を推定してもよい。システムは、ステップ406で測定を行った結果を、(i)ステップ408で計算されたように量子システム上で選択された連続ハミルトニアン進化を行うことに基づく量子システムの出力情報と、(ii)完全混合量子状態との統計的混合にフィッティングしてもよい。量子ハードウェアの忠実度を推定するために、量子システムの決定された出力情報を量子システムの計算された出力情報にフィッティングすることについては、図5に関して以下でより詳細に説明する。 The system estimates the fidelity of the quantum hardware based on the determined output information and the calculated output information of the quantum system (step 410). The system may estimate the fidelity of the quantum hardware by fitting the determined output information of the quantum system to the calculated output information of the quantum system. The system may fit the results of the measurements made in step 406 to a statistical mixture of (i) the output information of the quantum system based on performing the selected continuous Hamiltonian evolution on the quantum system as calculated in step 408, and (ii) the fully mixed quantum state. Fitting the determined output information of the quantum system to the calculated output information of the quantum system to estimate the fidelity of the quantum hardware is described in more detail below with respect to FIG. 5.

システムが連続ハミルトニアン進化を繰り返し選択する場合には、システムは、それぞれの選択された連続ハミルトニアン進化に対応する各量子ハードウェアのそれぞれの忠実度を推定するために、量子システムに対するそれぞれの決定された出力情報を量子システムのそれぞれの計算された出力情報にフィッティングする。システムは、イベントの完了まで、たとえば推定される忠実度の不確実性が所定のしきい値を下回るときまで連続ハミルトニアン進化を繰り返し選択してもよい。繰り返し数を増やすことによって、推定される忠実度の不確実性は、たとえば繰り返し数の逆2乗根の法則に従って、確実性の所望のしきい値まで減らされてもよい。 If the system repeatedly selects the continuous Hamiltonian evolution, the system fits the respective determined output information for the quantum system to the respective calculated output information of the quantum system to estimate the respective fidelity of each quantum hardware corresponding to each selected continuous Hamiltonian evolution. The system may repeatedly select the continuous Hamiltonian evolution until the completion of the event, for example, when the uncertainty of the estimated fidelity falls below a predetermined threshold. By increasing the number of iterations, the uncertainty of the estimated fidelity may be reduced to a desired threshold of certainty, for example according to the inverse square root law of the number of iterations.

図5は、量子ハードウェアの忠実度を推定するために、量子システムの決定された出力情報を量子システムの計算された出力情報にフィッティングするための例示的なプロセス500のフローチャートである。便宜上、プロセス500は、1つまたは複数の場所にある1つまたは複数の古典的または量子力学的コンピューティングデバイスのシステムによって行われるものとして説明する。たとえば、本明細書に従って適切にプログラムされた1つまたは複数の古典的プロセッサ、たとえば図1の古典的プロセッサ104が、プロセス500を行うことができる。 FIG. 5 is a flowchart of an exemplary process 500 for fitting determined output information of a quantum system to calculated output information of a quantum system to estimate the fidelity of the quantum hardware. For convenience, process 500 is described as being performed by a system of one or more classical or quantum mechanical computing devices at one or more locations. For example, one or more classical processors suitably programmed in accordance with this specification, such as classical processor 104 of FIG. 1, may perform process 500.

システムは、図4のステップ408に関して上記で説明した量子システムの計算された出力情報、および完全混合量子状態の凸結合を定義する(ステップ502)。たとえば、凸結合は、以下の式(1)によって与えられてもよい。
式(1)において、αは量子回路の忠実度を表し、|ψ〉は量子システム上で連続ハミルトニアン進化を行うことに基づく量子システムの計算された量子状態を表し、I/Nは|ψ〉を含むヒルベルト空間の次元Nを有する完全混合状態を表す。
The system defines (step 502) a convex combination of the calculated output information of the quantum system and the fully mixed quantum states described above with respect to step 408 of Figure 4. For example, the convex combination may be given by the following equation (1):
In equation (1), α represents the fidelity of the quantum circuit, |ψ〉 represents the calculated quantum state of the quantum system based on performing continuous Hamiltonian evolution on the quantum system, and I/N represents the completely mixed state with dimension N of the Hilbert space containing |ψ〉.

システムは、式(1)中の定義された凸結合を図4のステップ406に関して上記で説明した量子ハードウェアの決定された出力情報と比較することによって量子ハードウェアの忠実度を推定する(ステップ504)。たとえば、システムは、定義された凸結合を量子システムの決定された出力情報と比較し、パラメータαの値を求めることによって量子ハードウェアの忠実度を推定してもよい。 The system estimates the fidelity of the quantum hardware by comparing the defined convex combination in equation (1) with the determined output information of the quantum hardware as described above with respect to step 406 of FIG. 4 (step 504). For example, the system may estimate the fidelity of the quantum hardware by comparing the defined convex combination with the determined output information of the quantum system and determining the value of the parameter α.

上記で説明したように、いくつかの実装形態では、システムは、連続ハミルトニアン進化を繰り返し選択し、連続ハミルトニアン進化に対応する量子ハードウェアについて対応する忠実度を繰り返し推定してもよい。量子ハードウェアについて忠実度を繰り返し推定することによって、システムは、忠実度推定の信頼性を増大させ、系統的誤差または相関関係が得られる結果に影響を及ぼす可能性を低減することができる。単純な一例として、忠実度を繰り返し推定することによって、システムは、量子ハードウェアが意図した通りに機能していると判定することができる。 As described above, in some implementations, the system may iteratively select a continuous Hamiltonian evolution and iteratively estimate the corresponding fidelity for the quantum hardware corresponding to the continuous Hamiltonian evolution. By iteratively estimating the fidelity for the quantum hardware, the system can increase the reliability of the fidelity estimate and reduce the likelihood that systematic errors or correlations affect the results obtained. As a simple example, by iteratively estimating the fidelity, the system can determine that the quantum hardware is functioning as intended.

本明細書で説明する、デジタルおよび/または量子対象物ならびにデジタル関数演算および量子演算の実装形態は、デジタル電子回路、好適な量子回路、もしくはより一般的には、量子計算システムにおいて、有形に具現化されたデジタルおよび/もしくは量子コンピュータソフトウェアもしくはファームウェアにおいて、本明細書で開示する構造およびそれらの構造的等価物を含むデジタルおよび/もしくは量子コンピュータハードウェアにおいて、またはそれらのうちの1つもしくは複数の組合せにおいて、実装されることがある。「量子計算システム」という用語は、限定はしないが量子コンピュータ、量子情報処理システム、量子暗号システム、または量子シミュレータを含む場合がある。 The implementations of the digital and/or quantum objects and digital function operations and quantum operations described herein may be implemented in digital electronic circuitry, suitable quantum circuitry, or more generally, in a quantum computing system, in tangibly embodied digital and/or quantum computer software or firmware, in digital and/or quantum computer hardware including the structures disclosed herein and their structural equivalents, or in one or more combinations thereof. The term "quantum computing system" may include, but is not limited to, a quantum computer, a quantum information processing system, a quantum cryptography system, or a quantum simulator.

本明細書で説明するデジタルおよび/または量子対象物の実装形態は、1つまたは複数のデジタルおよび/または量子コンピュータプログラムとして実装されることがあり、たとえばデータ処理装置によって実行されるように、またはデータ処理装置の動作を制御するために、有形の非一時的記憶媒体上に符号化されたデジタルおよび/または量子コンピュータプログラム命令の1つまたは複数のモジュールとして実装されることがある。デジタルおよび/または量子コンピュータ記憶媒体は、機械可読記憶デバイス、機械可読記憶基板、ランダムもしくはシリアルアクセスメモリデバイス、1つもしくは複数のキュービット、またはそれらのうちの1つもしくは複数の組合せであることがある。代替的にまたは追加として、プログラム命令は、デジタルおよび/または量子情報を符号化することができる、人為的に生成された伝搬信号、たとえばデータ処理装置による実行のために好適な受信機装置に送信するためのデジタルおよび/または量子情報を符号化するために生成される機械生成の電気、光、または電磁信号上で符号化されることがある。 Implementations of the digital and/or quantum objects described herein may be implemented as one or more digital and/or quantum computer programs, e.g., as one or more modules of digital and/or quantum computer program instructions encoded on a tangible, non-transitory storage medium for execution by or to control the operation of a data processing device. The digital and/or quantum computer storage medium may be a machine-readable storage device, a machine-readable storage substrate, a random or serial access memory device, one or more qubits, or a combination of one or more of the above. Alternatively or additionally, the program instructions may be encoded on an artificially generated propagated signal capable of encoding digital and/or quantum information, e.g., a machine-generated electrical, optical, or electromagnetic signal generated to encode digital and/or quantum information for transmission to a receiver device suitable for execution by a data processing device.

量子情報および量子データという用語は、量子システムによって搬送され、量子システムに保持または記憶される情報またはデータを指し、ここで、最小非自明システムはキュービット、たとえば量子情報の単位を定義するシステムである。「キュービット」という用語は、対応する文脈において2レベルシステムとして適切に近似される場合があるすべての量子システムを包含することを理解される。そのような量子システムは、たとえば2以上のベルを有するマルチレベルシステムを含む場合がある。例として、そのようなシステムは、原子キュービット、電子キュービット、光子キュービット、イオンキュービット、または超伝導キュービットを含むことができる。多くの実装形態では、計算基底状態(computational basis state)は、基底の(ground)、第1の励起状態で識別されるが、計算状態が上位レベルの励起状態で識別される他のセットアップが考えられると理解される。「データ処理装置」という用語は、デジタルおよび/または量子データ処理ハードウェアを指し、例として、プログラマブルデジタルプロセッサ、プログラマブル量子プロセッサ、デジタルコンピュータ、量子コンピュータ、複数のデジタルおよび量子プロセッサまたはコンピュータ、ならびにそれらの組合せを含むデジタルおよび/または量子データを処理するためのすべての種類の装置、デバイス、機械を包含する。装置は、専用論理回路、たとえばFPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)、ASIC(特定用途向け集積回路)、または量子シミュレータ、たとえば特定の量子システムに関する情報をシミュレートまたは生成するように設計された量子データ処理装置であることもあり、またはこれらをさらに含むことがある。特に、量子シミュレータは、万能量子計算を行う能力のない専用量子コンピュータである。装置は、場合によってはハードウェアに加えて、デジタルおよび/または量子コンピュータプログラムのための実行環境を作成するコード、たとえばプロセッサファームウェアを構成するコード、プロトコルスタック、データベース管理システム、オペレーティングシステム、またはそれらのうちの1つもしくは複数の組合せを含むことができる。 The terms quantum information and quantum data refer to information or data carried by and held or stored in a quantum system, where the smallest non-trivial system is a qubit, e.g., a system that defines a unit of quantum information. The term "qubit" is understood to encompass all quantum systems that may be appropriately approximated as two-level systems in the corresponding context. Such quantum systems may include multi-level systems, e.g., having two or more levels. By way of example, such systems may include atomic qubits, electronic qubits, photon qubits, ion qubits, or superconducting qubits. In many implementations, the computational basis state is identified with the ground, first excited state, although it is understood that other setups are conceivable in which the computational state is identified with a higher level excited state. The term "data processing apparatus" refers to digital and/or quantum data processing hardware and encompasses all kinds of apparatus, devices, machines for processing digital and/or quantum data, including, by way of example, programmable digital processors, programmable quantum processors, digital computers, quantum computers, multiple digital and quantum processors or computers, and combinations thereof. The device may be or may further include special purpose logic circuitry, e.g., an FPGA (field programmable gate array), an ASIC (application specific integrated circuit), or a quantum simulator, e.g., a quantum data processing device designed to simulate or generate information about a particular quantum system. In particular, a quantum simulator is a special purpose quantum computer that is not capable of universal quantum computing. In addition to hardware, the device may optionally include code that creates an execution environment for digital and/or quantum computer programs, e.g., code that constitutes processor firmware, a protocol stack, a database management system, an operating system, or a combination of one or more of these.

プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、モジュール、ソフトウェアモジュール、スクリプト、またはコードと呼ばれる、または説明される場合もあるデジタルコンピュータプログラムは、コンパイラ型もしくはインタープリタ型言語、または宣言型もしくは手続き型言語を含むプログラム言語の任意の形態で書くことができ、またデジタルコンピュータプログラムは、スタンドアロンプログラムとして、またはモジュール、コンポーネント、サブルーチン、もしくはコンピューティング環境で使用するのに適した他のユニットとしてを含む任意の形態で展開することができる。プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、モジュール、ソフトウェアモジュール、スクリプト、またはコードと呼ばれる、または説明される場合もある量子コンピュータプログラムは、コンパイラ型もしくはインタープリタ型言語、または宣言型もしくは手続き型言語を含むプログラム言語の任意の形態で書かれ、好適な量子プログラミング言語に変換されることがあり、あるいは量子プログラミング言語、たとえばQCLまたはQuipperで書かれることがある。 A digital computer program, which may be referred to or described as a program, software, software application, module, software module, script, or code, may be written in any form of programming language, including compiled or interpreted languages, or declarative or procedural languages, and the digital computer program may be deployed in any form, including as a stand-alone program, or as a module, component, subroutine, or other unit suitable for use in a computing environment. A quantum computer program, which may be referred to or described as a program, software, software application, module, software module, script, or code, may be written in any form of programming language, including compiled or interpreted languages, or declarative or procedural languages, and may be converted into a suitable quantum programming language, or may be written in a quantum programming language, e.g., QCL or Quipper.

デジタルおよび/または量子コンピュータプログラムが、ファイルシステムにおいてファイルに対応してもよいが、対応する必要はない。プログラムは、他のプログラムまたはデータ、たとえばマークアップ言語ドキュメントに記憶された1つまたは複数のスクリプトを入れたファイルの一部分に、当該プログラムに専用の単一ファイルに、または複数の協調ファイル(coordinated file)、たとえば1つもしくは複数のモジュール、サブプログラム、もしくはコードの部分を記憶するファイルに記憶することができる。デジタルおよび/または量子コンピュータプログラムは、1つのデジタルまたは1つの量子コンピュータ上で、あるいは1つのサイトに位置する、または複数のサイトにわたって分散し、デジタルおよび/または量子データ通信ネットワークによって相互接続される複数のデジタルおよび/または量子コンピュータ上で、実行されるように展開することができる。量子データ通信ネットワークは、量子システム、たとえばキュービットを使用して量子データを送信する場合があるネットワークであると理解される。一般的に、デジタルデータ通信ネットワークは、量子データを送信することができないが、量子データ通信ネットワークは、量子データとデジタルデータの両方を送信する場合がある。 A digital and/or quantum computer program may, but need not, correspond to a file in a file system. A program may be stored in a portion of a file with other programs or data, e.g., one or more scripts stored in a markup language document, in a single file dedicated to the program, or in multiple coordinated files, e.g., files storing one or more modules, subprograms, or portions of code. A digital and/or quantum computer program may be deployed to run on one digital or quantum computer, or on multiple digital and/or quantum computers located at one site or distributed across multiple sites and interconnected by a digital and/or quantum data communication network. A quantum data communication network is understood to be a network that may transmit quantum data using quantum systems, e.g., qubits. Generally, a digital data communication network cannot transmit quantum data, but a quantum data communication network may transmit both quantum data and digital data.

本明細書で説明するプロセスおよび論理フローは、1つまたは複数のプログラマブルデジタルおよび/または量子コンピュータによって実行可能であり、1つまたは複数のデジタルおよび/または量子プロセッサで適宜に動作し、入力デジタルおよび量子データ上で動作し、出力を生成することによって機能を実行するために1つまたは複数のデジタルおよび/または量子コンピュータプログラムを実行する。プロセスおよび論理フローは、専用論理回路、たとえばFPGAもしくはASIC、または量子シミュレータによって、あるいは専用論理回路または量子シミュレータおよび1つまたは複数のプログラムされたデジタルおよび/または量子コンピュータの組合せによって実行されることも可能であり、装置がこれらとして実装されることも可能である。 The processes and logic flows described herein may be performed by one or more programmable digital and/or quantum computers, suitably operating on one or more digital and/or quantum processors, executing one or more digital and/or quantum computer programs to perform functions by operating on input digital and quantum data and generating outputs. The processes and logic flows may also be performed by, and an apparatus may be implemented as, special purpose logic circuitry, e.g., an FPGA or ASIC, or a quantum simulator, or a combination of special purpose logic circuitry or a quantum simulator and one or more programmed digital and/or quantum computers.

1つまたは複数のデジタルおよび/または量子コンピュータのシステムが特定の動作またはアクションを行う「ように構成され」るとは、動作時にシステムに動作またはアクションを行わせるソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはそれらの組合せをシステムがインストールしていることを意味する。1つまたは複数のデジタルおよび/または量子コンピュータが特定の動作またはアクションを行うように構成されるとは、1つまたは複数のプログラムが、デジタルおよび/または量子データ処理装置によって実行されると、装置に動作またはアクションを行わせる命令を含むことを意味する。量子コンピュータが、デジタルコンピュータから、量子コンピューティング装置によって実行されると、装置に動作またはアクションを行わせる命令を受け取る場合もある。 When one or more digital and/or quantum computer systems are "configured to" perform a particular operation or action, it means that the system has installed thereon software, firmware, hardware, or a combination thereof that, when operated, causes the system to perform the operation or action. When one or more digital and/or quantum computers are configured to perform a particular operation or action, it means that one or more programs contain instructions that, when executed by the digital and/or quantum data processing device, cause the device to perform the operation or action. A quantum computer may also receive instructions from a digital computer that, when executed by the quantum computing device, causes the device to perform an operation or action.

デジタルおよび/または量子コンピュータプログラムの実行に好適なデジタルおよび/または量子コンピュータは、汎用または専用デジタルおよび/または量子プロセッサ、または両方、または任意の他の種類の中央デジタルおよび/または量子処理ユニットに基づくことができる。一般的に、中央デジタルおよび/または量子処理ユニットが、命令ならびにデジタルおよび/または量子データを読取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、または量子データ、たとえば光子の送信に好適な量子システム、またはそれらの組合せから受け取ることになる。 A digital and/or quantum computer suitable for executing a digital and/or quantum computer program can be based on a general purpose or dedicated digital and/or quantum processor, or both, or any other kind of central digital and/or quantum processing unit. Typically, the central digital and/or quantum processing unit will receive instructions and digital and/or quantum data from a read-only memory, a random access memory, or a quantum system suitable for transmitting quantum data, e.g. photons, or a combination thereof.

デジタルおよび/または量子コンピュータの必須要素は、命令を行うまたは実行するための中央処理ユニットと、命令ならびにデジタルおよび/または量子データを記憶するための1つまたは複数のメモリデバイスである。中央処理ユニットおよびメモリは、専用論理回路もしくは量子シミュレータによって補われることがあり、または専用論理回路もしくは量子シミュレータに組み込まれることがある。一般的に、デジタルおよび/または量子コンピュータはまた、デジタルおよび/または量子データを記憶するための1つまたは複数の大容量記憶デバイス、たとえば磁気、光磁気ディスク、光ディスク、または量子情報を記憶するのに好適な量子システムを含む、あるいはこれらの大容量記憶デバイスからデジタルおよび/または量子データを受け取る、またはこれらの大容量記憶デバイスにデジタルおよび/または量子データを転送する、または両方のために動作可能に結合されることになる。しかしながら、デジタルおよび/または量子コンピュータが、そのようなデバイスを有する必要はない。 The essential elements of a digital and/or quantum computer are a central processing unit for performing or executing instructions and one or more memory devices for storing instructions and digital and/or quantum data. The central processing unit and memory may be supplemented by or incorporated into dedicated logic circuits or quantum simulators. Typically, a digital and/or quantum computer will also include one or more mass storage devices for storing digital and/or quantum data, such as magnetic, magneto-optical, optical disks, or quantum systems suitable for storing quantum information, or will be operatively coupled to receive digital and/or quantum data from these mass storage devices, or to transfer digital and/or quantum data to these mass storage devices, or both. However, a digital and/or quantum computer need not have such devices.

デジタルおよび/または量子コンピュータプログラム命令ならびにデジタルおよび/または量子データを記憶するのに好適なデジタルおよび/またはコンピュータ可読媒体は、例として、半導体メモリデバイス、たとえばEPROM、EEPROM、およびフラッシュメモリデバイス、磁気ディスク、たとえば内蔵ハードディスクまたはリムーバブルディスク、光磁気ディスク、CD-ROMおよびDVD-ROMディスク、ならびに量子システム、たとえば捕捉された原子または電子を含む、あらゆる形態の不揮発性デジタルおよび/または量子メモリ、媒体、メモリデバイスを含む。量子メモリは、量子データを高い忠実度および効率で長時間記憶することができるデバイス、たとえば光が伝送に使用される光-物質インターフェース、および重ね合わせまたは量子コヒーレンスなど量子データの量子特徴を記憶し、保存するための物質であると理解される。 Digital and/or computer readable media suitable for storing digital and/or quantum computer program instructions and digital and/or quantum data include, by way of example, all forms of non-volatile digital and/or quantum memories, media, memory devices, including semiconductor memory devices, e.g., EPROM, EEPROM, and flash memory devices, magnetic disks, e.g., internal hard disks or removable disks, magneto-optical disks, CD-ROM and DVD-ROM disks, and quantum systems, e.g., trapped atoms or electrons. Quantum memories are understood to be devices capable of storing quantum data with high fidelity and efficiency for long periods of time, e.g., light-matter interfaces where light is used to transmit and materialize quantum features of quantum data, such as superposition or quantum coherence.

本明細書で説明する様々なシステム、またはそれらの一部の制御は、1つまたは複数の非一時的機械可読記憶媒体に記憶され、1つまたは複数のデジタルおよび/または量子処理デバイス上で実行可能である命令を含むデジタルおよび/または量子コンピュータプログラム製品において実装可能である。本明細書で説明するシステム、またはそれらの一部は、各々、装置、方法、またはシステムとして実装可能であり、システムは、1つまたは複数のデジタルおよび/または量子処理デバイスと、本明細書で説明する動作を行うために実行可能な命令を記憶するためのメモリとを含む場合がある。 The control of the various systems described herein, or portions thereof, may be implemented in a digital and/or quantum computer program product that includes instructions stored on one or more non-transitory machine-readable storage media and executable on one or more digital and/or quantum processing devices. The systems described herein, or portions thereof, may each be implemented as an apparatus, method, or system, which may include one or more digital and/or quantum processing devices and a memory for storing instructions executable to perform the operations described herein.

本明細書は、多くの特定の実装形態の詳細を含むが、これらは、特許請求される可能性のあるものの範囲への制限として解釈されるべきではなく、むしろ特定の実装形態に固有である場合がある特徴の説明として解釈されるべきである。本明細書において別個の実装形態の文脈で説明されるいくつかの特徴は、単一の実装形態において組み合わせて実装されることもある。逆に、単一の実装形態の文脈で説明される様々な特徴は、複数の実装形態において別々に、または任意の適切な部分的な組合せで実装されることもある。さらに、特徴は、ある組合せで機能するものとして上記で説明され、さらに当初はそのように特許請求される場合があるが、特許請求される組合せからの1つまたは複数の特徴は、場合によってはその組合せから削除されることがあり、特許請求される組合せは、部分的な組合せ、または部分的な組合せの変形を対象とする場合がある。 Although the specification includes details of many specific implementations, these should not be construed as limitations on the scope of what may be claimed, but rather as descriptions of features that may be specific to a particular implementation. Some features described in the context of separate implementations herein may also be implemented in combination in a single implementation. Conversely, various features described in the context of a single implementation may also be implemented in multiple implementations separately or in any suitable subcombination. Furthermore, although features may be described above as functioning in a combination and may even initially be claimed as such, one or more features from a claimed combination may in some cases be deleted from the combination, and the claimed combination may be directed to a subcombination or a variation of a subcombination.

同様に、動作は、特定の順序で図面に示されるが、これは、望ましい結果を達成するために、このような動作が図示された特定の順序でもしくは順次に行われること、または例示したすべての動作が行われることを必要とするものと理解されるべきではない。いくつかの環境では、マルチタスクおよび並列処理が有利である場合がある。さらに、上記で説明した実装形態における様々なシステムモジュールおよびコンポーネントの分離は、すべての実装形態においてそのような分離を必要とすると理解されるべきではなく、記載するプログラムコンポーネントおよびシステムは、一般的に単一のソフトウェア製品に一緒に統合される、または複数のソフトウェア製品にパッケージ化されることがあると理解されるべきである。 Similarly, although operations are shown in the figures in a particular order, this should not be understood as requiring such operations to be performed in the particular order or sequence shown, or that all of the illustrated operations be performed, to achieve desirable results. In some environments, multitasking and parallel processing may be advantageous. Furthermore, the separation of various system modules and components in the implementations described above should not be understood as requiring such separation in all implementations, and it should be understood that the program components and systems described may generally be integrated together in a single software product or packaged in multiple software products.

主題の特定の実装形態について説明した。他の実装形態も、特許請求の範囲内である。たとえば、特許請求の範囲に記載するアクションは、異なる順序で行われ、やはり望ましい結果を実現することがある。一例として、添付図に示すプロセスは、望ましい結果を達成するために、図示した特定の順序、または一連の順序を必ずしも必要としない。場合によっては、マルチタスクおよび並列処理が有利である可能性がある。 Specific implementations of the subject matter have been described. Other implementations are within the scope of the claims. For example, the actions recited in the claims may be performed in a different order and still achieve desirable results. As an example, the processes depicted in the accompanying figures do not necessarily require the particular order depicted, or sequential order, to achieve desirable results. In some cases, multitasking and parallel processing may be advantageous.

100 システム
102 量子ハードウェア
104 忠実度推定システム
106 キュービット
108 キュービット
110 量子ゲート
112 量子ゲート
114 量子ゲート
116 量子回路
118 測定デバイス
120 最終状態
124 測定デバイス
150 システム
152 量子ハードウェア
154 忠実度推定システム
156 キュービット
158 キュービット
160 コンポーネント
162 ユニタリー演算子
164 初期状態
166 最終状態
168 測定デバイス
172 測定デバイス
100 Systems
102 Quantum Hardware
104 Fidelity Estimation System
106 Cubits
108 Cubits
110 Quantum Gate
112 Quantum Gates
114 Quantum Gates
116 Quantum Circuits
118 Measuring Devices
120 Final state
124 Measuring Devices
150 Systems
152 Quantum Hardware
154 Fidelity Estimation System
156 Cubits
158 Cubits
160 Components
162 Unitary Operators
164 Initial state
166 Final State
168 Measuring Devices
172 Measuring Devices

Claims (9)

量子システムを備える量子ハードウェアを忠実度ベンチマーキングするためのコンピュータ実装方法であって、
出力情報を決定するために前記量子ハードウェアからの測定データを受信するステップであって、前記測定データが、量子ゲートのユニバーサルセットからのゲートからなるランダム量子回路が前記量子システムに適用された後に前記量子システムの測定を通じて取得される、ステップと、
前記量子システムの予想統計値を決定するために、前記量子システムへの前記ランダム量子回路の適用をシミュレーションするステップと、
前記決定された出力情報および前記量子システムの前記決定された予想統計値に基づいて前記ランダム量子回路の忠実度を推定するステップと
を含む、方法。
1. A computer-implemented method for fidelity benchmarking of quantum hardware comprising a quantum system, comprising:
receiving measurement data from the quantum hardware to determine output information , the measurement data being obtained through measurement of the quantum system after a random quantum circuit consisting of gates from a universal set of quantum gates is applied to the quantum system;
simulating application of the random quantum circuit to the quantum system to determine expected statistics of the quantum system;
and estimating a fidelity of the random quantum circuit based on the determined output information and the determined expected statistics of the quantum system.
前記決定された出力情報および前記量子システムの前記決定された予想統計値に基づいて前記ランダム量子回路の忠実度を推定するステップが、i)前記量子システムの前記決定された予想統計値およびii)完全混合量子状態の凸結合に前記量子システムの前記決定された出力情報を前記凸結合にフィッティングするステップを備える、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein estimating the fidelity of the random quantum circuit based on the determined output information and the determined expected statistics of the quantum system comprises fitting the determined output information of the quantum system to a convex combination of i) the determined expected statistics of the quantum system and ii) a fully mixed quantum state. 前記量子システムの前記決定された出力情報および前記予想統計値に基づいて、前記ランダム量子回路の忠実度を推定するステップが、前記量子システムの前記決定された予想統計値および完全混合量子状態の凸結合を前記量子システムの前記決定された出力情報と比較するステップを含む、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein estimating the fidelity of the random quantum circuit based on the determined output information and the expected statistics of the quantum system includes comparing a convex combination of the determined expected statistics and a fully mixed quantum state of the quantum system to the determined output information of the quantum system. 前記量子システムの前記決定された予想統計値および完全混合量子状態の凸結合を前記量子システムの前記決定された出力情報と比較するステップが、前記量子システムの前記決定された出力情報を前記量子システムの前記決定された予想統計値および完全混合量子状態の前記凸結合にフィッティングするステップを含む、請求項3に記載の方法。 The method of claim 3, wherein comparing the convex combination of the determined expected statistics and fully mixed quantum states of the quantum system to the determined output information of the quantum system comprises fitting the determined output information of the quantum system to the convex combination of the determined expected statistics and fully mixed quantum states of the quantum system. 前記凸結合が、
によって与えられ、αは量子回路の前記忠実度を表し、|ψ〉は前記量子システムへの前記量子回路の適用に基づく前記量子システムのシミュレーションされた量子状態を表し、I/Nは、前記完全混合量子状態を表す、請求項2または3に記載の方法。
The convex combination is
4. The method of claim 2 or 3, wherein α represents the fidelity of a quantum circuit, |ψ〉 represents a simulated quantum state of the quantum system based on application of the quantum circuit to the quantum system, and I/N represents the fully mixed quantum state.
前記量子システムの前記決定された出力情報を前記量子システムの前記決定された予想統計値および完全混合量子状態の前記凸結合にフィッティングするステップが、αを解くステップを備える、請求項5に記載の方法。 The method of claim 5, wherein fitting the determined output information of the quantum system to the determined expected statistics and the convex combination of the fully mixed quantum state of the quantum system comprises solving for α. 前記量子ゲートのセットが、単一キュビット量子ゲート、および2キュビット量子ゲートを含む、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the set of quantum gates includes a single-qubit quantum gate and a two-qubit quantum gate. 1つまたは複数のコンピュータと、命令を記憶する1つまたは複数の記憶デバイスとを備え、前記命令が、前記1つまたは複数のコンピュータによって実行されたとき、前記1つまたは複数のコンピュータに請求項1~7のいずれか一項に記載の方法に従う動作を実施させるように動作可能である、システム。 A system comprising one or more computers and one or more storage devices storing instructions, the instructions being operable, when executed by the one or more computers, to cause the one or more computers to perform operations according to the method of any one of claims 1 to 7. 処理デバイスによって実行可能な命令を記憶する1つまたは複数のコンピュータ可読記憶媒体であって、実行されたとき、前記処理デバイスに請求項1~7のいずれか一項に記載の方法に従う動作を実施させる、コンピュータ可読記憶媒体。 One or more computer-readable storage media storing instructions executable by a processing device that, when executed, cause the processing device to perform operations in accordance with the method of any one of claims 1 to 7.
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