Quantum computing has entered the Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) era. Currently, the quantum processors we have are sensitive to environmental variables like radiation and temperature, thus producing noisy outputs. Although many proposed algorithms and applications exist for NISQ processors, we still face uncertainties when interpreting their noisy results. Specifically, how much confidence do we have in the quantum states we are picking as the output? This confidence is important since a NISQ computer will output a probability distribution of its qubit measurements, and it is sometimes hard to distinguish whether the distribution represents meaningful computation or just random noise. This paper presents a novel approach to attack this problem by framing quantum circuit fidelity prediction as a Time Series Forecasting problem, therefore making it possible to utilize the power of Long Short-Term Memory (LSTM) neural networks. A complete workflow to build the training circuit dataset and LSTM architecture is introduced, including an intuitive method of calculating the quantum circuit fidelity. The trained LSTM system, Q-fid, can predict the output fidelity of a quantum circuit running on a specific processor, without the need for any separate input of hardware calibration data or gate error rates. Evaluated on the QASMbench NISQ benchmark suite, Q-fid's prediction achieves an average RMSE of 0.0515, up to 24.7x more accurate than the default Qiskit transpile tool mapomatic. When used to find the high-fidelity circuit layouts from the available circuit transpilations, Q-fid predicts the fidelity for the top 10% layouts with an average RMSE of 0.0252, up to 32.8x more accurate than mapomatic.


翻译:量子计算进入了噪声中间量子(NISQ)时代。目前,我们拥有的量子处理器对环境变量如辐射和温度敏感,从而产生噪声输出。 虽然存在许多针对NISQ处理器的算法和应用程序,但我们仍然在解释它们的噪声结果时面临不确定性。具体来说,我们选择的量子态输出有多大的置信度是重要的,因为NISQ计算机将输出其量子比特测量的概率分布,有时很难区分该分布是否表示有意义的计算或仅是随机噪声。 本文提出了一种新颖的方法,将量子电路保真度预测作为时间序列预测问题来解决,因此可以利用长短期记忆(LSTM)神经网络的威力。介绍了构建训练电路数据集和LSTM架构的完整工作流程,包括一种直观的计算量子电路保真度的方法。经过训练的LSTM系统Q-fid,可以预测在特定处理器上运行的量子电路的输出保真度,无需任何独立的硬件校准数据或门错误率的输入。在QASMbench NISQ基准套件上进行评估,Q-fid的预测平均RMSE为0.0515,比默认的Qiskit transpile工具mapomatic准确多达24.7倍。当用于查找可用电路转移时的高保真度电路布局时,Q-fid预测了前10%的布局的保真度,其平均RMSE为0.0252,比mapomatic准确率高达32.8倍。

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