論文の概要: Randomized Benchmarking with Synthetic Quantum Circuits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.18578v1
• Date: Tue, 24 Dec 2024 18:10:00 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-12-25 15:54:37.903074
• Title: Randomized Benchmarking with Synthetic Quantum Circuits
• Title（参考訳）: 合成量子回路を用いたランダムベンチマーク
• Authors: Yale Fan, Riley Murray, Thaddeus D. Ladd, Kevin Young, Robin Blume-Kohout,
• Abstract要約: 我々はRandomized benchmarking(RB)のサンプル効率を高めるための広範なフレームワークを紹介する。 我々の戦略は、任意のベンチマークグループに適用され、入力データと出力データの古典的な後処理を伴う「合成」量子回路を使用する。 実験的な高スピン系の場合,合成RBプロトコルは回転不変誤差率の測定の複雑さを低減できることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.471858286267785
• License:
• Abstract: Randomized benchmarking (RB) comprises a set of mature and widely used techniques for assessing the quality of operations on a quantum information-processing system. Modern RB protocols for multiqubit systems extract physically relevant error rates by exploiting the structure of the group representation generated by the set of benchmarked operations. However, existing techniques become prohibitively inefficient for representations that are highly reducible yet decompose into irreducible subspaces of high dimension. These situations prevail when benchmarking high-dimensional systems such as qudits or bosonic modes, where experimental control is limited to implementing a small subset of all possible unitary operations. In this work, we introduce a broad framework for enhancing the sample efficiency of RB that is sufficiently powerful to extend the practical reach of RB beyond the multiqubit setting. Our strategy, which applies to any benchmarking group, uses "synthetic" quantum circuits with classical post-processing of both input and output data to leverage the full structure of reducible superoperator representations. To demonstrate the efficacy of our approach, we develop a detailed theory of RB for systems with rotational symmetry. Such systems carry a natural action of the group $\text{SU}(2)$, and they form the basis for several novel quantum error-correcting codes. We show that, for experimentally accessible high-spin systems, synthetic RB protocols can reduce the complexity of measuring rotationally invariant error rates by more than two orders of magnitude relative to standard approaches such as character RB.
• Abstract（参考訳）: ランダム化ベンチマーク(Randomized benchmarking, RB)は、量子情報処理システムにおける演算の質を評価するための、成熟した、広く使われている一連の技術である。 マルチキュービットシステムのための最新のRBプロトコルは、ベンチマークされた演算の集合によって生成される群表現の構造を利用して、物理的に関連するエラー率を抽出する。 しかし、既存の手法は、高度に再現可能でありながら高次元の既約部分空間に分解される表現に対して、違法に非効率になる。 これらの状況は、クォーディットやボソニックモードのような高次元のシステムをベンチマークする場合、実験的な制御は可能なすべてのユニタリ演算の小さなサブセットを実装することに限定される。 本研究では,マルチビット環境を超えてRBの実用的リーチを拡張するのに十分なパワーを持つRBの試料効率を高めるための広範なフレームワークを提案する。 我々の戦略は、どのベンチマークグループにも当てはまるが、計算可能な超演算表現の完全な構造を利用するために、入力データと出力データの古典的な後処理を伴う「合成」量子回路を用いる。 提案手法の有効性を示すため,回転対称性を持つ系に対するRBの詳細な理論を開発した。 そのような系は群 $\text{SU}(2)$ の自然な作用を持ち、いくつかの新しい量子誤り訂正符号の基礎を形成する。 実験的な高スピン系の場合, RBプロトコルは, 文字RBなどの標準手法と比較して, 回転不変誤差率の測定の複雑さを2桁以上低減できることを示す。

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