JP7386998B2 - 回路ゲージ選択による誤りの低減 - Google Patents

Description

優先権の主張
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている、2019年11月18日に出願した、米国仮特許出願第62/936,753号の出願利益を主張するものである。

本開示は概して、量子計算システムに関する。

量子計算は、典型的なデジタルコンピュータよりも効率的に一定の計算を実施するために、基礎状態の重ね合わせおよび絡み合いなど、量子効果を活用する計算方法である。ビットの形態、たとえば、「1」または「0」で情報を記憶し操作するデジタルコンピュータとは対照的に、量子計算システムは、量子ビット(「キュービット(qubits)」)を使用して情報を操作し得る。キュービットは、複数の状態、たとえば、「0」と「1」の両方の状態のデータの重ね合わせを可能にする量子デバイス、および/または複数の状態のデータの重ね合わせ自体を指すことがある。従来の用語によれば、量子システムにおける「0」状態および「1」状態の重ね合わせは、たとえば、|0>+b|1>などと表現され得る。デジタルコンピュータの「0」状態および「1」状態は、キュービットのそれぞれ、|0>基礎状態および|1>基礎状態と同様である。

本開示の実施形態の態様および利点が、以下の説明において部分的に記載され、または説明から学ぶことができ、または実施形態の実践を通して学ぶことができる。

本開示の1つの例示的態様は、量子計算システムを対象とする。量子計算システムは、1つまたは複数の量子システムキュービットを備えた量子システムを含み得る。量子システムは、複数の量子回路を実装するように構成され得る。各量子回路は複数の量子ゲートを含み得る。複数の量子回路は各々、複数のうちのその他の量子回路の各々と等価の論理演算であり得る。複数の量子回路は各々、それにより1つまたは複数の回路ゲージを実装するために、複数のうちのその他の量子回路の各々と比較して量子ゲートの異なるシーケンスによって実装され得る。量子計算システムは、量子計算システムによって実装される量子測定回路をさらに含み得る。量子測定回路は、量子回路に対して複数の測定を実施するように動作可能であり得る。量子計算システムは、演算を実施するように動作可能な1つまたは複数のプロセッサをさらに含み得る。これらの演算は、複数の測定に少なくとも部分的に基づいて、量子回路に対する当該観測値の平均値<O>_fを決定するステップを含み得る。これらの演算は、当該観測値の平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、量子計算システムに対する誤り低減方式を実装するステップをさらに含み得る。

本開示の別の例示的態様は、量子計算システムの無雑音観測値を推定するための方法を対象とする。この方法は、1つまたは複数の計算デバイスを備えた計算システムによって、1つまたは複数のキュービットと1つまたは複数の量子測定デバイスとを備えた量子システムにアクセスするステップを含み得る。この方法は、計算システムによって、複数の量子回路を実装するステップをさらに含み得る。各量子回路は複数の量子ゲートを含み得る。複数の量子回路は各々、複数のうちのその他の量子回路の各々と等価の論理演算であり得る。複数の量子回路は各々、それにより1つまたは複数の回路ゲージを実装するために、複数のうちのその他の量子回路の各々と比較して量子ゲートの異なるシーケンスによって実装され得る。この方法は、1つまたは複数の量子測定デバイスを介して計算システムによって、量子回路の各々に対して実施される複数の測定を取得するステップをさらに含み得る。この方法は、計算システムによって、複数の測定に少なくとも部分的に基づいて、量子回路に対する当該観測値の推定平均値<O>_fを決定するステップをさらに含み得る。この方法は、計算システムによって、単一地点完全脱分極化誤りモデル(single-point full depolarizing error model)を使用して、当該観測値の推定平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、当該観測値の推定無雑音値<O>_ψを決定するステップをさらに含み得る。

本開示の別の例示的態様は、量子システムに対する雑音誤り低減のための方法を対象とする。この方法は、1つまたは複数の計算デバイスを備えた計算システムによって、1つまたは複数のキュービットと1つまたは複数の量子測定デバイスとを備えた量子システムにアクセスするステップを含み得る。この方法は、量子システムによって、複数の量子回路を実装するステップをさらに含み得る。各量子回路は複数の量子ゲートを含み得る。複数の量子回路は各々、複数のうちのその他の量子回路の各々と等価の論理演算であり得る。複数の量子回路は各々、それにより1つまたは複数の回路ゲージを実装するために、複数のうちのその他の量子回路の各々と比較して量子ゲートの異なるシーケンスによって実装され得る。この方法は、1つまたは複数の量子測定デバイスを介して計算システムによって、1つまたは複数の量子回路に対して実施される複数の測定を取得するステップをさらに含み得る。この方法は、計算システムによって、複数の測定に少なくとも部分的に基づいて、量子回路に対する当該観測値の推定平均値<O>_fを決定するステップをさらに含み得る。この方法は、計算システムによって、当該観測値の平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、量子システムに対する誤り低減方式を実装するステップをさらに含み得る。

本開示の他の態様は、様々なシステム、方法、装置、非一時的コンピュータ可読媒体、コンピュータ可読命令、および計算デバイスを対象とする。

本開示の様々な実施形態のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照してより良く理解されよう。添付の図面は、本明細書に組み込まれるとともにその一部を成し、本開示の例示的実施形態を示し、説明とともに、関連原理を説明するのに役立つ。

当業者を対象とする、実施形態の詳細な議論が本明細書において記述され、本明細書は、添付の図面を参照する。

本開示の例示的実施形態による例示的量子計算システムを示す図である。 本開示の例示的態様による、1つまたは複数のクリフォードゲートを量子回路内に組み込む例示的な回路ゲージを示す図である。 本開示の例示的態様による、クリフォードゲートおよび非クリフォードゲートを量子回路内に組み込む例示的な回路ゲージを示す図である。 本開示の例示的態様による、クリフォードゲートおよび非クリフォードゲートを量子回路内に組み込む例示的な回路ゲージを示す図である。 本開示の例示的態様による例示的方法の流れ図である。 本開示の例示的態様による例示的方法の流れ図である。

概して、本開示は、改善された誤り低減技法が状態測定中に雑音の影響を低減するために量子計算システム内で実装されることを可能にし得るシステム、デバイス、および方法を対象とする。たとえば、いくつかの実装形態では、1つまたは複数の回路ゲージおよび量子回路の忠実度の推定を実装しながら、量子回路測定データが取得されることのみを要求する単一地点完全脱分極誤り低減方式は、雑音あり中規模量子(NISQ:noisy-intermediate scale quantum)算出など、量子算出の精度を改善するために使用され得る。

より詳細には、量子システムは、1つまたは複数の量子システムキュービットを含み得る。量子システムは、複数の量子回路を使用して1つまたは複数の回路ゲージを実装するように構成され得る。たとえば、各量子回路は複数の量子ゲートを含んでよく、量子回路は各々、その他の量子回路の各々と等価の論理演算であってよい。量子回路は各々、量子ゲートの異なるシーケンスによって実装され得る。量子ゲートの異なるシーケンスを使用して実装される論理的に等価な量子回路を選択することによって、測定中に量子回路内で観測された雑音がランダム化され得る。

量子計算システム内で実装される量子測定回路は、量子回路に対して複数の測定(たとえば、状態測定)を実施し得る。測定は、量子システム内の各キュービットに対して並列に実施され得る。たとえば、読出し共振器は、量子システム内の各キュービットの測定を取得するように構成され得る。

量子回路に対する当該観測値の推定平均値<O>_fは、複数の測定に少なくとも部分的に基づいて決定され得る。量子計算システム用の誤り低減方式は、次いで、当該観測値の平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて実装され得る。

たとえば、いくつかの実装形態では、量子システムによって実装される1つまたは複数の回路ゲージは、1つまたは複数のランダム化回路ゲージを含み得る。たとえば、1つまたは複数のランダム化回路ゲージは、自由空間の間にパウリ演算子またはシングルキュービットゲートの1つまたは複数のランダム対を量子回路内に注入することによって実装され得るか、または(たとえば、量子回路がゲートのモーメント中にキュービットに対して作用していないアイドル時間など)量子回路内のすでに存在するゲートと組み合わされ得る。パウリ演算子または他のシングルキュービットゲートのランダム対は、識別情報と等価であり得(たとえば、これらは自己逆元であり)、自由空間が満たされるまで、隣接ゲートを介して交換され(commuted)得る。1つの量子ゲート(または、複数の量子ゲート)を介してパウリ演算子のランダム対を交換することによって、等価論理演算が実施され得るが、パウリゲージなど、異なるゲージ内で実装される。パウリ演算子は、量子回路内の量子ゲートのサブセットまたはすべての量子ゲートのいずれかを介して交換され得る。

いくつかの実装形態では、パウリ演算子の1つまたは複数のランダム対は、1つまたは複数のクリフォードゲートを量子回路内に組み込むことによって注入され得る。いくつかの実装形態では、パウリ演算子の1つまたは複数のランダム対は、1つまたは複数の非クリフォードゲートを量子回路内に組み込むことによって注入され得る。

本開示の追加の態様によれば、いくつかの実装形態では、単一地点完全脱分極誤り低減方式は、元の測定データおよび量子回路の忠実度fの近似値を使用して実装され得る。単一地点完全脱分極誤り低減方式では、多地点外挿誤り低減方式において使用されるような、異なる誤りレベルにおける追加の測定は必要とされない。

単一地点完全脱分極誤り低減方式を実装するために、1つまたは複数の回路ゲージに対する回路忠実度fに対する近似値が決定され得る。たとえば、いくつかの実装形態では、同様の回路構造に対する交差エントロピーベンチマーキングを使用して、回路忠実度fに対する近似値を決定し得る。いくつかの実装形態では、回路忠実度fに対する近似値は、単一のおよび2つのキュービットゲートの数のみをカウントすることに少なくとも部分的に基づいて推定され得る。

当該観測値の推論平均値<O>_ψは、次いで、当該観測値の平均値<O>_fおよび回路忠実度fの近似値に少なくとも部分的に基づいて決定され得る。たとえば、当該観測値の推論平均値<O>_ψは、式

を使用して決定され得、式中、Oは、所望の観測値であり、

は、雑音に起因する成分を含む。

本明細書で提供される単一地点完全脱分極誤り低減方式は、他の誤り低減方式よりもいくつかの利点を提供し得る。たとえば、追加のサンプル点が必要とされないため、必要とされるサンプルの生の数値が低減され得、これは多地点外挿方式におけるように、外挿の前にいくつかの異なる地点において同様の精度に収束させる困難を回避するのに役立ち得る。さらに、合理的な信号を取得するためのしきい値を超えた誤りの増大は、外挿方式を不安定にさせることがあるため、その能力限界近くでデバイスを動作させることに関連する複雑性が回避され得る。

いくつかの実装形態では、多地点外挿方式は、1つまたは複数の回路ゲージを使用して実装され得る。たとえば、雑音注入方法および複数の外挿点が選択され得る。外挿点は各々、異なるランダム回路ゲージを用いて評価され得る。たとえば、1つまたは複数の回路ゲージの各々の間に1つまたは複数の追加のクリフォードゲートおよび1つまたは複数の追加のクリフォードゲートの1つまたは複数の対応する反転が実装され得る。外挿は、その場合、観測値Oの改善された推論値を取得するために実施され得る。

いくつかの実装形態では、回路ゲージは、量子誤り訂正コードおよびデコーダの最適動作状態(operating regime)に基づいてバイアスされてよくまたはバイアスされなくてもよい、好ましい誤り方向を助長するように選択され得る。たとえば、既存の誤りは、1つまたは複数の回路ゲージのうちの少なくとも1つの間に好ましい方向にバイアスされてよく、誤り訂正コードを使用して既知の誤りタイプを訂正し得る。

本開示の態様は、いくつかの技術的効果および利点を提供することができ、量子計算技術に改善をもたらし得る。たとえば、本開示の例示的態様による単一地点完全脱分極誤り低減方式は、回路ゲージがランダムに選択されるという知識を活用することによって、単一地点推定を使用して外挿を実施するために使用され得る。さらに、この誤り低減方式は、他の外挿誤り低減方式(たとえば、多地点誤り低減方式)と比較して、必要とされるサンプル量を低減し得る。さらに、単一地点完全脱分極誤り低減方式は、増大した雑音レベルにおいて測定を行うことに対する不安定の可能性を除去し得る。

本開示の追加の技術的効果および利点は、クリフォードゲートと非クリフォードゲートの両方に対して使用され得る、パウリ演算子の注入および交換による量子回路の密なパッキングを可能にすることを含む。これは、ランダム化回路ゲージが量子回路測定中に取得された雑音をランダム化するために使用されることを可能にし、それにより、観測される雑音が完全な脱分極チャネルにより密に似ることを可能にし得る。

本開示のシステムおよび方法はまた、多地点外挿方式および誤り訂正コードなど、他の誤り低減方式とともに使用される回路ゲージ(たとえば、ランダム化回路ゲージおよび/または好ましい誤り方向回路ゲージ)の異なる組合せを提供する。これは、量子計算システムにおける誤り訂正コードの使用におけるように、改善された誤り低減性能を可能にし得る。

本開示のシステムおよび方法は、量子計算システム内の改善された雑音低減を可能にし得る。たとえば、観測された測定における雑音をより正確に補償することによって、測定精度が改善され、より正確な量子計算システムを可能にし得る。

ここで図面を参照して、本開示の例示的態様についてさらに詳しく論じる。図1は、例示的量子計算システム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、構成要素、および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ける1つまたは複数の古典的コンピュータまたは量子計算デバイス上で古典的コンピュータプログラムまたは量子コンピュータプログラムとして実装されるシステムの例である。図1は、本開示の態様を実装するために使用され得る例示的量子計算システム100を示す。本明細書で提供される開示を使用する当業者は、本開示の範囲から逸脱せずに、他の量子計算構造または量子計算システムが使用され得ることを理解されよう。

システム100は、1つまたは複数の古典的プロセッサ104とデータ通信する量子ハードウェア102を含む。量子ハードウェア102は、量子計算を実施するための構成要素を含む。たとえば、量子ハードウェア102は、量子システム110と、制御デバイス112と、読出し共振器114とを含む。量子システム110は、キュービットのレジスタなど、1つまたは複数のマルチレベル量子サブシステムを含み得る。いくつかの実装形態では、マルチレベル量子サブシステムは、磁束キュービット、電荷キュービット、トランズモンキュービット、など、超電導キュービットを含み得る。いくつかの実装形態では、マルチレベル量子サブシステムは、1つまたは複数のキュービット(たとえば、D状態の重ね合わせによって記述される量子情報の単位)を含み得る。いくつかの実装形態では、マルチレベル量子サブシステムは、フェルミオン量子サブシステムを含み得る。

システム100が利用するマルチレベル量子サブシステムのタイプは、異なり得る。たとえば、場合によっては、1つまたは複数の超電導キュービット、たとえば、トランズモン、磁束、Gmon、Xmon、または他のキュービットにアタッチされた1つまたは複数の読出し共振器114を含むことが好都合であり得る。他の場合には、イオントラップ、フォトニックデバイス、または(キュービットを必要とせずに状態を準備することができる)超伝導キャビティが使用されてもよい。マルチレベル量子サブシステムのさらなる実現例には、フラックスモンキュービット、シリコン量子ドット、またはリン不純物キュービットがある。

量子回路が構築され、1つまたは複数の制御デバイス112に結合された複数の制御ラインを介して量子システム110内に含まれたキュービットのレジスタに適用され得る。キュービットのレジスタに対して動作する例示的な制御デバイス112は、量子論理ゲートまたは量子論理ゲートの回路、たとえば、クリフォードゲート(アダマールゲート、制御NOT(CNOT)ゲート、フェーズゲート、など)および非クリフォードゲート(Zゲート、Tゲート、などの平方根、など)を含む。1つまたは複数の制御デバイス112は、1つまたは複数のそれぞれの制御パラメータ(たとえば、1つまたは複数の物理制御パラメータ)を通して量子システム110に対して動作するように構成され得る。たとえば、いくつかの実装形態では、マルチレベル量子サブシステムは、超伝導キュービットであってよく、制御デバイス112は、それぞれの電圧物理制御パラメータを備えた1つまたは複数のデジタルアナログ変換器(DAC)を含み得る。

量子ハードウェア102は、量子測定デバイス、たとえば、読出し共振器114をさらに含み得る。量子測定デバイスを介して取得された測定結果108は、処理および分析のために典型的プロセッサ104に提供され得る。いくつかの実装形態では、量子ハードウェア102は、量子回路および制御デバイス112を含み得、読出し共振器114(または、他の量子測定デバイス)は、量子ハードウェア102内に含まれたワイヤを介して送られるマイクロ波パルス物理制御パラメータを通して量子システム110に対して動作する、1つまたは複数の量子論理ゲートを含み得る。制御デバイスのさらなる例には、DACが信号を作り出す、任意の波形生成器を含む。制御パラメータは、キュービット周波数を含み得る。

読出し共振器114(または、他の量子測定デバイス)は、量子システム110に対して量子測定を実行し、測定結果108を典型的プロセッサ104に送るように構成され得る。加えて、量子ハードウェア102は、物理制御パラメータ値106を指定するデータを典型的プロセッサ104から受信するように構成され得る。量子ハードウェア102は、受信された物理制御パラメータ値106を使用して、量子システム110に対する制御デバイス112および読出し共振器114のアクションを更新し得る。たとえば、量子ハードウェア102は、制御デバイス112内に含まれた1つまたは複数のDACの電圧強度を表す新しい値を指定するデータを受信することができ、それに応じて、量子システム110に対するDACのアクションを更新し得る。読出し共振器114は、量子システム110に対して複数の量子測定を実施するように動作可能である1つまたは複数の量子測定回路内に含まれ得る。

典型的プロセッサ104は、たとえば、パラメータ106の初期セットを指定するデータを量子ハードウェア102に送ることによって、量子システム110を初期量子状態に初期化するように構成され得る。

読出し共振器114(または、他の量子測定デバイス)は、キュービットなど、量子システムの要素の|0>状態および|1>状態に対するインピーダンス内の差を利用して、要素(たとえば、キュービット)の状態を測定し得る。たとえば、キュービットが状態|0>または状態|1>にあるとき、読出し共振器114の共振周波数は、キュービットの非線形性により、異なる値をとることがある。したがって、読出し共振器114から反映されるマイクロ波パルスは、キュービット状態に依存する振幅および位相シフトを伝達する。いくつかの実装形態では、キュービット周波数におけるマイクロ波伝搬を妨げるために読出し共振器114と併せて、パーセルフィルタが使用され得る。

本開示の例示的態様によれば、量子計算システム100、より詳細には、量子システム110は、複数の量子回路を実装することによって、1つまたは複数の回路ゲージを実装するように構成され得る。たとえば、各量子回路は複数の量子ゲートを含んでよく、複数の量子回路は各々、複数のうちのその他の量子回路の各々と等価の論理演算であってよい。しかしながら、複数の量子回路は各々、それにより1つまたは複数の回路ゲージを実装するために、複数の量子回路の各々と比較して量子ゲートの異なるシーケンスによって実装され得る。

いくつかの実装形態では、1つまたは複数の回路ゲージは、1つまたは複数のランダム化回路ゲージを含み得る。たとえば、いくつかの実装形態では、1つまたは複数のランダム化回路ゲージは、パウリ演算子の1つまたは複数のランダム対を1つまたは複数の量子回路内に注入することによって実装され得る。パウリ演算子は、次いで、クリフォードゲートおよび非クリフォードゲートを含めて、量子回路の量子ゲートを通して伝搬され得る。

たとえば、パウリ演算子は自己反転であるため、パウリ演算子の対はパウリ演算子に対してU²=Iであることを使用して、量子回路に追加され得る。パウリ演算子の対は、次いで、量子ゲートを通して等価演算に交換され得るか、または等価演算に到着し得るが、異なるパウリゲージ内で実装される。

たとえば、次に図2を参照すると、本開示の例示的態様による、1つまたは複数のクリフォードゲートを量子回路内に組み込む例示的な回路ゲージ200が示される。図2は、1つまたは複数のクリフォードゲートを量子回路内に組み込むことによって、パウリ演算子の1つまたは複数のランダム対が量子回路内に注入される例示的回路ゲージを示す。

示すように、回路ゲージ200は、量子ゲートの異なるシーケンスを使用して実装される、3つの論理的に等価な量子回路210、220、および230を含む。

たとえば、第1の量子回路210は、2つのキュービットに対してクリフォードゲートによって実装される、制御されたZ演算を含む。量子回路210は、C(Z)_1,2などの等式として表され得る。

第2の量子回路220は、第1の量子回路210と論理的に等価な演算を含むが、第2の量子回路220は、パウリX演算子の対を含む。量子回路220は、C(Z)_1,2X₁X₁などの等式として表され得る。

同様に、第3の量子回路230は、第1の量子回路210および第2の量子回路220と論理的に等価な演算を含む。しかしながら、図2に示すように、第3の量子回路230の場合、パウリX演算子のうちの1つは、量子回路を通して交換されている。量子回路230は、X₁Z₂C(Z)_1,2X₁などの等式として表され得る。

本開示の例示的ランダム化回路ゲージ技法は、非クリフォードゲートに適用されてもよい。たとえば、図3を参照すると、本開示の例示的態様による、1つまたは複数の非クリフォードゲートを量子回路内に組み込む例示的な回路ゲージ300が示される。

示すように、回路ゲージ300は、量子ゲートの異なるシーケンスを使用して実装される、3つの論理的に等価な量子回路310、320、および330を含む。

たとえば、第1の量子回路310は、2つのキュービットに対して非クリフォードゲートによって実装される、Z演算の制御された平方根(制御された位相ゲートとも呼ばれる)を含む。量子回路310は、C(Z^1/2)_1,2などの等式として表され得る。

第2の量子回路320は、第1の量子回路310と論理的に等価な演算を含むが、第2の量子回路320は、パウリX演算子の対を含む。量子回路320は、C(Z^1/2)_1,2X₁X₁などの等式として表され得る。

同様に、第3の量子回路330は、第1の量子回路310および第2の量子回路320と論理的に等価な演算を含む。しかしながら、図3に示すように、第3の量子回路330の場合、パウリX演算子のうちの1つは、量子回路を通して交換されている。量子回路330は、X₁Z^1/2 ₂C(Z^-1/2)_1,2X₁などの等式として表され得る。

次に図4を参照すると、本開示の例示的態様による、1つまたは複数の非クリフォードゲートを量子回路内に組み込む別の例示的回路ゲージ400が示される。図3と同様に、例示的回路ゲージ400は、非クリフォードゲートを含む。

示すように、回路ゲージ400は、量子ゲートの異なるシーケンスを使用して実装される、3つの論理的に等価な量子回路410、420、および430を含む。

たとえば、第1の量子回路410は、Zゲートの第4のルート(Tゲートとも呼ばれる)、R_X(θ)ゲート、Zゲートの逆の4乗根(inverse fourth root)(反転Tゲートとも呼ばれる)、および制御されたZゲートを含めて、1つまたは2つのキュービットに対して実装される複数の論理ゲートを含む。R_X(θ)ゲートは、x軸を中心とした角度θを通る単一キュービット回転である。量子回路410は、

のような等式として表され得る。

第2の量子回路420は、第1の量子回路410と論理的に等価な演算を含むが、第2の量子回路420は、パウリX演算子を含む。量子回路420は、

のような等式として表され得る。

同様に、第3の量子回路430は、第1の量子回路410および第2の量子回路420と論理的に等価な演算を含む。しかしながら、図4に示すように、第3の量子回路430の場合、パウリX演算子は量子回路を通して交換されている。量子回路430は、

のような等式として表され得る。

図2から図4に示した例示的な回路ゲージ200～400は、クリフォードゲートと非クリフォードゲートの両方を含む量子回路に対する等価論理演算を示す例示的な回路ゲージであり、単に例示のためである。追加のおよび/または他の量子ゲートを使用して、他の回路ゲージが同様に実装され得ることを当業者は認識されよう。さらに、本開示の回路ゲージおよび例示的ゲージランダム化技法は、フェルミオンシミュレーションゲート(FSIM:fermionic simulation gate)など、若干低減されたゲージ自由度を備えた、従来性が低い量子ゲートに適用され得る。たとえば、いくつかの実装形態では、パウリ演算子の対が量子回路にわたって伝搬され得るが、他の実装形態では、単一のパウリ演算子が量子回路にわたって伝搬され得る。

図1を再度参照すると、1つまたは複数の読出し共振器114または他の量子測定デバイスなどの量子測定回路は、1つまたは複数の回路ゲージによって(たとえば、その一部分として)実装される量子回路に対する複数の測定を取得し得る。複数の測定は、次いで、量子計算システム100に対する誤り低減方式を実装するために、1つまたは複数の典型的プロセッサ104など、1つまたは複数のプロセッサによって使用され得る。

たとえば、1つまたは複数のプロセッサは、複数の測定に少なくとも部分的に基づいて、当該観測値の平均値<O>_fを決定し得る。さらに、1つまたは複数のプロセッサは、当該観測値の平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、誤り低減方式を実装し得る。

たとえば、本開示の例示的な態様によれば、いくつかの実装形態では、単一地点完全脱分極誤り低減方式は、量子計算システム100に対して実装され得る。単一地点完全脱分極誤り低減方式は、たとえば、元の測定データおよび量子計算システム100の忠実度fの推定のみを使用して、量子計算システム100に対する当該観測値の推定無雑音値<O>_ψを決定するために使用され得る。単一地点完全脱分極誤り低減方式は、十分なランダム回路ゲージを備えた量子回路が完全な脱分極チャネルに極めて似ている雑音モデルに追従するという知識を活用し得る。

たとえば、ランダム化回路ゲージは、量子システムによって実装可能であり、回路ゲージの量子回路の各々に対して実施される複数の測定は、量子測定回路(たとえば、1つまたは複数の読出し共振器114および/または他の量子測定デバイス)によって取得され得る。いくつかの実装形態では、パウリ演算子の対は、量子回路内の自由空間の間に(たとえば、回路がゲートのモーメント中にキュービットに対して動作していないアイドル時間中に)量子回路内に注入されてよく、パウリ演算子は、自由空間が満たされるまで隣接ゲートを通して交換され得る。1つまたは複数のプロセッサは、次いで、複数の測定に少なくとも部分的に基づいて、当該観測値の平均値<O>_fを推定し得る。

本開示の追加態様によれば、1つまたは複数のプロセッサは、回路忠実度fの近似値をさらに決定し得る。単一地点完全脱分極誤り低減方式によって提供される利点は、量子回路がランダムに選択された回路ゲージを使用するとき、高い確率を備えた回路の忠実度を推定するために、1つまたは複数の簡素化された方法が使用され得ることである。たとえば、一実装形態では、ゲート、または量子回路のゲートのクラスに対して測定されるサイクル忠実度が使用されてよく、忠実度fを測定するために、単一のおよび2つのキュービットゲートの数がカウントされ得る。いくつかの実装形態では、同様の回路構造に対する成分交差エントロピーベンチマーキング(component cross entropy benchmarking)を使用して、回路忠実度fに対する近似値を決定し得る。

回路忠実度fの近似値が決定されると、回路のランダムゲージ(場合によっては、サイズ1)のセットが選択され得、1つまたは複数のプロセッサは、ランダムゲージの対応するセットに対する複数の測定を平均化することによって、当該観測値の平均期待値<O>_fを決定し得る。

1つまたは複数のプロセッサは、次いで、当該観測値の平均値<O>_fおよび回路忠実度fの近似値に少なくとも部分的に基づいて、当該観測値の推論平均値<O>_ψを決定し得る。たとえば、式

を使用して、当該観測値の推論平均値<O>_ψを決定することができ、式中、Oは、所望の観測値であり、

は、雑音に起因する成分を含む。当該観測値の推論平均値<O>_fは、単一地点完全脱分極化誤りモデルを使用して決定された当該観測値の推定無雑音値<O>_fであり得る。

単一地点完全脱分極誤り低減方式によって提供される利点は、多地点外挿誤り低減方式におけるように追加サンプルポイントが必要とされないことである。したがって、外挿前にいくつかの異なる地点において同様の精度に収束しなければならない外挿方式と比較して、必要とされるサンプルの生の数値が低減され得る。加えて、デバイスがその能力限界近くで動作している場合、多地点外挿方式は、誤りを組織的に増大させるためのいくつかの方法を必要とし得る。誤りが合理的な信号を取得するためのしきい値を超えて増大する場合、外挿方式は不安定になることがある。

しかしながら、本開示のシステムおよび方法は、多地点外挿方式において実装されることも可能である。たとえば、1つまたは複数のプロセッサは、多地点外挿方式を実装することによって、当該観測値の平均値<O>_ψに少なくとも部分的に基づいて、量子計算システム100に対する誤り低減方式を実装し得る。たとえば、複数の外挿点に沿って、雑音注入方法が選択され得る。いくつかの実装形態では、雑音注入方法は、1つまたは複数の回路ゲージの各々の間に1つまたは複数の追加のクリフォードゲートおよび1つまたは複数の追加のクリフォードゲートの対応する反転を実装するステップを含み得る。

1つまたは複数のプロセッサは、次いで、1つまたは複数の回路ゲージ1つの異なるランダム回路ゲージを用いて複数の外挿点の各々を分析し、複数の外挿点の分析に少なくとも部分的に基づいて、当該観測値Oの推論値を外挿することによって、多地点外挿方式を実装し得る。

いくつかの実装形態では、回路ゲージは、好ましい誤り方向を奨励するために使用され得る。たとえば、回路ゲージは、特定のタイプの雑音を既知の方向に生じさせることが知られている場合がある。そのような回路ゲージは、たとえば、誤り訂正コードを使用して訂正されることになる既知の誤りタイプをもたらすために使用され得る。

たとえば、1つまたは複数のプロセッサは、誤り低減のための好ましい誤り方向を実装するように構成された回路ゲージを選択することによって、当該観測値の平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、量子計算システム100に対する誤り低減方式を実装し得る。回路ゲージは、既知の誤りタイプを実装するように構成され得る。1つまたは複数のプロセッサは、次いで、誤り訂正コードを使用して既知の誤りタイプを訂正し得る。

本開示のシステムおよび方法は、当該観測値の平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、量子計算システム100に対する誤り低減方式を実装することを可能にし得る。さらに、本開示のシステムおよび方法は、複数の測定の雑音成分に対して訂正することによって、誤り訂正された当該観測値Oを決定することを可能にし得る。

図5は、本開示の例示的態様による例示的方法500の流れ図を示す。方法500は、図1に示した量子計算システム100など、任意の好適な量子計算システムを使用して実装され得る。図5は、例示および議論のために特定の順序で実施されるステップを示す。本明細書で提供される開示を使用する当業者は、本明細書で開示する方法のうちのいずれかの様々なステップが、適応され、修正され、同時に実施され、省略されてよく、本開示の範囲から逸脱せずに、示されない、再構成されない、かつ/または様々な方法で拡張されないステップを含み得ることを理解されよう。

502において、方法500は、量子システム(図1の量子システム110および/または量子ハードウェア102)にアクセスするステップを含み得る。量子システムは、1つまたは複数の量子システムキュービットと、1つまたは複数の量子測定デバイスとを含み得る。量子システムは、複数の量子回路を実装するように構成され得る。複数の量子回路は各々、それにより1つまたは複数の回路ゲージを実装するために、複数のうちのその他の量子回路の各々と比較して量子ゲートの異なるシーケンスによって実装され得る。

504において、方法500は、複数の量子回路を実装するステップを含み得る。複数の量子回路は各々、1つまたは複数の回路ゲージを実装するために、複数のうちのその他の量子回路の各々と比較して量子ゲートの異なるシーケンスによって実装され得る。いくつかの実装形態では、1つまたは複数の回路ゲージは、1つまたは複数のランダム化回路ゲージであってよい。たとえば、パウリ演算子の1つまたは複数の対は、量子回路を通して伝搬され得る。いくつかの実装形態では、1つまたは複数の量子回路は、1つまたは複数のクリフォードゲートを含み(たとえば、組み込み)得る。いくつかの実装形態では、1つまたは複数の量子回路は、1つまたは複数の非クリフォードゲートを含み(たとえば、組み込み)得る。

506において、方法500は、1つまたは複数の量子回路に対して実施される複数の測定を取得するステップを含み得る。たとえば、量子測定デバイス(たとえば、読出し共振器)は、1つまたは複数の量子回路の各々に対する1つまたは複数の測定を取得し得る。

508において、方法500は、複数の測定に少なくとも部分的に基づいて、量子回路に対する当該観測値の推定平均値<O>_fを決定するステップを含み得る。

510において、方法500は、単一地点完全脱分極化誤りモデルを使用して、当該観測値の推定平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、当該観測値の推定無雑音値<O>_ψを決定するステップを含み得る。

たとえば、いくつかの実装形態では、単一地点完全脱分極化誤りモデルを使用して、当該観測値の推定平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、当該観測値の推定無雑音値<O>_ψを決定するステップは、1つまたは複数の回路ゲージに対する回路忠実度fの近似値を決定するステップを含み得る。いくつかの実装形態では、1つまたは複数の回路ゲージに対する回路忠実度fの近似値は、同様の回路構造に対する成分交差エントロピーベンチマーキングを含み得る。いくつかの実装形態では、1つまたは複数の回路ゲージに対する回路忠実度fの近似値は、回路内の単一のおよび2つのキュービットゲートの数をカウントするステップと、それらのタイプのゲートに対する回路忠実度を使用するステップとを含み得る。

いくつかの実装形態では、単一地点完全脱分極化誤りモデルを使用して当該観測値の推定平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、当該観測値の推定無雑音値<O>_ψを決定するステップは、当該観測値の平均値<O>_fおよび回路忠実度fの近似値に少なくとも部分的に基づいて、当該観測値の推論平均値<O>_ψを決定するステップをさらに含み得る。

たとえば、いくつかの実装形態では、当該観測値の平均値<O>_fおよび回路忠実度fの近似値に少なくとも部分的に基づいて、当該観測値の推論平均値<O>_ψを決定するステップは、式

に従って、当該観測値の推論平均値<O>_ψを決定するステップを含み得、式中、Oは、所望の観測値であり、

は、雑音に起因する成分を含む。

単一地点完全脱分極化誤りモデルを使用して、当該観測値の推定平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、当該観測値の推定無雑音値<O>_ψを決定するステップは、複数の測定の雑音成分に対して訂正することによって、誤り訂正された当該観測値Oを決定するステップを含み得る。

図6は、本開示の例示的態様による例示的方法600の流れ図を示す。方法600は、図1に示した量子計算システム100など、任意の好適な量子計算システムを使用して実装され得る。図6は、例示および議論のために特定の順序で実施されるステップを示す。本明細書で提供される開示を使用する当業者は、本明細書で開示する方法のうちのいずれかの様々なステップが、適応され、修正され、同時に実施され、省略されてよく、本開示の範囲から逸脱せずに、示されない、再構成されない、かつ/または様々な方法で拡張されないステップを含み得ることを理解されよう。

602において、方法600は、量子システム(たとえば、図1の量子システム110および/または量子ハードウェア102)にアクセスするステップを含み得る。量子システムは、1つまたは複数の量子システムキュービットと、1つまたは複数の量子測定デバイスとを含み得る。量子システムは、複数の量子回路を実装するように構成され得る。複数の量子回路は各々、それにより1つまたは複数の回路ゲージを実装するために、複数のうちのその他の量子回路の各々と比較して量子ゲートの異なるシーケンスによって実装され得る。

604において、方法600は、複数の量子回路を実装するステップを含み得る。複数の量子回路は各々、1つまたは複数の回路ゲージを実装するために、複数のうちのその他の量子回路の各々と比較して量子ゲートの異なるシーケンスによって実装され得る。いくつかの実装形態では、1つまたは複数の回路ゲージは、1つまたは複数のランダム化回路ゲージであってよい。たとえば、パウリ演算子の1つまたは複数の対は、量子回路を通して伝搬され得る。いくつかの実装形態では、1つまたは複数の量子回路は、1つまたは複数のクリフォードゲートを含み(たとえば、組み込み)得る。いくつかの実装形態では、1つまたは複数の量子回路は、1つまたは複数の非クリフォードゲートを含み(たとえば、組み込み)得る。いくつかの実装形態では、1つまたは複数の量子回路は、誤り低減のための好ましい誤り方向を実装するように構成された、1つまたは複数の量子回路を含み得る。

606において、方法600は、1つまたは複数の量子回路に対して実施される複数の測定を取得するステップを含み得る。たとえば、量子測定デバイス(たとえば、読出し共振器)は、1つまたは複数の量子回路の各々に対する1つまたは複数の測定を取得し得る。

608において、方法600は、複数の測定に少なくとも部分的に基づいて、量子回路に対する当該観測値の推定平均値<O>_fを決定するステップを含み得る。

610において、方法600は、当該観測値の平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、量子システムに対する誤り低減方式を実装するステップを含み得る。いくつかの実装形態では、単一地点完全脱分極誤り低減方式が使用され得る。いくつかの実装形態では、多地点外挿方式が使用され得る。いくつかの実装形態では、誤り訂正コードが使用され得る。

本明細書で説明するデジタルおよび/または量子主題、ならびにデジタル機能演算および量子演算の実装形態は、デジタル電子回路、適切な量子回路、またはより一般的には、量子計算システム、有形に実装されたデジタルおよび/また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、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/または量子コンピュータハードウェア、またはそれらの1つもしくは複数の組合せで実装され得る。「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/計算システム、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み得る。

本明細書で説明するデジタルおよび/または量子主題の実装形態は、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、すなわち、データ処理装置による実行のために、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、ランダムまたはシリアルアクセスメモリデバイス、1つまたは複数のキュービット/キュービット構造、またはそれらの1つまたは複数の組合せとすることができる。代替的にまたは追加として、プログラム命令は、データ処理装置による実行のために、好適な受信機装置への送信のためにデジタルおよび/または量子情報を符号化するために生成された、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工的に生成された伝搬信号(たとえば、マシン生成の電気、光、または電磁信号)上で符号化され得る。

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、保持され、または量子システム内に記憶される情報またはデータを指し、最小の非自明なシステムは、キュービット、すなわち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得るすべての量子システムを包含することが理解される。そのような量子システムは、たとえば、2つ以上のレベルを有するマルチレベルシステムを含み得る。例として、そのようなシステムは、原子、電子、光子、イオン、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、計算基礎状態は、基礎状態および第1の励起状態で識別されるが、計算状態がより高いレベルの励起状態(たとえば、キュービット)で識別される他の設定も可能であることが理解される。

「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、または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、および機械を包含する。装置はまた、特殊目的論理回路、たとえば、FPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)、もしくはASIC(特定用途向け集積回路)、または量子シミュレータ、すなわち、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ってもよく、またはそれをさらに含むことができる。特に、量子シミュレータは、汎用量子計算を実施する能力を有していない専用量子コンピュータである。装置は、随意に、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、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構成するコードを含むことができる。

デジタルコンピュータプログラムは、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、またはコードとも呼ばれるか、または記載され得、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、任意の形態のプログラミング言語で書かれ得、スタンドアロンプログラムとして、またはモジュール、構成要素、サブルーチン、またはデジタルコンピューティング環境において使用するのに好適な他のユニットとしてを含む、任意の形態で展開され得る。量子コンピュータプログラムは、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、もしくはコードとも呼ばれるか、または記載され得、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、任意の形態のプログラミング言語で書かれ得、適切な量子プログラミング言語に変換され得、または量子プログラミング言語、たとえばQCL、Quipper、Cirqなどで書き込まれ得る。

デジタルおよび/または量子コンピュータプログラムは、必須ではないが、ファイルシステム内のファイルに対応し得る。プログラムは、他のプログラムもしくはデータ、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つもしくは複数のスクリプトを保持するファイルの一部分の中に記憶されるか、当該のプログラムに専用の単一のファイル内に記憶されるか、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内に記憶され得る。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つのサイトに配置されるかもしくは複数のサイトにわたって分散され、デジタルおよび/もしく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ならびに/または量子コンピュータ上で実行されるように展開され得る。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ことができるネットワークであると理解される。一般に、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はできないが、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ことができる。

本明細書で説明するプロセスおよび論理フローは、1つもしくは複数のプログラム可能なデジタルおよび/または量子コンピュータによって実行することができ、1つもしくは複数のデジタルおよび/または量子プロセッサで動作し、必要に応じて、1つもしく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して、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。プロセスおよび論理フローは、特殊目的論理回路、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、あるいは特殊目的論理回路または量子シミュレータと1つもしく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との組合せによって実行することもでき、装置は、特殊目的論理回路、たとえばFPGAもしくはASIC、または量子シミュレータとして実装することもできる。

1つもしくは複数のデジタルおよび/または量子コンピュータまたはプロセッサのシステムが、特定の動作またはアクションを実行する「ように構成される」または「ように動作可能である」とは、システムが、その上に、動作中にシステムに動作もしくはアクションを実施させるソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはそれらの組合せをインストールしていることを意味する。1つもしく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が、特定の動作またはアクションを実行する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実行させる命令を含むことを意味する。量子コンピュータは、量子計算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実行させる命令をデジタルコンピュータから受信し得る。

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適したデジタルおよび/または量子コンピュータは、汎用もしくは専用のデジタルおよび/もしくは量子マイクロプロセッサまたはその両方、あるい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き得る。一般に、中央デジタルおよび/または量子処理ユニットは、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、またはそれらの組合せを送信するのに適した量子システムから、命令およびデジタルならびに/または量子データを受信する。

デジタルおよび/または量子コンピュータのいくつかの例示的要素は、命令を実施または実行するための中央処理装置と、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。中央処理装置およびメモリは、特殊目的論理回路または量子シミュレータによって補足されるか、または特殊目的論理回路もしくは量子シミュレータに組み込まれ得る。一般に、デジタルおよび/または量子コンピュータは、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適した量子システムなど、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を含むか、またはそれらからデジタルおよび/もしくは量子データを受信するか、またはそれらにデジタルおよび/もしくは量子データを転送するか、あるいはそれらの両方を行うように動作可能に結合される。しかしながら、デジタルおよび/または量子コンピュータは、そのようなデバイスを有する必要はない。

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/または量子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、および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、トラップされた原子または電子を含む、すべての形態の不揮発性デジタルおよび/または量子メモリ、媒体ならびにメモリデバイスを含む。量子メモリは、高い忠実度および効率で長時間量子データを記憶することができるデバイス、たとえば、光が伝送のために使用される光物質界面、ならびに重ね合わせまたは量子コヒーレンスなどの量子データの量子特徴を記憶および保存するための物質であることが理解される。

本明細書で説明する様々なシステム、またはその一部の制御は、1つまたは複数の非一時的な機械可読記憶媒体上に記憶され、1つもしく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な命令を含む、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で実装することができる。本明細書で説明するシステム、またはその一部は、各々、本明細書で説明する演算を実行するための実行可能命令を記憶するための1つもしくは複数のデジタルおよび/または量子処理デバイスならびにメモリを含むことができる装置、方法、または電子システムとして実装することができる。

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、特許請求の範囲に対する限定として解釈されるものではなく、むしろ、特定の実装形態に特有であり得る特徴の説明として解釈されるものとする。別々の実装形態の文脈で本明細書で説明する特定の特徴は、単一の実装形態で組み合わせて実装することもできる。逆に、単一の実装形態の文脈で説明される様々な特徴は、複数の実装形態で別々に、または任意の適切な部分組合せで実装することもできる。さらに、特徴は、特定の組合せで動作するものとして上記で説明されている場合があり、また、そのようなものとして最初に特許請求され得るが、特許請求される組合せからの1つまたは複数の特徴は、いくつかの場合には、その組合せから削除されてもよく、特許請求される組合せは、部分組合せまたは部分組合せの変形に向けられてもよい。

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、そのような動作が図示された特定の順序でもしくは順番に行われること、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。状況によっては、マルチタスキングおよび平行処理が有利であり得る。さらに、上述の実装形態における様々なシステムモジュールおよび構成要素の分離は、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ものとして理解されないものとし、説明されたプログラム構成要素およびシステムは、一般に、単一のソフトウェア製品に一緒に統合され得るか、または複数のソフトウェア製品にパッケージ化され得ることを理解されたい。

主題の特定の実装形態を説明した。他の実装形態は、以下の特許請求の範囲の範囲内である。たとえば、特許請求の範囲に記載されたアクションは、異なる順序で実行することができ、依然として望ましい結果を達成することができる。一例として、添付の図面に示されるプロセスは、所望の結果を達成するために、必ずしも、示される特定の順序、または連続する順序を必要としない。いくつかの場合には、マルチタスキングおよび並列処理が有利であり得る。

100 量子計算システム、システム
102 量子ハードウェア
104 古典的プロセッサ
106 物理制御パラメータ値、パラメータ
108 測定結果
110 量子システム
112 制御デバイス
114 読出し共振器
200 回路ゲージ
210 量子回路、第1の量子回路
220 量子回路、第2の量子回路
230 量子回路、第3の量子回路
300 回路ゲージ
310 量子回路、第1の量子回路
320 量子回路、第2の量子回路
330 量子回路、第3の量子回路
400 回路ゲージ
410 量子回路、第1の量子回路
420 量子回路、第2の量子回路
430 量子回路、第3の量子回路
500 方法
600 方法

Claims (18)

1. 量子計算システムであって、
   1つまたは複数の量子システムキュービットを備えた量子システムであって、複数の量子回路を実装するように構成され、各量子回路が複数の量子ゲートを備え、前記複数の量子回路が各々、前記複数の量子回路のうちのその他の量子回路の各々と等価の論理演算をさらに含み、前記複数の量子回路が各々、それにより1つまたは複数の回路ゲージを実装するために、前記複数の量子回路のうちのその他の量子回路の各々と比較して量子ゲートの異なるシーケンスによって実装される、量子システムと、
   前記量子計算システムによって実装される量子測定回路であって、前記複数の量子回路に対して複数の測定を実行するように動作可能な、量子測定回路と、
   演算を実施するように動作可能な1つまたは複数のプロセッサと
   を備え、前記演算が、
   前記複数の測定に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の量子回路に対する観測値の平均値<O>_fを決定するステップと、
   前記観測値の前記平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、前記量子計算システムに対する誤り低減方式を実装するステップと
   を含み、
   前記観測値の前記平均値<O> _f に少なくとも部分的に基づいて、前記量子計算システムに対する前記誤り低減方式を前記実装するステップが、単一地点完全脱分極誤り低減方式を実装するステップを含み、
   前記単一地点完全脱分極誤り低減方式を前記実装するステップが、前記1つまたは複数の回路ゲージに対する回路忠実度fの近似値を決定するステップを含む
   量子計算システム。
2. 前記1つまたは複数の回路ゲージが、1つまたは複数のランダム化回路ゲージを含む、請求項1に記載の量子計算システム。
3. 前記1つまたは複数のランダム化回路ゲージが、パウリ演算子の1つまたは複数のランダム対を前記複数の量子回路内に注入することによって実装される、請求項2に記載の量子計算システム。
4. パウリ演算子の前記1つまたは複数のランダム対を前記注入するステップが、1つまたは複数のクリフォードゲートを前記複数の量子回路内に組み込むステップを含む、請求項3に記載の量子計算システム。
5. パウリ演算子の前記1つまたは複数のランダム対を前記注入するステップが、1つまたは複数の非クリフォードゲートを前記複数の量子回路内に組み込むステップを含む、請求項3に記載の量子計算システム。
6. 前記1つまたは複数の回路ゲージが、既知の誤りタイプを実装して誤り低減のための好ましい誤り方向を実装するように構成された回路ゲージを備える、請求項1に記載の量子計算システム。
7. 前記1つまたは複数の回路ゲージに対する前記回路忠実度fの前記近似値が、同様の回路構造に対する成分交差エントロピーベンチマーキングを含む、請求項1に記載の量子計算システム。
8. 前記1つまたは複数の回路ゲージに対する前記回路忠実度fの前記近似値を前記決定するステップが、単一のおよび2つのキュービットゲートの数をカウントするステップを含む、請求項1に記載の量子計算システム。
9. 前記単一地点完全脱分極誤り低減方式を前記実装するステップが、前記観測値の前記平均値<O>_fおよび前記回路忠実度fの前記近似値に少なくとも部分的に基づいて、前記観測値の推論平均値<O>_ψを決定するステップをさらに含む、請求項1に記載の量子計算システム。
10. 前記観測値の前記平均値<O>_fおよび前記回路忠実度fの前記近似値に少なくとも部分的に基づいて、前記観測値の前記推論平均値<O>_ψを前記決定するステップが、式
    に従って、前記観測値の前記推論平均値<O>_ψを決定するステップを含み、式中、Oが、所望の観測値であり、
    が、雑音に起因する成分を含む
    請求項9に記載の量子計算システム。
11. 前記観測値の前記平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、前記量子計算システムに対する前記誤り低減方式を前記実装するステップが、多地点外挿方式を実装するステップを含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の量子計算システム。
12. 前記多地点外挿方式を前記実装するステップが、雑音注入方法および複数の外挿点を選択するステップを含む、請求項11に記載の量子計算システム。
13. 前記雑音注入方法が、前記1つまたは複数の回路ゲージの各々の間に1つまたは複数の追加のクリフォードゲートおよび前記1つまたは複数の追加のクリフォードゲートの1つまたは複数の対応する反転を実装するステップを含む、請求項12に記載の量子計算システム。
14. 前記多地点外挿方式を前記実装するステップが、前記1つまたは複数の回路ゲージの異なるランダム回路ゲージを用いて前記複数の外挿点の各々を分析するステップと、前記複数の外挿点の前記分析に少なくとも部分的に基づいて、観測値Oの推論値を外挿するステップとを含む、請求項12に記載の量子計算システム。
15. 前記観測値の前記平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、前記量子計算システムに対して前記誤り低減方式を前記実装するステップが、前記1つまたは複数の回路ゲージの少なくとも1つの間に好ましい方向で誤りをバイアスするステップと、誤り訂正コードを使用して前記誤りを訂正するステップとを含む、請求項1に記載の量子計算システム。
16. 前記観測値の前記平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、前記量子計算システムに対する前記誤り低減方式を前記実装するステップが、複数の測定の雑音成分に対して訂正することによって、誤り訂正された観測値Oを決定するステップを含む、請求項1から15のいずれか一項に記載の量子計算システム。
17. 量子計算システムの無雑音観測値を推定する方法であって、
    1つまたは複数の計算デバイスを備えた計算システムによって、1つまたは複数のキュービットと1つまたは複数の量子測定デバイスとを備えた量子システムにアクセスするステップと、
    前記計算システムによって、複数の量子回路を実装するステップであって、各量子回路が複数の量子ゲートを備え、前記複数の量子回路が各々、前記複数の量子回路のうちのその他の量子回路の各々と等価の論理演算をさらに含み、前記複数の量子回路が各々、それにより1つまたは複数の回路ゲージを実装するために、前記複数の量子回路のうちのその他の量子回路の各々と比較して量子ゲートの異なるシーケンスによって実装される、実装するステップと、
    前記1つまたは複数の量子測定デバイスを介して前記計算システムによって、前記複数の量子回路の各々に対して実施される複数の測定を取得するステップと、
    前記計算システムによって、前記複数の測定に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の量子回路に対する観測値の推定平均値<O>_fを決定するステップと、
    前記計算システムによって、単一地点完全脱分極化誤りモデルを使用して、前記観測値の前記推定平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、前記観測値の推定無雑音値<O>_ψを決定するステップと
    を含み、
    前記単一地点完全脱分極誤りモデルを前記使用するステップが、前記1つまたは複数の回路ゲージに対する回路忠実度fの近似値を決定するステップを含む
    方法。
18. 量子システムに対する雑音誤り低減のための方法であって、
    1つまたは複数の計算デバイスを備えた計算システムによって、1つまたは複数のキュービットと1つまたは複数の量子測定デバイスとを備えた量子システムにアクセスするステップと、
    前記量子システムによって、複数の量子回路を実装するステップであって、各量子回路が複数の量子ゲートを備え、前記複数の量子回路が各々、前記複数の量子回路のうちのその他の量子回路の各々と等価の論理演算をさらに含み、前記複数の量子回路が各々、それにより1つまたは複数の回路ゲージを実装するために、前記複数の量子回路のうちのその他の量子回路の各々と比較して量子ゲートの異なるシーケンスによって実装される、実装するステップと、
    前記1つまたは複数の量子測定デバイスを介して前記計算システムによって、前記複数の量子回路に対して実施される複数の測定を取得するステップと、
    前記計算システムによって、前記複数の測定に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の量子回路に対する観測値の推定平均値<O>_fを決定するステップと、
    前記計算システムによって、前記観測値の前記推定平均値<O>_fに少なくとも部分的に基づいて、前記量子システムに対する誤り低減方式を実装するステップと
    を含み、
    前記観測値の前記平均値<O> _f に少なくとも部分的に基づいて、前記計算システムに対する前記誤り低減方式を前記実装するステップが、単一地点完全脱分極誤り低減方式を実装するステップを含み、
    前記単一地点完全脱分極誤り低減方式を前記実装するステップが、前記1つまたは複数の回路ゲージに対する回路忠実度fの近似値を決定するステップを含む
    方法。

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