Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-11538
Authors: Weber, Jan
Title: An approach for benchmarking quantum computers to determine the executability of quantum circuits
Issue Date: 2021
metadata.ubs.publikation.typ: Abschlussarbeit (Bachelor)
metadata.ubs.publikation.seiten: 47
URI: http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/11555
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-ds-115552
http://dx.doi.org/10.18419/opus-11538
Abstract: Quantum computers in this day and age are characterized by high error rates and their limited amount of qubits. This introduces errors to the execution of quantum circuits. Consequently, quantum computers currently cannot be expected to run arbitrary circuits successfully. In this context, the size of a circuit heavily influences the outcome of the execution, as large circuits are prone to errors. The size of a circuit is defined by w*d where w is its width and d its depth. Metrics can be used to judge the computational power of quantum computers and allow predictions on whether a circuit is expected to run successfully or not. In this thesis, gate-based quantum computers were benchmarked by executing randomized circuits and comparing the results to the quantum simulator’s result. Four different metrics were considered to evaluate whether the quantum computer’s result is too erroneous to consider the benchmark successful or not. After comparing the metrics and discussing possibilities as to how they can be used to evaluate benchmarks, it was decided that the histogram intersection is the most appropriate to use. Using this metric, it is possible to benchmark quantum computers with randomized circuits of different sizes, evaluate the results and use that data to find upper limits on the circuit size. The data in this thesis suggests that, for IBM’s quantum computer imbq_athens, circuits of size w*d <= 20 are expected to return acceptable results while circuits of width equal to 4 or 5 deliver acceptable results for even larger circuits (up to w*d = 40). The framework provided in this thesis is the foundation to determine the metric w*d < k*1/epsilon_eff which will be used in the automated selection of an appropriate quantum computer for a given quantum circuit.
Quantencomputer sind derzeit noch stark durch ihre hohe Fehlerraten und ihre niedrigen Anzahl an Qubits beschränkt. Dies verursacht Fehler bei der Ausführung von Quantenalgorithmen, weswegen man nach aktuellem Stand nicht erwarten kann, dass ein beliebiger Schaltkreis fehlerfrei ausgeführt wird. Die Größe eines Schaltkreises beeinflusst die Genauigkeit des Ergebnisses bedeutsam, wobei größere Schaltkreise wesentlich anfälliger für Fehler sind. Die Größe eines Schaltkreises ist definiert durch w*d, wobei w die Breite und d die Tiefe angibt. Es existieren Metriken, die es erlauben die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern zu bewerten und Vorhersagen zu treffen, ob ein bestimmter Schaltkreis ausführbar ist oder nicht. Für diese Arbeit wurden randomisierte Schaltkreise auf gatter-basierten Quantencomputern ausgeführt und die Ergebnisse mit denen des Quantensimulators verglichen. Um zu bewerten, ob ein Benchmark erfolgreich war oder nicht, wurden vier Metriken in Betracht gezogen. Von diesen Metriken erweist sich die Histogram Intersection Metrik als die beste Methode um die Qualität des Ergebnisses zu bewerten. Mit Hilfe dieser Metrik ist es nun möglich, die Quantencomputer mit randomisierten Schaltkreisen von unterschiedlicher Größe zu benchmarken und die Ergebnisse zu evaluieren, um eine maximal mögliche Schaltkreisgröße zu bestimmen. Für IBMs Quantencomputer imbq_athens ergibt sich bei Schaltkreisen mit geringer Breite von 1 bis 3 eine Größe von w*d <= 20, innerhalb der noch akzeptable Ergebnisse erwartet werden können. Schaltkreise, die 4 oder 5 Qubits nutzen, erlauben sogar Schaltkreise mit einer Größe w*d <= 40. Mit dem bereitgestellten Framework können Benchmarks ausgeführt werden, mit denen die Metrik w*d < k*1/epsilon_eff ermittelt werden kann. Diese Metrik soll bei der automatisierten Auswahl eines passenden Quantencomputers für einen gegebenen Schaltkreis genutzt werden.
Appears in Collections:05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik

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