Quantum algorithm implementation interface for single-qubit operations
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
70
Series
Abstract
The desire to construct more complex quantum circuits and to complete advanced algorithms is reliant on the precise control of physical qubits. Currently in the noisy intermediate-scale quantum (NISQ) era, platforms exist, but they are limited by qubit counts, environmental effects, and imperfect gate operations. Errors arising in the systems can propagate and disrupt the fragile system, and they cannot be ignored. Quantum errors must be corrected for reliable and practical applications. Furthermore, the errors must be carefully quantified before any error correction code can be implemented on actual hardware. The process is necessary for upscaling quantum computers beyond the NISQ era. The thesis concentrated on superconducting qubits. Such qubits are thoroughly researched because of their scalability and compatibility with the semiconductor industry. Specifically, the focus of the work was on transmon qubits which are designed to limit charge noise. In this thesis, a connection between the abstraction of single-qubit quantum operations and physical hardware is made. This is achieved by creating a quantum algorithm implementation interface, which was built on a superconducting transmon qubit chip. The access to the hardware was provided by QuantrolOx. The interface was designed with an open source Python library Quantify-scheduler. The interface was used to complete single-qubit experiments and to measure density matrices with quantum state tomography. The fidelities of the density matrices were 96.7 percent on average. Pauli transfer matrices (PTM) were used to quantify errors. PTMs allow for explicit error modeling between each operation and makes it possible to quantify both incoherent and coherent errors. The density matrices are used to construct quantum error channel PTMs. The errors occurring within the gate operations were computed from the channels. The PTM error channel constructions encoded incoherent and coherent errors for all single-qubit gates of interest. Large fluctuations of the measurement results were observed between measurement dates due to system limitations.Tarve monimutkaisille kvanttipiireille ja kehittyneille algoritmeille vaatii fyysisten kubittien tarkkaa hallintaa. Tämän hetkiset kvanttitietokoneet ovat rajoittuneita johtuen vähäisistä kubittien määristä, ympäristön vuorovaikutuksista ja epätäydellisistä porttioperaatioista. Virheet voivat levitä ja häiritä haurasta järjestelmää eikä niitä voi sivuuttaa. Kvanttivirheet on korjattava, jotta laitteet ovat luotettavia ja käytännöllisiä. Virheet on tunnistettava tarkkaan, ennen kuin virhekorjauskoodeja voi toteuttaa. Prosessi on tarpeen, jotta kvanttitietokoneet voivat kehittyä. Tässä työssä käytetty laitteisto perustui suprajohtaviin kubitteihin. Näitä kubitteja on tutkittu paljon, koska ne ovat skaalautuvia ja ovat yhteensopivia puolijohdeteollisuuteen. Tarkkaan ottaen työ keskittyi transmon-kubitteihin, jotka on suunniteltu rajoittamaan varauksista johtuvaa kohinaa. Tässä diplomityössä toteutettiin yhteys abstraktien yhden kubitin kvanttioperaatioiden ja fyysisen laitteiston välillä. Tämä tehtiin luomalla kvanttialgoritmien suoritusrajapintatoteutus suprajohtavan transmon-kubitin sirulle. Pääsyn laitteistolle tarjosi QuantrolOx. Rajapinta suunniteltiin avoimen lähdekoodin Python-kirjasto Quantify-schedulerilla. Rajapintaa hyödynnettiin yhden kubitin kokeisiin ja tiheysmatriisien mittaamiseen kvanttitilatomografialla. Tiheysmatriisirekonstruktiot olivat keskiarvollisesti 96.7 prosenttia tarkkoja. Virheiden tunnistamiseen käytetään Paulin siirtomatriiseja (PTM). PTM mahdollistaa eksplisiittisen virheen tunnistamisen jokaisen operaation välillä sekä koherenttien ja inkoherenttien virheiden tunnistamisen. Tiheysmatriiseja käytettiin kvanttivirhekanavien rakentamiseen. Porttioperaatioissa tapahtuvat virheet tunnistettiin kanavista. PTM:t kuvasivat hyvin koherentteja ja inkoherentteja virheitä. Kuitenkin tulokset vaihtelivat suuresti mittausten välillä systeemin rajoitteista johtuen.Description
Supervisor
Tirkkonen, OlavThesis advisor
Parts, ÜloRuokola, Tomi