Synergetisk kvantefejlreduktion ved randomiseret kompilering og nul-støj-ekstrapolation for den variationelle kvanteegenopløser

Synergetisk kvantefejlreduktion ved randomiseret kompilering og nul-støj-ekstrapolation for den variationelle kvanteegenopløser

Tidsstempel: 20. november 2023 kl. 8

Tomochika Kurita1, Hammam Qassim2, Masatoshi Ishii1, Hirotaka Oshima1, Shintaro Sato1, og Joseph Emerson2

1Quantum Laboratory, Fujitsu Research, Fujitsu Limited. 10-1 Morinosato-wakamiya, Atsugi, Kanagawa, Japan 243-0197
2Keysight Technologies Canada, 137 Glasgow St, Kitchener, ON, Canada, N2G 4X8

Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Vi foreslår en kvantefejlreduktionsstrategi for den variationelle kvanteegenopløser (VQE) algoritme. Vi finder, via numerisk simulering, at meget små mængder kohærent støj i VQE kan forårsage væsentligt store fejl, som er svære at undertrykke med konventionelle afbødningsmetoder, og alligevel er vores foreslåede afbødningsstrategi i stand til at reducere disse fejl betydeligt. Den foreslåede strategi er en kombination af tidligere rapporterede teknikker, nemlig randomiseret kompilering (RC) og nul-støj ekstrapolation (ZNE). Intuitivt forvandler randomiseret kompilering kohærente fejl i kredsløbet til stokastiske Pauli-fejl, hvilket letter ekstrapolering til nul-støjgrænsen ved evaluering af omkostningsfunktionen. Vores numeriske simulering af VQE for små molekyler viser, at den foreslåede strategi kan afbøde energifejl induceret af forskellige typer kohærent støj med op til to størrelsesordener.

Synergetisk dæmpning af kvantefejl ved randomiseret kompilering og nul-støj-ekstrapolation for den variationelle kvanteegenopløser PlatoBlockchain Data Intelligence. Lodret søgning. Ai.

Populært resumé

Når vi udfører kvanteberegninger, er det afgørende at minimere beregningsfejl induceret af hardwarestøj. For støjende intermediate-scale quantum (NISQ) hardware kan kvantefejlreduktionsteknikker anvendes til at reducere sådanne fejl. Håndtering af sammenhængende støj er dog fortsat en betydelig udfordring i fejlreduktion af to årsager: (i) selv en lille mængde sammenhængende støj kan resultere i væsentlige beregningsfejl, og (ii) disse fejl er vanskelige at afbøde ved hjælp af eksisterende teknikker.
I dette arbejde foreslår vi en fejlreduktionsteknik, der effektivt reducerer fejl induceret af sammenhængende støj. Denne teknik udnytter synergetisk effekt af randomiseret kompilering (RC) og nul-støj ekstrapolation (ZNE). RC konverterer kohærent støj til stokastisk Pauli-støj, som effektivt kan afbødes ved hjælp af ZNE. Vores numeriske simuleringer på variationelle kvanteegenopløseralgoritmer viser, at vores foreslåede afbødningsteknik udviser en signifikant fejlundertrykkende effekt mod kohærent støj.

► BibTeX-data

► Referencer

[1] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin og Xiao Yuan. "Kvanteberegningskemi". Anmeldelser af Modern Physics 92, 015003 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.92.015003

[2] Hari P Paudel, Madhava Syamlal, Scott E Crawford, Yueh-Lin Lee, Roman A Shugayev, Ping Lu, Paul R Ohodnicki, Darren Mollot og Yuhua Duan. "Kvanteberegning og simuleringer til energiapplikationer: gennemgang og perspektiv". ACS Engineering Au 2, 151-196 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acsengineeringau.1c00033

[3] Julia E Rice, Tanvi P Gujarati, Mario Motta, Tyler Y Takeshita, Eunseok Lee, Joseph A Latone og Jeannette M Garcia. "Kvanteberegning af dominerende produkter i lithium-svovl-batterier". The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1063/​5.0044068

[4] Austin G Fowler, Matteo Mariantoni, John M Martinis og Andrew N Cleland. "Overfladekoder: Mod praktisk storskala kvanteberegning". Fysisk anmeldelse A 86, 032324 (2012).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.86.032324

[5] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J Love, Alán Aspuru-Guzik og Jeremy L O'brien. "En variabel egenværdiopløser på en fotonisk kvanteprocessor". Naturkommunikation 5, 4213 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms5213

[6] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush og Alán Aspuru-Guzik. "Teorien om variationelle hybride kvante-klassiske algoritmer". New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

[7] Peter JJ O'Malley, Ryan Babbush, Ian D Kivlichan, Jonathan Romero, Jarrod R McClean, Rami Barends, Julian Kelly, Pedram Roushan, Andrew Tranter, Nan Ding, et al. "Skalerbar kvantesimulering af molekylære energier". Fysisk gennemgang X 6, 031007 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.6.031007

[8] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry M Chow og Jay M Gambetta. "Hardwareeffektiv variationskvanteegenopløser til små molekyler og kvantemagneter". Nature 549, 242-246 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1038/​nature23879

[9] James I Colless, Vinay V Ramasesh, Dar Dahlen, Machiel S Blok, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jarrod R McClean, Jonathan Carter, Wibe A de Jong og Irfan Siddiqi. "Beregning af molekylære spektre på en kvanteprocessor med en fejlresilient algoritme". Fysisk gennemgang X 8, 011021 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.8.011021

[10] Abhinav Kandala, Kristan Temme, Antonio D Córcoles, Antonio Mezzacapo, Jerry M Chow og Jay M Gambetta. "Fejlreduktion udvider den beregningsmæssige rækkevidde af en støjende kvanteprocessor". Nature 567, 491-495 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[11] Yangchao Shen, Xiang Zhang, Shuaining Zhang, Jing-Ning Zhang, Man-Hong Yung og Kihwan Kim. "Kvanteimplementering af den enhedskoblede klynge til simulering af molekylær elektronisk struktur". Fysisk anmeldelse A 95, 020501 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.020501

[12] Yunseong Nam, Jwo-Sy Chen, Neal C Pisenti, Kenneth Wright, Conor Delaney, Dmitri Maslov, Kenneth R Brown, Stewart Allen, Jason M Amini, Joel Apisdorf, et al. "Ground-state energi estimering af vandmolekylet på en fanget-ion kvantecomputer". npj Quantum Information 6, 33 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0259-3

[13] Jarrod R McClean, Sergio Boixo, Vadim N Smelyanskiy, Ryan Babbush og Hartmut Neven. "Ufrugtbare plateauer i quantum neurale netværk træningslandskaber". Naturkommunikation 9, 4812 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-07090-4

[14] Jules Tilly, Hongxiang Chen, Shuxiang Cao, Dario Picozzi, Kanav Setia, Ying Li, Edward Grant, Leonard Wossnig, Ivan Rungger, George H Booth, et al. "The Variational Quantum Eigensolver: En gennemgang af metoder og bedste praksis". Physics Reports 986, 1-128 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.physrep.2022.08.003

[15] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin og Xiao Yuan. "Hybride kvante-klassiske algoritmer og kvantefejlreduktion". Journal of the Physical Society of Japan 90, 032001 (2021).
https://​/​doi.org/​10.7566/​JPSJ.90.032001

[16] Ying Li og Simon C Benjamin. "Effektiv Variationskvantesimulator med aktiv fejlminimering". Fysisk gennemgang X 7, 021050 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.7.021050

[17] Kristan Temme, Sergey Bravyi og Jay M Gambetta. "Fejlreduktion for kortdybdende kvantekredsløb". Physical review letters 119, 180509 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.119.180509

[18] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A de Jong og Christian W Bauer. "Nul-støj-ekstrapolation til dæmpning af kvante-gate-fejl med identitetsindsættelser". Fysisk anmeldelse A 102, 012426 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.102.012426

[19] Shuaining Zhang, Yao Lu, Kuan Zhang, Wentao Chen, Ying Li, Jing-Ning Zhang og Kihwan Kim. "Fejldæmpede kvanteporte, der overstiger fysiske troskaber i et fanget-ion-system". Naturkommunikation 11, 587 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-14376-z

[20] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter og Wibe A De Jong. "Hybrid kvante-klassisk hierarki til afbødning af dekohærens og bestemmelse af exciterede tilstande". Fysisk anmeldelse A 95, 042308 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.042308

[21] Joel J Wallman og Joseph Emerson. "Støjtilpasning til skalerbar kvanteberegning via randomiseret kompilering". Fysisk anmeldelse A 94, 052325 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.94.052325

[22] Akel Hashim, Ravi K Naik, Alexis Morvan, Jean-Loup Ville, Bradley Mitchell, John Mark Kreikebaum, Marc Davis, Ethan Smith, Costin Iancu, Kevin P O'Brien, et al. "Randomiseret kompilering til skalerbar kvanteberegning på en støjende superledende kvanteprocessor". Fysisk gennemgang X 11, 041039 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.11.041039

[23] Jean-Loup Ville, Alexis Morvan, Akel Hashim, Ravi K Naik, Marie Lu, Bradley Mitchell, John-Mark Kreikebaum, Kevin P O'Brien, Joel J Wallman, Ian Hincks, et al. "Udnyttelse af randomiseret kompilering til kvante-imaginær-tids-evolution-algoritmen". Physical Review Research 4, 033140 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.4.033140

[24] Youngseok Kim, Christopher J Wood, Theodore J Yoder, Seth T Merkel, Jay M Gambetta, Kristan Temme og Abhinav Kandala. "Skalerbar fejlreduktion for støjende kvantekredsløb producerer konkurrencedygtige forventningsværdier". Nature Physics 19, 752-759 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[25] Chao Song, Jing Cui, H Wang, J Hao, H Feng og Ying Li. "Kvanteberegning med universel fejlreduktion på en superledende kvanteprocessor". Science advances 5, eaaw5686 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.aaw5686

[26] Matthew Ware, Guilhem Ribeill, Diego Riste, Colm A Ryan, Blake Johnson og Marcus P Da Silva. "Eksperimentel Pauli-ramme randomisering på en superledende qubit". Physical Review A 103, 042604 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.103.042604

[27] Samuele Ferracin, Akel Hashim, Jean-Loup Ville, Ravi Naik, Arnaud Carignan-Dugas, Hammam Qassim, Alexis Morvan, David I Santiago, Irfan Siddiqi og Joel J Wallman. "Effektiv forbedring af ydeevnen af ​​støjende kvantecomputere" (2022). arXiv:2201.10672.
arXiv: 2201.10672

[28] Nick S Blunt, Laura Caune, Róbert Izsák, Earl T Campbell og Nicole Holzmann. "Statistisk faseestimering og fejlreduktion på en superledende kvanteprocessor" (2023). arXiv:2304.05126.
arXiv: 2304.05126

[29] Samson Wang, Enrico Fontana, Marco Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio og Patrick J Coles. "Støj-inducerede golde plateauer i variationskvantealgoritmer". Naturkommunikation 12, 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] Michael A Nielsen og Isaac Chuang. "Kvanteberegning og kvanteinformation". Cambridge University Press. (2002).
https://​/​doi.org/​10.1017/​CBO9780511976667

[31] Seunghoon Lee, Joonho Lee, Huanchen Zhai, Yu Tong, Alexander M Dalzell, Ashutosh Kumar, Phillip Helms, Johnnie Gray, Zhi-Hao Cui, Wenyuan Liu, et al. "Evaluering af beviserne for eksponentiel kvantefordel i grundtilstands kvantekemi". Naturformidling 14, 1952 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-023-37587-6

[32] Jérôme F Gonthier, Maxwell D Radin, Corneliu Buda, Eric J Doskocil, Clena M Abuan og Jhonathan Romero. "Målinger som en vejspærring til praktisk kvantefordel på kort sigt i kemi: Ressourceanalyse". Physical Review Research 4, 033154 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.4.033154

[33] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell og Stephen Brierley. "Effektiv kvantemåling af Pauli-operatører ved tilstedeværelse af endelig prøvetagningsfejl". Quantum 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[34] Tomochika Kurita, Mikio Morita, Hirotaka Oshima og Shintaro Sato. "Pauli String Partitioning Algorithm med Ising-modellen til samtidig måling". The Journal of Physical Chemistry A 127, 1068–1080 (2023).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acs.jpca.2c06453

[35] Stefanie J. Beale, Arnaud Carignan-Dugas, Dar Dahlen, Joseph Emerson, Ian Hincks, Pavithran Iyer, Aditya Jain, David Hufnagel, Egor Ospadov, Hammam Qassim, et al. "True-Q software. Keysight Technologies”. url: trueq.quantumbenchmark.com.
https://​/​trueq.quantumbenchmark.com

[36] Pauli Virtanen, Ralf Gommers, Travis E. Oliphant, Matt Haberland, Tyler Reddy, David Cournapeau, Evgeni Burovski, Pearu Peterson, Warren Weckesser, Jonathan Bright, et al. "SciPy 1.0: Grundlæggende algoritmer til videnskabelig databehandling i Python". Nature Methods 17, 261-272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] Michael JD Powell. "BOBYQA-algoritmen til bundet begrænset optimering uden derivater". Teknisk rapport. University of Cambridge, Cambridge (2009). url: 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] Jarrod R. McClean, Ian D. Kivlichan, Damian S. Steiger, Yudong Cao, E. Schuyler Fried, Craig Gidney, Thomas Häner, Vojtĕch Havlíček, Zhang Jiang, Matthew Neeley, et al. "OpenFermion: Den elektroniske strukturpakke til kvantecomputere" (2017). arXiv:1710.07629.
arXiv: 1710.07629

[39] Ewout van den Berg, Zlatko K Minev, Abhinav Kandala og Kristan Temme. "Probabilistisk fejlannullering med sparsomme Pauli-Lindblad-modeller på støjende kvanteprocessorer". Nature Physics 19, 1116-1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

Citeret af

[1] Ritajit Majumdar, Pedro Rivero, Friederike Metz, Areeq Hasan og Derek S Wang, "Bedste praksis for dæmpning af kvantefejl med digital nul-støj-ekstrapolation", arXiv: 2307.05203, (2023).

[2] Arnaud Carignan-Dugas, Shashank Kumar Ranu og Patrick Dreher, "Estimating Coherent Contributions to the Error Profile Using Cycle Error Reconstruction", arXiv: 2303.09945, (2023).

[3] Hugo Perrin, Thibault Scoquart, Alexander Shnirman, Jörg Schmalian og Kyrylo Snizhko, "Afhjælpning af krydstalefejl ved randomiseret kompilering: Simulering af BCS-modellen på en superledende kvantecomputer", arXiv: 2305.02345, (2023).

[4] ChangWon Lee og Daniel K. Park, "Scalable quantum measurement error mitigation via conditional independence and transfer learning", arXiv: 2308.00320, (2023).

Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2023-11-20 13:58:16). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.

Kunne ikke hente Crossref citeret af data under sidste forsøg 2023-11-20 13:58:14: Kunne ikke hente citerede data for 10.22331/q-2023-11-20-1184 fra Crossref. Dette er normalt, hvis DOI blev registreret for nylig.

Dette papir er udgivet i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Ophavsretten forbliver hos de originale copyright-indehavere, såsom forfatterne eller deres institutioner.

Tidsstempel:

Mere fra Quantum Journal