تخفيف الخطأ الكمي التآزري عن طريق التجميع العشوائي واستقراء الضوضاء الصفرية لمحلول eigensolver الكمي المتغير

تخفيف الخطأ الكمي التآزري عن طريق التجميع العشوائي واستقراء الضوضاء الصفرية لمحلول eigensolver الكمي المتغير

توموتشيكا كوريتا1، همام قاسم2ماساتوشي إيشي1هيروتاكا أوشيما1، شينتارو ساتو1وجوزيف إيمرسون2

1مختبر الكم، أبحاث فوجيتسو، فوجيتسو المحدودة. 10-1 مورينوساتو-واكاميا، أتسوجي، كاناغاوا، اليابان 243-0197
2Keysight Technologies Canada, 137 Glasgow St, كيتشنر, ON, كندا, N2G 4X8

تجد هذه الورقة مثيرة للاهتمام أو ترغب في مناقشة؟ Scite أو ترك تعليق على SciRate.

ملخص

نقترح استراتيجية لتخفيف الخطأ الكمي لخوارزمية eigensolver الكم المتغيرة (VQE). لقد وجدنا، من خلال المحاكاة العددية، أن الكميات الصغيرة جدًا من الضوضاء المتماسكة في VQE يمكن أن تسبب أخطاء كبيرة إلى حد كبير يصعب قمعها بطرق التخفيف التقليدية، ومع ذلك فإن استراتيجية التخفيف المقترحة لدينا قادرة على تقليل هذه الأخطاء بشكل كبير. الإستراتيجية المقترحة عبارة عن مزيج من التقنيات التي تم الإبلاغ عنها مسبقًا، وهي التجميع العشوائي (RC) والاستقراء الصفري (ZNE). بشكل حدسي، يقوم التجميع العشوائي بتحويل الأخطاء المتماسكة في الدائرة إلى أخطاء باولي العشوائية، مما يسهل الاستقراء إلى حد الصفر عند تقييم دالة التكلفة. تُظهر محاكاةنا العددية لـ VQE للجزيئات الصغيرة أن الإستراتيجية المقترحة يمكن أن تخفف من أخطاء الطاقة الناجمة عن أنواع مختلفة من الضوضاء المتماسكة بما يصل إلى أمرين من حيث الحجم.

عندما نقوم بتنفيذ الحسابات الكمومية، من المهم تقليل الأخطاء الحسابية الناجمة عن ضجيج الأجهزة. بالنسبة للأجهزة الكمومية المتوسطة الحجم (NISQ) الصاخبة، يمكن استخدام تقنيات تخفيف الأخطاء الكمومية لتقليل مثل هذه الأخطاء. ومع ذلك، تظل معالجة الضوضاء المتماسكة تحديًا كبيرًا في تخفيف الأخطاء لسببين: (XNUMX) حتى كمية صغيرة من الضوضاء المتماسكة يمكن أن تؤدي إلى أخطاء حسابية كبيرة، و(XNUMX) يصعب تخفيف هذه الأخطاء باستخدام التقنيات الحالية.
في هذا العمل، نقترح تقنية تخفيف الأخطاء التي تقلل بشكل فعال الأخطاء الناجمة عن الضوضاء المتماسكة. تستخدم هذه التقنية التأثير التآزري للتجميع العشوائي (RC) والاستقراء الصفري (ZNE). يقوم RC بتحويل الضوضاء المتماسكة إلى ضوضاء باولي العشوائية، والتي يمكن تخفيفها بشكل فعال باستخدام ZNE. توضح عمليات المحاكاة العددية لدينا على خوارزميات eigensolver الكمومية المتغيرة أن تقنية التخفيف المقترحة لدينا تظهر تأثيرًا كبيرًا في قمع الأخطاء ضد الضوضاء المتماسكة.

► بيانات BibTeX

ferences المراجع

[1] سام مكاردل، سوجورو إندو، آلان أسبورو جوزيك، سيمون سي بنيامين، وشياو يوان. “الكيمياء الحسابية الكم”. تقييمات الفيزياء الحديثة 92، 015003 (2020).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003

[2] هاري بي بوديل، مادهافا سياملال، سكوت إي كروفورد، يويه لين لي، رومان إيه شوجاييف، بينج لو، بول آر أوهودنيكي، دارين مولوت، ويوهوا دوان. “الحوسبة الكمومية والمحاكاة لتطبيقات الطاقة: مراجعة ومنظور”. هندسة ACS Au 2, 151–196 (2022).
https://​/doi.org/10.1021/acsengineeringau.1c00033

[3] جوليا إي رايس ، تانفي بي غوجاراتي ، ماريو موتا ، تايلر واي تاكيشيتا ، أونسيوك لي ، جوزيف لاتون ، وجانيت إم جارسيا. "الحساب الكمي للمنتجات السائدة في بطاريات الليثيوم والكبريت". مجلة الفيزياء الكيميائية 154 ، 134115 (2021).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068

[4] أوستن جي فاولر، ماتيو ماريانتوني، جون إم مارتينيس، وأندرو إن كليلاند. “الرموز السطحية: نحو حساب كمي عملي واسع النطاق”. المراجعة البدنية أ 86، 032324 (2012).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[5] ألبرتو بيروزو ، وجارود ماكلين ، وبيتر شادبولت ، ومان هونغ يونغ ، وشياو تشي زو ، وبيتر جي لوف ، وآلان أسبورو-جوزيك ، وجيريمي إل أوبراين. "محلل القيمة الذاتية المتغير على معالج كمومي ضوئي". اتصالات الطبيعة 5 ، 4213 (2014).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[6] جارود آر ماكلين ، وجوناثان روميرو ، ورايان بابوش ، وآلان أسبورو-جوزيك. "نظرية الخوارزميات الكمومية المتغيرة الهجينة الكلاسيكية". مجلة جديدة للفيزياء 18 ، 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

[7] بيتر جي جي أومالي، ريان بابوش، إيان دي كيفليتشان، جوناثان روميرو، جارود آر ماكلين، رامي باريندز، جوليان كيلي، بيدرام روشان، أندرو ترانتر، نان دينغ، وآخرون. “المحاكاة الكمومية القابلة للتطوير للطاقات الجزيئية”. المراجعة البدنية X 6، 031007 (2016).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.031007

[8] أبهيناف كاندالا ، وأنطونيو ميزاكابو ، وكريستان تيم ، ومايكا تاكيتا ، وماركوس برينك ، وجيري إم تشاو ، وجاي إم غامبيتا. "eigensolver الكم المتغير الفعال للأجهزة للجزيئات الصغيرة والمغناطيس الكمومي". Nature 549، 242–246 (2017).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879

[9] جيمس كوليس، فيناي في راماسيش، دار داهلين، ماشيل إس بلوك، مولي إي كيمتشي شوارتز، جارود آر ماكلين، جوناثان كارتر، ويبي إيه دي يونج، وإيرفان صديقي. “حساب الأطياف الجزيئية على معالج كمي باستخدام خوارزمية مقاومة الأخطاء”. المراجعة البدنية X 8، 011021 (2018).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.011021

[10] أبهيناف كاندالا، وكريستان تيمي، وأنطونيو دي كوركوليس، وأنطونيو ميزاكابو، وجيري إم تشاو، وجاي إم غامبيتا. "تخفيف الأخطاء يوسع المدى الحسابي للمعالج الكمي الصاخب". طبيعة 567، 491-495 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[11] يانغشاو شين، شيانغ تشانغ، شواينينغ تشانغ، جينغ نينغ تشانغ، مان هونغ يونغ، وكيهوان كيم. "التنفيذ الكمي للكتلة المزدوجة الوحدوية لمحاكاة البنية الإلكترونية الجزيئية". المراجعة البدنية أ 95، 020501 (2017).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.020501

[12] يونسيونج نام، جو-سي تشين، نيل سي بيسينتي، كينيث رايت، كونور ديلاني، دميتري ماسلوف، كينيث آر براون، ستيوارت ألين، جيسون إم أميني، جويل أبيسدورف، وآخرون. “تقدير طاقة الحالة الأرضية لجزيء الماء على كمبيوتر كمي محصور بالأيونات”. npj معلومات الكم 6، 33 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0259-3

[13] جارود آر ماكلين ، وسيرجيو بويكسو ، وفاديم ن سميليانسكي ، وريان بابوش ، وهارتموت نيفين. "الهضاب القاحلة في المناظر الطبيعية للتدريب على الشبكة العصبية الكمومية". اتصالات الطبيعة 9 ، 4812 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-07090-4

[14] جول تيلي، هونجكسيانج تشن، شوشيانج كاو، داريو بيكوزي، كاناف سيتيا، ينج لي، إدوارد جرانت، ليونارد ووسنيج، إيفان رونجر، جورج إتش بوث، وآخرون. “The Variational Quantum Eigensolver: مراجعة للطرق وأفضل الممارسات”. تقارير الفيزياء 986، 1-128 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.08.003

[15] سوجورو إندو، زينيو كاي، سيمون سي بنيامين، وشياو يوان. “الخوارزميات الكلاسيكية الكمومية الهجينة وتخفيف الأخطاء الكمومية”. مجلة الجمعية الفيزيائية اليابانية 90، 032001 (2021).
الشبكي: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001

[16] ينغ لي وسيمون سي بنيامين. “محاكي الكم المتغير الفعال الذي يتضمن تقليل الأخطاء النشطة”. المراجعة البدنية X 7، 021050 (2017).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[17] كريستان تيمي، وسيرجي برافي، وجاي إم غامبيتا. “تخفيف الأخطاء في الدوائر الكمومية قصيرة العمق”. رسائل المراجعة البدنية 119، 180509 (2017).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[18] أندريه، وبنجامين نحمان، ويبي دي يونج، وكريستيان دبليو باور. “استقراء صفر الضوضاء لتخفيف خطأ البوابة الكمومية مع إدراج الهوية”. المراجعة البدنية أ 102، 012426 (2020).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.012426

[19] شوينينغ تشانغ، وياو لو، وكوان تشانغ، ووينتاو تشين، ويينغ لي، وجينغ نينغ تشانغ، وكيهوان كيم. “البوابات الكمومية المخففة للخطأ تتجاوز الإخلاصات المادية في نظام الأيونات المحاصرة”. اتصالات الطبيعة 11، 587 (2020).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376 زي

[20] جارود آر ماكلين ومولي إي كيمتشي شوارتز وجوناثان كارتر وويب أ دي جونج. "التسلسل الهرمي الكمي الكلاسيكي للتخفيف من فك الترابط وتحديد الحالات المثارة". مراجعة البدنية أ 95 ، 042308 (2017).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[21] جويل جيه والمان وجوزيف إيمرسون. “خياطة الضوضاء للحساب الكمي القابل للتطوير عبر التجميع العشوائي”. المراجعة البدنية أ 94، 052325 (2016).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.052325

[22] عقل هاشم، رافي ك نايك، أليكسيس مورفان، جان لوب فيل، برادلي ميتشل، جون مارك كريكباوم، مارك ديفيس، إيثان سميث، كوستين إيانكو، كيفن بي أوبراين، وآخرون. “التجميع العشوائي للحوسبة الكمومية القابلة للتطوير على معالج كمي فائق التوصيل صاخب”. المراجعة البدنية X 11، 041039 (2021).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.041039

[23] جان لوب فيل، أليكسيس مورفان، عقل هاشم، رافي ك نايك، ماري لو، برادلي ميتشل، جون مارك كريكباوم، كيفن بي أوبراين، جويل جيه ولمان، إيان هينكس، وآخرون. “الاستفادة من التجميع العشوائي لخوارزمية تطور الزمن التخيلي الكمي”. أبحاث المراجعة الفيزيائية 4، 033140 (2021).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033140

[24] يونجسوك كيم، وكريستوفر جيه وود، وتيودور جيه يودر، وسيث تي ميركل، وجاي إم غامبيتا، وكريستان تيمي، وأبيناف كاندالا. “إن تخفيف الأخطاء القابلة للتطوير للدوائر الكمومية الصاخبة ينتج قيم توقعات تنافسية”. فيزياء الطبيعة 19، 752-759 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[25] تشاو سونغ، وجينغ كوي، وإتش وانغ، وجي هاو، وإتش فنغ، ويينغ لي. “الحساب الكمي مع تخفيف الأخطاء العالمية على معالج كمي فائق التوصيل”. تقدم العلوم 5، eaaw5686 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[26] ماثيو وير، وجيليم ريبيل، ودييجو ريست، وكولم إيه رايان، وبليك جونسون، وماركوس بي دا سيلفا. “العشوائية التجريبية لإطار باولي على الكيوبت فائق التوصيل”. المراجعة البدنية أ 103، 042604 (2021).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.042604

[27] صامويل فيراسين، عقل هاشم، جان لوب فيل، رافي نايك، أرنو كارينان دوغاس، همام قاسم، أليكسيس مورفان، ديفيد الأول سانتياغو، عرفان صديقي، وجويل جيه والمان. "تحسين أداء أجهزة الكمبيوتر الكمومية المزعجة بكفاءة" (2022). أرخايف:2201.10672.
أرخايف: 2201.10672

[28] نيك إس بلانت، ولورا كاون، وروبرت إسحق، وإيرل تي كامبل، ونيكول هولزمان. "تقدير المرحلة الإحصائية وتخفيف الأخطاء في معالج كمي فائق التوصيل" (2023). أرخايف:2304.05126.
أرخايف: 2304.05126

[29] سامسون وانغ، وإنريكو فونتانا، وماركو سيريزو، وكونال شارما، وأكيرا سون، ولوكاس سينسيو، وباتريك جيه كولز. “الهضاب القاحلة الناجمة عن الضوضاء في خوارزميات الكم المتغيرة”. اتصالات الطبيعة 12، 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] مايكل نيلسن وإسحاق تشوانغ. “الحساب الكمي والمعلومات الكمومية”. صحافة جامعة كامبرج. (2002).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[31] سيونغهون لي، جونهو لي، هوانشن تشاي، يو تونغ، ألكسندر إم دالزيل، أشوتوش كومار، فيليب هيلمز، جوني غراي، تشي هاو كوي، وينيوان ليو، وآخرون. “تقييم الأدلة على الميزة الكمومية الأسية في كيمياء الكم في الحالة الأرضية”. اتصالات الطبيعة 14، 1952 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-023-37587-6

[32] جيروم إف جونتييه، وماكسويل دي رادين، وكورنيليو بودا، وإريك جيه دوسكوسيل، وكلينا إم أبوان، وجوناثان روميرو. “القياسات كعائق أمام الميزة الكمية العملية على المدى القريب في الكيمياء: تحليل الموارد”. أبحاث المراجعة الفيزيائية 4، 033154 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033154

[33] أوفيليا كروفورد ، بارنابي فان ستراتن ، داوشين وانج ، توماس باركس ، إيرل كامبل ، وستيفن بريرلي. "القياس الكمي الفعال لمشغلي باولي في وجود خطأ محدود في أخذ العينات". الكم 5 ، 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[34] توموتشيكا كوريتا، ميكيو موريتا، هيروتاكا أوشيما، وشينتارو ساتو. “خوارزمية تقسيم سلسلة باولي مع نموذج Ising للقياس المتزامن”. مجلة الكيمياء الفيزيائية أ 127، 1068-1080 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jpca.2c06453

[35] ستيفاني جيه بيل، أرنو كارينيان دوغاس، دار داهلين، جوزيف إيمرسون، إيان هينكس، بافيثران آير، أديتيا جاين، ديفيد هوفناجل، إيجور أوبادوف، همام قاسم، وآخرون. "برنامج True-Q. تقنيات Keysight “. عنوان URL: trueq.quantumbenchmark.com.
https://​/trueq.quantumbenchmark.com

[36] باولي فيرتانين، رالف جومرز، ترافيس إي. أوليفانت، مات هابرلاند، تايلر ريدي، ديفيد كورنابو، إيفجيني بوروفسكي، بيرو بيترسون، وارن ويكيسر، جوناثان برايت، وآخرون. “SciPy 1.0: الخوارزميات الأساسية للحوسبة العلمية في بايثون”. طرق الطبيعة 17، 261-272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] مايكل جي دي باول. "خوارزمية BOBYQA للتحسين المقيد بدون مشتقات". تقرير تقني. جامعة كامبريدج، كامبريدج (2009). رابط: www.damtp.cam.ac.uk/user/na/NA_papers/NA2009_06.pdf.
https: / / www.damtp.cam.ac.uk/ user / na / NA_papers / NA2009_06.pdf

[38] جارود ر. ماكلين، إيان د. كيفليتشان، داميان س. ستيجر، يودونغ كاو، إي. شويلر فرايد، كريج جيدني، توماس هانر، فويتيتش هافليتشك، تشانغ جيانغ، ماثيو نيلي، وآخرون. "OpenFermion: حزمة الهيكل الإلكتروني لأجهزة الكمبيوتر الكمومية" (2017). أرخايف:1710.07629.
أرخايف: 1710.07629

[39] إيوت فان دن بيرج، وزلاتكو ك مينيف، وأبيناف كاندالا، وكريستان تيمي. “إلغاء الخطأ الاحتمالي باستخدام نماذج Pauli-Lindblad المتناثرة على المعالجات الكمومية الصاخبة”. فيزياء الطبيعة 19، 1116-1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

دليلنا يستخدم من قبل

[1] ريتاجيت ماجومدار، بيدرو ريفيرو، فريدريك ميتز، أريك حسن، وديريك إس وانج، "أفضل الممارسات لتخفيف الأخطاء الكمومية من خلال الاستقراء الرقمي الخالي من الضوضاء"، أرخايف: 2307.05203, (2023).

[2] أرنو كاريجنان دوجاس، شاشانك كومار رانو، وباتريك دريهر، "تقدير المساهمات المتماسكة في ملف تعريف الخطأ باستخدام إعادة بناء خطأ الدورة"، أرخايف: 2303.09945, (2023).

[3] هوغو بيرين، ثيبولت سكوارت، ألكسندر شنيرمان، يورغ شماليان، وكيريلو سنيزكو، "التخفيف من أخطاء الحديث المتبادل عن طريق التجميع العشوائي: محاكاة نموذج BCS على كمبيوتر كمي فائق التوصيل"، أرخايف: 2305.02345, (2023).

[4] تشانغوون لي ودانيال ك. بارك، "تخفيف أخطاء قياس الكم القابلة للتطوير من خلال الاستقلال المشروط ونقل التعلم"، أرخايف: 2308.00320, (2023).

الاستشهادات المذكورة أعلاه من إعلانات ساو / ناسا (تم آخر تحديث بنجاح 2023-11-20 13:58:16). قد تكون القائمة غير كاملة نظرًا لأن جميع الناشرين لا يقدمون بيانات اقتباس مناسبة وكاملة.

لا يمكن أن تجلب استشهد تبادل البيانات أثناء آخر محاولة 2023-11-20 13:58:14: لا يمكن جلب البيانات المستشهد بها من 10.22331 / q-2023-11-20-1184 من Crossref. هذا أمر طبيعي إذا تم تسجيل DOI مؤخرًا.

الطابع الزمني:

اكثر من مجلة الكم