Supercomputer simulations of transmon quantum computers

Willsch, Dennis; DiVincenzo, David; Michielsen, Kristel Francine

doi:39480

Supercomputer simulations of transmon quantum computers = Supercomputer-Simulationen von Transmon-Quantencomputern

Willsch, Dennis^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dennis Willsch, M.Sc.

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (IX, 237 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Michielsen, Kristel Francine (Thesis advisor)^RWTH* ; DiVincenzo, David (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-07-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-08027
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/795008/files/795008.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
computational physics (frei) ; high-performance computing (frei) ; quantum computing (frei) ; quantum gates (frei) ; quantum information (frei) ; superconducting qubits (frei) ; transmon qubits (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Wir entwickeln einen Simulator für Quantencomputer, die aus supraleitenden Transmon-Qubits bestehen. Das Simulationsmodell unterstützt eine beliebige Anzahl von Transmons und Resonatoren. Quantengatter werden durch zeitabhängige Pulse realisiert. Nicht-triviale Effekte wie Crosstalk, Verlust in nicht rechnerische Zustände, Verschränkung zwischen Transmons und Resonatoren sowie Steuerungsfehler verursacht durch die Pulse sind automatisch miteinbezogen. Die Zeitentwicklung des Quantencomputers wird durch Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung bestimmt. Der Simulationsalgorithmus zeigt ausgezeichnete Skalierbarkeit auf Hochleistungs-Supercomputern. Wir präsentieren Ergebnisse für die Simulation von bis zu 16 Transmons und Resonatoren. Zusätzlich kann das Modell zur Simulation von Umgebungen verwendet werden. Wir demonstrieren den Übergang von einem isolierten System zu einem offenen Quantensystem, das von einer Lindblad-Mastergleichung bestimmt wird. Wir beschreiben außerdem ein Verfahren zur Extraktion von Modellparametern aus elektromagnetischen Simulationen oder Experimenten. Wir vergleichen Simulationsergebnisse mit Experimenten auf mehreren NISQ-Prozessoren der IBM Q Experience. Wir finden eine nahezu perfekte Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment für Quantenschaltungen zur Untersuchung von Crosstalk in Transmon-Systemen. Durch Untersuchung gängiger Gatter-Metriken wie der Fidelity oder der Diamant-Distanz finden wir, dass sie die Leistung von wiederholten Gatteranwendungen oder praktischen Quantenalgorithmen nicht zuverlässig vorhersagen können. Als Alternative finden wir, dass die Ergebnisse einer Zwei-Transmon-Gattermengentomographie eine außergewöhnlich gute Vorhersagekraft aufweisen. Zum Schluss testen wir ein Protokoll aus der Theorie der Quantenfehlerkorrektur und Fehlertoleranz. Wir stellen fest, dass das Protokoll systematisch die Leistung von Transmon-Quantencomputern bei charakteristischen Steuerungs- und Messfehlern verbessert.

We develop a simulator for quantum computers composed of superconducting transmon qubits. The simulation model supports an arbitrary number of transmons and resonators. Quantum gates are implemented by time-dependent pulses. Nontrivial effects such as crosstalk, leakage to non-computational states, entanglement between transmons and resonators, and control errors due to the pulses are inherently included. The time evolution of the quantum computer is obtained by solving the time-dependent Schrödinger equation. The simulation algorithm shows excellent scalability on high-performance supercomputers. We present results for the simulation of up to 16 transmons and resonators. Additionally, the model can be used to simulate environments, and we demonstrate the transition from an isolated system to an open quantum system governed by a Lindblad master equation. We also describe a procedure to extract model parameters from electromagnetic simulations or experiments. We compare simulation results to experiments on several NISQ processors of the IBM Q Experience. We find nearly perfect agreement between simulation and experiment for quantum circuits designed to probe crosstalk in transmon systems. By studying common gate metrics such as the fidelity or the diamond distance, we find that they cannot reliably predict the performance of repeated gate applications or practical quantum algorithms. As an alternative, we find that the results from two-transmon gate set tomography have an exceptional predictive power. Finally, we test a protocol from the theory of quantum error correction and fault tolerance. We find that the protocol systematically improves the performance of transmon quantum computers in the presence of characteristic control and measurement errors.

OpenAccess:
PDF
(additional files)