Fugu-MT 論文翻訳(概要): Improving the Fidelity of CNOT Circuits on NISQ Hardware

論文の概要: Improving the Fidelity of CNOT Circuits on NISQ Hardware

arxiv url: http://arxiv.org/abs/2405.19891v1
Date: Thu, 30 May 2024 09:47:33 GMT
ステータス: 処理完了
システム内更新日: 2024-05-31 14:59:14.910593
Title: Improving the Fidelity of CNOT Circuits on NISQ Hardware
Title（参考訳）: NISQハードウェアにおけるCNOT回路の忠実性向上
Authors: Dohun Kim, Minyoung Kim, Sarah Meng Li, Michele Mosca,
Abstract要約: 最寄りの相互作用とCNOTゲート誤り率を考慮した改良型CNOT合成アルゴリズムを提案する。合成CNOT回路の忠実度を平均で2倍(最大9倍)向上させる。合成したCNOT数を平均で13倍(最大162倍)下げる。
参考スコア（独自算出の注目度）: 16.705631360131886
License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Abstract: We introduce an improved CNOT synthesis algorithm that considers nearest-neighbour interactions and CNOT gate error rates in noisy intermediate-scale quantum (NISQ) hardware. Compared to IBM's Qiskit compiler, it improves the fidelity of a synthesized CNOT circuit by about 2 times on average (up to 9 times). It lowers the synthesized CNOT count by a factor of 13 on average (up to a factor of 162). Our contribution is twofold. First, we define a $\textsf{Cost}$ function by approximating the average gate fidelity $F_{avg}$. According to the simulation results, $\textsf{Cost}$ fits the error probability of a noisy CNOT circuit, $\textsf{Prob} = 1 - F_{avg}$, much tighter than the commonly used cost functions. On IBM's fake Nairobi backend, it matches $\textsf{Prob}$ to within $10^{-3}$. On other backends, it fits $\textsf{Prob}$ to within $10^{-1}$. $\textsf{Cost}$ accurately quantifies the dynamic error characteristics and shows remarkable scalability. Second, we propose a noise-aware CNOT routing algorithm, NAPermRowCol, by adapting the leading Steiner-tree-based connectivity-aware CNOT synthesis algorithms. A weighted edge is used to encode a CNOT gate error rate and $\textsf{Cost}$-instructed heuristics are applied to each reduction step. NAPermRowCol does not use ancillary qubits and is not restricted to certain initial qubit maps. Compared with algorithms that are noise-agnostic, it improves the fidelity of a synthesized CNOT circuit across varied NISQ hardware. Depending on the benchmark circuit and the IBM backend selected, it lowers the synthesized CNOT count up to $56.95\%$ compared to ROWCOL and up to $21.62\%$ compared to PermRowCol. It reduces the synthesis $\textsf{Cost}$ up to $25.71\%$ compared to ROWCOL and up to $9.12\%$ compared to PermRowCol. Our method can be extended to route a more general quantum circuit, giving a powerful new tool for compiling on NISQ devices.
Abstract（参考訳）: 我々は,ノイズの多い中間規模量子(NISQ)ハードウェアにおける近傍相互作用とCNOTゲート誤り率を考慮した改良型CNOT合成アルゴリズムを提案する。 IBMのQiskitコンパイラと比較して、合成されたCNOT回路の忠実度を平均で2倍(最大9倍)向上させる。合成したCNOT数を平均で13倍(最大162倍)下げる。私たちの貢献は2倍です。まず、平均ゲートフィデリティを$F_{avg}$と近似することで、$\textsf{Cost}$関数を定義する。シミュレーション結果によると、$\textsf{Cost}$はノイズの多いCNOT回路の誤差確率に適合し、$\textsf{Prob} = 1 - F_{avg}$は一般的に使用されるコスト関数よりもはるかに厳密である。 IBMの偽のNairobiバックエンドでは、$\textsf{Prob}$と$10^{-3}$にマッチする。他のバックエンドでは、$\textsf{Prob}$を10^{-1}$に適合させる。 $\textsf{Cost}$は、動的エラー特性を正確に定量化し、驚くべきスケーラビリティを示します。次に,雑音を考慮したCNOTルーティングアルゴリズムNAPermRowColを提案する。重み付きエッジを用いてCNOTゲートエラー率を符号化し、各還元ステップに$\textsf{Cost}$-instructed heuristicsを適用する。 NAPermRowColはAcillary qubitsを使用しず、特定の初期 qubit map に制限されない。ノイズに依存しないアルゴリズムと比較して、様々なNISQハードウェアで合成されたCNOT回路の忠実度を向上させる。ベンチマーク回路とIBMバックエンドの選択により、合成されたCNOT数はROWCOLと比較して56.95 %、PermRowColに比べて21.62 %まで下げられる。これは合成$\textsf{Cost}$をROWCOLと比較して25.71 %、PermRowColと比較して9.12 %まで下げる。我々の手法は、より一般的な量子回路をルーティングするように拡張することができ、NISQデバイスにコンパイルするための強力な新しいツールを提供する。

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