Slaget om rene og beskidte qubits i æraen med delvis fejlretning

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Daniel Bultrini^1,2, Samson Wang^1,3, Piotr Czarnik^1,4, Max Hunter Gordon^1,5, M. Cerezo^6,7, Patrick J. Coles^1,7og Lukasz Cincio^1,7

¹Theoretical Division, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA
²Theoretische Chemie, Physikalisch-Chemisches Institut, Universität Heidelberg, INF 229, D-69120 Heidelberg, Tyskland
³Imperial College London, London, Storbritannien
⁴Institut for Teoretisk Fysik, Jagiellonian University, Krakow, Polen.
⁵Instituto de Física Teórica, UAM/CSIC, Universidad Autónoma de Madrid, Madrid 28049, Spanien
⁶Information Sciences, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA
⁷Quantum Science Center, Oak Ridge, TN 37931, USA

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

Abstrakt

Når fejlkorrektion bliver mulig, vil det være nødvendigt at dedikere et stort antal fysiske qubits til hver logisk qubit. Fejlkorrektion giver mulighed for at køre dybere kredsløb, men hver ekstra fysisk qubit kan potentielt bidrage med en eksponentiel stigning i beregningsrummet, så der er en afvejning mellem at bruge qubits til fejlkorrektion eller at bruge dem som støjende qubits. I dette arbejde ser vi på effekterne af at bruge støjende qubits i forbindelse med støjløse qubits (en idealiseret model for fejlkorrigerede qubits), som vi kalder den "rene og beskidte" opsætning. Vi anvender analytiske modeller og numeriske simuleringer til at karakterisere dette setup. Numerisk viser vi udseendet af Noise-Induced Barren Plateau (NIBP'er), dvs. en eksponentiel koncentration af observerbare, forårsaget af støj, i et Ising-model Hamiltonian variations-ansatz-kredsløb. Vi observerer dette, selvom kun en enkelt qubit er støjende og får et dybt nok kredsløb, hvilket tyder på, at NIBP'er ikke kan overvindes fuldstændigt blot ved at fejlkorrigere en delmængde af qubits. På den positive side finder vi, at for hver støjfri qubit i kredsløbet er der en eksponentiel undertrykkelse i koncentrationen af observerbare gradienter, hvilket viser fordelen ved delvis fejlkorrektion. Endelig bekræfter vores analytiske modeller disse resultater ved at vise, at observerbare objekter koncentrerer sig med en skalering i eksponenten relateret til forholdet mellem beskidte og totale qubits.

Kampen om rene og beskidte qubits i æraen med delvis fejlkorrektion PlatoBlockchain Data Intelligence. Lodret søgning. Ai.

Udvalgt billede: Til venstre er der et plot, der viser den gennemsnitlige størrelse af gradienterne af kredsløbet i det indsatte over kredsløbsdybde med forskellige linjer for de forskellige antal snavsede (støjende) og rene (støjfri) qubits i det simulerede system. Der er et klart eksponentielt henfald af den gennemsnitlige størrelse af gradienterne over kredsløbsdybden, som er maksimal, når alle qubits er støjende. Til højre er der et kredsløbsdiagram over, hvordan støjkanalerne $(mathcal N)$ er fordelt rundt om gates $(U)$ i det rene og beskidte setup.

Populært resumé

I en fremtid med fejltolerante kvantecomputere vil en helt ny verden af kvantealgoritmer åbne sig, som kan give fordele i forhold til mange klassiske algoritmer. Dette vil ikke komme uden nogle ofre - antallet af qubits, der kræves for at kode en fejlkorrigeret (eller logisk) qubit vil være stort. Tilføjelse af en enkelt qubit til et system fordobler maskinens tilgængelige beregningsplads, så i dette papir stiller vi spørgsmålet: kan du kombinere fejlkorrigerede qubits med fysiske qubits? Da støj i høj grad hæmmer kvantealgoritmer, kan det måske være fordelagtigt for nogle klasser af algoritmer at kombinere fordelene ved fejlkorrektion med den ekstra Hilbert-plads, som ikke-fejlkorrigerede fysiske qubits giver. Vi nærmer os dette spørgsmål ved hjælp af en tilnærmelse, hvor støjløse qubits træder i stedet for fejlkorrigerede qubits, som vi kalder rene; og de er koblet til støjende fysiske qubits, som vi kalder dirty. Vi viser analytisk og numerisk, at fejl i måling af forventningsværdier er eksponentielt undertrykt for hver støjende qubit, der erstattes med en ren qubit, og at denne adfærd nøje følger, hvad maskinen ville gøre, hvis du havde reduceret fejlraten for en ensartet støjende maskine ved forholdet mellem beskidte qubits og samlede qubits.

► BibTeX-data

@article{Bultrini2023battleofcleandirty, doi = {10.22331/q-2023-07-13-1060}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-07-13-1060}, titel = {Slaget af rene og beskidte qubits i æraen med delvis fejlkorrektion}, forfatter = {Bultrini, Daniel og Wang, Samson og Czarnik, Piotr og Gordon, Max Hunter og Cerezo, M. og Coles, Patrick J. og Cincio, Lukasz}, tidsskrift = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, udgiver = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, bind = {7}, sider = {1060 }, måned = jul, år = {2023} }

► Referencer

[1] Richard P. Feynman. "Simulering af fysik med computere". International Journal of Theoretical Physics 21, 467–488 (1982).
https:///doi.org/10.1007/BF02650179

[2] Laird Egan, Dripto M Debroy, Crystal Noel, Andrew Risinger, Daiwei Zhu, Debopriyo Biswas, Michael Newman, Muyuan Li, Kenneth R Brown, Marko Cetina, et al. "Fejltolerant kontrol af en fejlkorrigeret qubit". Nature 598, 281-286 (2021).
https:///doi.org/10.1038/s41586-021-03928-y

[3] Peter W Shor. "Algorithmer til kvanteberegning: diskrete logaritmer og factoring". In Proceedings 35. årlige symposium om grundlaget for datalogi. Side 124-134. Ieee (1994).
https:///doi.org/10.1109/SFCS.1994.365700

[4] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim og Seth Lloyd. "Kvantealgoritme for lineære ligningssystemer". Physical Review Letters 103, 150502 (2009).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.150502

[5] John Preskill. "Quantum computing i NISQ-æraen og derefter". Quantum 2, 79 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79

[6] M. Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan, Lukasz Cincio og Patrick J. Coles. "Variationelle kvantealgoritmer". Nature Reviews Physics 3, 625-644 (2021).
https://doi.org/10.1038/s42254-021-00348-9

[7] Kishor Bharti, Alba Cervera-Lierta, Thi Ha Kyaw, Tobias Haug, Sumner Alperin-Lea, Abhinav Anand, Matthias Degroote, Hermanni Heimonen, Jakob S Kottmann, Tim Menke, et al. "Støjende mellemskala kvantealgoritmer". Anmeldelser af Modern Physics 94, 015004 (2022).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.94.015004

[8] Jacob Biamonte, Peter Wittek, Nicola Pancotti, Patrick Rebentrost, Nathan Wiebe og Seth Lloyd. "Kvantemaskinelæring". Nature 549, 195-202 (2017).
https:///doi.org/10.1038/nature23474

[9] Michael A. Nielsen og Isaac L. Chuang. "Kvanteberegning og kvanteinformation". Cambridge University Press. Cambridge (2000).
https:///doi.org/10.1017/CBO9780511976667

[10] Dorit Aharonov, Michael Ben-Or, Russell Impagliazzo og Noam Nisan. "Begrænsninger af støjende reversibel beregning" (1996). url: https:///doi.org/10.48550/arXiv.1106.6189.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1106.6189

[11] Michael Ben-Or, Daniel Gottesman og Avinatan Hassidim. "Quantum køleskab" (2013). url: https:///doi.org/10.48550/arXiv.1301.1995.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1301.1995

[12] Daniel Stilck França og Raul Garcia-Patron. "Begrænsninger af optimeringsalgoritmer på støjende kvanteenheder". Nature Physics 17, 1221-1227 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41567-021-01356-3

[13] Samson Wang, Enrico Fontana, M. Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio og Patrick J Coles. "Støj-inducerede golde plateauer i variationskvantealgoritmer". Nature Communications 12, 1-11 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-27045-6

[14] Jarrod R McClean, Sergio Boixo, Vadim N Smelyanskiy, Ryan Babbush og Hartmut Neven. "Ufrugtbare plateauer i quantum neurale netværk træningslandskaber". Nature Communications 9, 1–6 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41467-018-07090-4

[15] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cincio og Patrick J Coles. "Omkostningsfunktionsafhængige golde plateauer i lavvandede parametriserede kvantekredsløb". Nature Communications 12, 1-12 (2021).
https:///doi.org/10.1038/s41467-021-21728-w

[16] Andrew Arrasmith, Zoë Holmes, Marco Cerezo og Patrick J Coles. "Ekvivalens af kvante golde plateauer til omkostningskoncentration og smalle kløfter". Quantum Science and Technology 7, 045015 (2022).
https://doi.org/10.1088/2058-9565/ac7d06

[17] Andrew Arrasmith, M. Cerezo, Piotr Czarnik, Lukasz Cincio og Patrick J Coles. "Effekt af golde plateauer på gradientfri optimering". Quantum 5, 558 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-05-558

[18] M. Cerezo og Patrick J Coles. "Højere ordens derivater af kvanteneurale netværk med golde plateauer". Quantum Science and Technology 6, 035006 (2021).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/abf51a

[19] Carlos Ortiz Marrero, Mária Kieferová og Nathan Wiebe. "Forviklingsfremkaldte golde plateauer". PRX Quantum 2, 040316 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.040316

[20] Martin Larocca, Piotr Czarnik, Kunal Sharma, Gopikrishnan Muraleedharan, Patrick J. Coles og M. Cerezo. "Diagnosticering af golde plateauer med værktøjer fra Quantum Optimal Control". Quantum 6, 824 (2022).
https://doi.org/10.22331/q-2022-09-29-824

[21] Zoë Holmes, Kunal Sharma, M. Cerezo og Patrick J Coles. "Forbindelse af ansatz-udtryksevne til gradientstørrelser og golde plateauer". PRX Quantum 3, 010313 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.010313

[22] Supanut Thanasilp, Samson Wang, Nhat A Nghiem, Patrick J. Coles og M. Cerezo. "Subtiliteter i oplæringen af kvantemaskinelæringsmodeller" (2021). url: https:///arxiv.org/abs/2110.14753.
https://doi.org/10.1007/s42484-023-00103-6
arXiv: 2110.14753

[23] Samson Wang, Piotr Czarnik, Andrew Arrasmith, M. Cerezo, Lukasz Cincio og Patrick J Coles. "Kan fejlreduktion forbedre træningsevnen af støjende variationskvantealgoritmer?" (2021). url: https:///doi.org/10.48550/arXiv.2109.01051.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2109.01051

[24] Ningping Cao, Junan Lin, David Kribs, Yiu-Tung Poon, Bei Zeng og Raymond Laflamme. "NISQ: Fejlkorrektion, afbødning og støjsimulering" (2021). url: https:///doi.org/10.48550/arXiv.2111.02345.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2111.02345

[25] Adam Holmes, Mohammad Reza Jokar, Ghasem Pasandi, Yongshan Ding, Massoud Pedram og Frederic T Chong. "NISQ+: Forøgelse af kvantecomputerkraft ved at tilnærme kvantefejlkorrektion". I 2020 ACM/IEEE 47th Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA). Side 556–569. IEEE (2020). url: https:///doi.org/10.1109/ISCA45697.2020.00053.
https://doi.org/10.1109/ISCA45697.2020.00053

[26] Yasunari Suzuki, Suguru Endo, Keisuke Fujii og Yuuki Tokunaga. "Kvantefejlreduktion som en universel fejlreduktionsteknik: Anvendelser fra NISQ til de fejltolerante kvantecomputerepoker". PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.010345

[27] Emanuel Knill og Raymond Laflamme. "Kraften af en smule kvanteinformation". Physical Review Letters 81, 5672 (1998).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.81.5672

[28] Keisuke Fujii, Hirotada Kobayashi, Tomoyuki Morimae, Harumichi Nishimura, Shuhei Tamate og Seiichiro Tani. "Kraften ved kvanteberegning med få rene qubits". 43. internationale kollokvium om automater, sprog og programmering (ICALP 2016) 55, 13:1–13:14 (2016).
https:///doi.org/10.4230/LIPIcs.ICALP.2016.13

[29] Tomoyuki Morimae, Keisuke Fujii og Harumichi Nishimura. "Kraften af en ikke-ren qubit". Fysisk anmeldelse A 95, 042336 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.95.042336

[30] Craig Gidney. "Factoring med n+2 rene qubits og n-1 dirty qubits" (2017). url: https://doi.org/10.48550/arXiv.1706.07884.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1706.07884

[31] Anirban N. Chowdhury, Rolando D. Somma og Yiğit Subaşı. "Computing partition fungerer i one-clean-qubit-modellen". Physical Review A 103, 032422 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.103.032422

[32] Keisuke Fujii, Hirotada Kobayashi, Tomoyuki Morimae, Harumichi Nishimura, Shuhei Tamate og Seiichiro Tani. "Umulighed for klassisk simulering af one-clean-qubit model med multiplikativ fejl". Physical Review Letters 120, 200502 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.200502

[33] Raymond Laflamme, Cesar Miquel, Juan Pablo Paz og Wojciech Hubert Zurek. "Perfekt kvantefejlkorrigerende kode". Phys. Rev. Lett. 77, 198-201 (1996).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.198

[34] Daniel Gottesman. "En introduktion til kvantefejlkorrektion og fejltolerant kvanteberegning". Kvanteinformationsvidenskab og dens bidrag til matematik, Proceedings of Symposia in Applied Mathematics 63, 13-58 (2010).
https:///doi.org/10.1090/psapm/068/2762145

[35] 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

[36] En Yu Kitaev. "Kvanteberegninger: Algoritmer og fejlkorrektion". Russian Mathematical Surveys 52, 1191 (1997).
https://doi.org/10.1070/RM1997v052n06ABEH002155

[37] Chris N Self, Marcello Benedetti og David Amaro. "Beskyttelse af ekspressive kredsløb med en kvantefejldetekteringskode" (2022). url: https:///doi.org/10.48550/arXiv.2211.06703.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2211.06703

[38] Rolando D Somma. "Kvanteegenværdiestimering via tidsserieanalyse". New Journal of Physics 21, 123025 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab5c60

[39] Vojtěch Havlíček, Antonio D Córcoles, Kristan Temme, Aram W Harrow, Abhinav Kandala, Jerry M Chow og Jay M Gambetta. "Superviseret læring med kvanteforstærkede funktionsrum". Nature 567, 209-212 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-0980-2

[40] Andrew G Taube og Rodney J Bartlett. "Nye perspektiver på unitary coupled-cluster theory". International journal of quantum chemistry 106, 3393-3401 (2006).
https:///doi.org/10.1002/qua.21198

[41] Sumeet Khatri, Ryan LaRose, Alexander Poremba, Lukasz Cincio, Andrew T Sornborger og Patrick J Coles. "Kvanteassisteret kvantekompilering". Quantum 3, 140 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-05-13-140

[42] Colin J Trout, Muyuan Li, Mauricio Gutiérrez, Yukai Wu, Sheng-Tao Wang, Luming Duan og Kenneth R Brown. "Simulering af ydeevnen af en afstand-3 overfladekode i en lineær ionfælde". New Journal of Physics 20, 043038 (2018).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/aab341

[43] Lukasz Cincio, Yiğit Subaşı, Andrew T Sornborger og Patrick J Coles. "Lære kvantealgoritmen for tilstandsoverlapning". New Journal of Physics 20, 113022 (2018).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aae94a

[44] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone og Sam Gutmann. "En omtrentlig kvanteoptimeringsalgoritme" (2014). url: https:///doi.org/10.48550/arXiv.1411.4028.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1411.4028

[45] Stuart Hadfield, Zhihui Wang, Bryan O'Gorman, Eleanor G Rieffel, Davide Venturelli og Rupak Biswas. "Fra den omtrentlige kvanteoptimeringsalgoritme til en kvante alternerende operatøransatz". Algoritmer 12, 34 (2019).
https:///doi.org/10.3390/a12020034

[46] Maria Schuld, Ville Bergholm, Christian Gogolin, Josh Izaac og Nathan Killoran. "Evaluering af analytiske gradienter på kvantehardware". Fysisk anmeldelse A 99, 032331 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.032331

[47] Lukasz Cincio, Kenneth Rudinger, Mohan Sarovar og Patrick J. Coles. "Maskinindlæring af støjbestandige kvantekredsløb". PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.010324

[48] Ryuji Takagi, Suguru Endo, Shintaro Minagawa og Mile Gu. "Fundamentale grænser for kvantefejlreduktion". npj Quantum Information 8, 114 (2022).
https:///doi.org/10.1038/s41534-022-00618-z

[49] Sergey Danilin, Nicholas Nugent og Martin Weides. "Kvanteregistrering med afstembare superledende qubits: optimering og fremskyndelse" (2022). url: https:///arxiv.org/abs/2211.08344.
arXiv: 2211.08344

[50] Nikolai Lauk, Neil Sinclair, Shabir Barzanjeh, Jacob P Covey, Mark Saffman, Maria Spiropulu og Christoph Simon. "Perspektiver på kvantetransduktion". Quantum Science and Technology 5, 020501 (2020).
https://doi.org/10.1088/2058-9565/ab788a

[51] Bernhard Baumgartner. "En ulighed for sporet af matrixprodukter ved hjælp af absolutte værdier" (2011). url: https:///doi.org/10.48550/arXiv.1106.6189.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1106.6189

Citeret af

[1] Mikel Garcia-de-Andoin, Álvaro Saiz, Pedro Pérez-Fernández, Lucas Lamata, Izaskun Oregi og Mikel Sanz, "Digital-Analog Quantum Computation with Arbitrary Two-Body Hamiltonians", arXiv: 2307.00966, (2023).

[2] Abdullah Ash Saki, Amara Katabarwa, Salonik Resch og George Umbrarescu, "Hypothesis Testing for Error Mitigation: How to Evaluate Error Mitigation", arXiv: 2301.02690, (2023).

[3] Patrick J. Coles, Collin Szczepanski, Denis Melanson, Kaelan Donatella, Antonio J. Martinez og Faris Sbahi, "Thermodynamic AI and the fluctuation frontier", arXiv: 2302.06584, (2023).

[4] M. Cerezo, Guillaume Verdon, Hsin-Yuan Huang, Lukasz Cincio og Patrick J. Coles, "Challenges and Opportunities in Quantum Machine Learning", arXiv: 2303.09491, (2023).

[5] Nikolaos Koukoulekidis, Samson Wang, Tom O'Leary, Daniel Bultrini, Lukasz Cincio og Piotr Czarnik, "A framework of partial error correction for intermediate-scale quantum computers", arXiv: 2306.15531, (2023).

Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2023-07-13 15:21:51). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.

Kunne ikke hente Crossref citeret af data under sidste forsøg 2023-07-13 15:21:50: Kunne ikke hente citerede data for 10.22331/q-2023-07-13-1060 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.

SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
PlatoESG. Automotive/elbiler, Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
BlockOffsets. Modernisering af miljømæssig offset-ejerskab. Adgang her.
Kilde: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-07-13-1060/

Tidsstempel: Juli 13, 2023

Tidsstempel: Jan 26, 2023

Politisk gradienttilgang til kompilering af variationskvantekredsløb

Kildeklynge:

Quantum Journal

Kildeknude: 1660749

Tidsstempel: September 8, 2022

Genudgivet af Platon

Pulseffektiv kvantemaskinelæring

Vidne til miljødimension gennem tidsmæssige sammenhænge

En "gennemtænkt" lokal venlighed no-go-sætning: et prospektivt eksperiment med nye antagelser, der passer til

Afvigelsesgrænser og koncentrationsuligheder for kvantestøj

Bestemmelse af evnen til universel kvanteberegning: Test af kontrollerbarhed via dimensionel udtryksevne

Optimal nonequilibrium termometri i Markovian miljøer

Generering af meget genfindelig atomfotonsammenfiltring med en millisekunds levetid via et rumligt multiplekset hulrum

Geometrisk operatør kvantehastighedsgrænse, Wegner Hamiltonian flow og operatørvækst

Aktivering af multiprogrammeringsmekanisme for kvanteberegning i NISQ-æraen

Adaptiv estimering af kvante observerbare

Politisk gradienttilgang til kompilering af variationskvantekredsløb

Om os

Vertikal søgning & Ai

perron

Stay Connected

Konto