A time optimization framework for the implementation of robust and low-latency quantum circuits

Abstract

A computação quântica tem chamado a atenção por sua capacidade de resolver problemas computacionais complexos de forma consideravelmente mais rápida do que os computadores clássicos. Apesar das altas expectativas na área, a escalabilidade e o controle de ruído no hardware ainda representam grandes desafios. Erros incoerentes causados pela decoerência restringem o tempo disponível para a execução dos circuitos. Enquanto esforços significativos continuam sendo feitos para aprimorar o hardware quântico e aumentar o tempo de coerência, especialistas em software buscam reduzir a latência dos circuitos para mitigar os efeitos da dissipação. Contudo, no nível de pulsos, portas quânticas rápidas são inerentemente suscetíveis a erros de leakage, o que limita o espaço para otimizações adicionais. Avanços recentes mostraram que técnicas de controle quântico podem aumentar significativamente a robustez dos pulsos de controle contra erros coerentes. No entanto, essas técnicas apresentam um importante compromisso: o aumento da duração dos pulsos. Neste trabalho, propomos uma abordagem alternativa de escalonamento de pulsos que permite o uso combinado de portas rápidas e robustas em um mesmo circuito quântico. Nosso framework de otimização temporal modela o circuito como um grafo de dependências e utiliza os períodos ociosos fora do caminho crítico para implementar, de forma eficiente, portas mais longas e robustas, sem aumento de latência. Experimentos realizados no IBMQ Brisbane mostram que essa abordagem aumenta em mais de 25% a probabilidade de sucesso na execução dos circuitos, com ganhos de desempenho que se ampliam em circuitos maiores e com mais qubits.

Abstract: Quantum computing has garnered attention for its potential to solve complex computational problems considerably more rapidly than classical computing. Despite notable advancements in the field, achieving meaningful scalability and noise control in quantum hardware remains challenging. Incoherent errors caused by decoherence restrict the total computation time, often making it very short. While hardware advancements continue to progress, quantum software specialists seek to minimize quantum circuit latency to mitigate dissipation; however, at the pulse level, fast quantum gates often lead to leakage, leaving minimal room for further optimization. Recent advancements have demonstrated the effectiveness of quantum control techniques in generating quantum gates that are robust to coherent error sources. Nevertheless, these techniques come with a trade-off?extended gate durations. In this work, we introduce an alternative approach to pulse scheduling that enables the use of both fast and robust quantum gates within the same quantum circuit. The time-optimization framework models the quantum circuit as a dependency graph, implements the fastest quantum gates on the critical path, and uses idle periods outside the critical path to optimally implement longer, more robust gates from the gate set, without increasing latency. Experiments conducted on IBMQ Brisbane show that this approach improves the absolute success probability of quantum circuit execution by more than 25%, with performance gains scaling as the number of qubits increases.