Karakterisering og afhjælpning af sammenhængende fejl i en fanget ion kvanteprocessor ved hjælp af skjulte inverse

Karakterisering og afhjælpning af sammenhængende fejl i en fanget ion kvanteprocessor ved hjælp af skjulte inverse

Tidsstempel: 15. maj 2023 kl. 8

Swarnadeep Majumder1,2, Christopher G. Yale3, Titus D. Morris4, Daniel S. Lobser3, Ashlyn D. Burch3, Matthew NH Chow3,5,6, Melissa C. Revelle3, Susan M. Clark3, og Raphael C. Pooser4

1Duke Quantum Center, Duke University, Durham, NC 27701, USA
2Department of Electrical and Computer Engineering, Duke University, Durham, NC 27708 USA
3Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM 87123, USA
4Quantum Information Science Section, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN 37831, USA
5Institut for Fysik og Astronomi, University of New Mexico, Albuquerque, NM 87131, USA
6Center for Quantum Information and Control, University of New Mexico, Albuquerque, NM 87131, USA

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

Abstrakt

Quantum computing testbeds udviser high-fidelity kvantekontrol over små samlinger af qubits, hvilket muliggør udførelse af præcise, repeterbare operationer efterfulgt af målinger. I øjeblikket kan disse støjende enheder i mellemskala understøtte et tilstrækkeligt antal sekventielle operationer før dekohærens, således at algoritmer på kort sigt kan udføres med umiddelbar nøjagtighed (såsom kemisk nøjagtighed for kvantekemiproblemer). Selvom resultaterne af disse algoritmer er ufuldkomne, kan disse ufuldkommenheder hjælpe med at starte udvikling af kvantecomputertestbed. Demonstrationer af disse algoritmer gennem de sidste par år, kombineret med ideen om, at ufuldkommen algoritmeydelse kan være forårsaget af adskillige dominerende støjkilder i kvanteprocessoren, som kan måles og kalibreres under algoritmeudførelse eller i efterbehandling, har ført til brug af støjdæmpning til at forbedre typiske beregningsresultater. Omvendt kan benchmarkalgoritmer kombineret med støjdæmpning hjælpe med at diagnosticere arten af ​​støjen, hvad enten den er systematisk eller rent tilfældig. Her skitserer vi brugen af ​​sammenhængende støjdæmpende teknikker som et karakteriseringsværktøj i fangede ion-testlejer. Vi udfører modeltilpasning af de støjende data for at bestemme støjkilden baseret på realistiske fysikfokuserede støjmodeller og demonstrerer, at systematisk støjforstærkning kombineret med fejlreduktionsskemaer giver nyttige data til fradrag af støjmodeller. Yderligere, for at forbinde lavere niveau støjmodeldetaljer med applikationsspecifik ydeevne af nærtidsalgoritmer, konstruerer vi eksperimentelt tabslandskabet for en variationsalgoritme under forskellige injicerede støjkilder kombineret med fejldæmpningsteknikker. Denne type forbindelse muliggør applikationsbevidst hardware-codesign, hvor de vigtigste støjkilder i specifikke applikationer, såsom kvantekemi, bliver fokus for forbedring i efterfølgende hardwaregenerationer.

Karakterisering og afhjælpning af sammenhængende fejl i en fanget ion kvanteprocessor ved hjælp af skjult invers PlatoBlockchain Data Intelligence. Lodret søgning. Ai.

Udvalgt billede: Fase rumpopulation (sandsynlighed for måling af $|0rangle$) efter anvendelse af [$H- X(Theta)- Z(Phi)- H^dolk$]$^{100}$ på $|0rangle$ som en funktion af $Theta, Phi$ til simulering og eksperiment. Skjulte inverse protokoller kan tilbyde nøjagtig og billig enkelt qubit karakterisering.

Populært resumé

Kvantecomputere fra NISQ-æraen er ifølge deres definition støjende og ufuldkomne, og de kræver metoder til fejlreduktion for at forbedre kredsløbets ydeevne. I dette papir demonstrerer vi, at en teknik kendt som skjulte inverser både kan fungere som en metode til fejlbegrænsning såvel som til fejlkarakterisering. Skjulte inverser er afhængige af evnen til at konstruere kredsløb med ikke-native sammensatte porte, der er selvadjoinerende (såsom Hadamard eller controlled-NOT), hvilket betyder, at de kan konstrueres via en række hardware-native porte eller de samme indfødte porte inverteret i tegn og tidsbestilling. Ved hjælp af en fanget-ion kvantecomputer demonstrerer vi først et eksperiment, hvor Hadamard og dens omvendte veksles med små fejlrotationer indsat. Ved at tilpasse resultaterne til en simpel model, er vi så i stand til at karakterisere sammenhængende fejl i systemet og se, hvordan disse fejl driver over tid. Vi bruger derefter en kontrolleret-NOT og dens inverse inden for en variationskvanteegenopløser. Gennem forsætlig fejlinjektion viser vi, at kredsløb konstrueret via skjulte inverse protokoller udkonkurrerer en anden fejlreduktionsteknik, randomiseret kompilering. Vi undersøger yderligere fejlreduktion i dette system via fermionisk tæthed matrikrensning, en efterbehandlingsmetodologi. Gennem denne undersøgelse finder vi ud af, at det at bruge den samme teknik, nemlig skjulte inverse, til både at karakterisere fejlkilder på hardware og derefter afbøde via den samme tilgang er et kraftfuldt værktøj til NISQ-æraens kvantecomputere.

► BibTeX-data

► Referencer

[1] JJ Wallman og J. Emerson, Physical Review A 94, 052325 (2016), udgiver: American Physical Society.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.94.052325

[2] B. Zhang, S. Majumder, PH Leung, S. Crain, Y. Wang, C. Fang, DM Debroy, J. Kim og KR Brown, Phys. Rev. ansøgt 17, 034074 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.17.034074

[3] L. Egan, DM Debroy, C. Noel, A. Risinger, D. Zhu, D. Biswas, M. Newman, M. Li, KR Brown, M. Cetina og C. Monroe, Nature 598, 281 (2021) .
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41586-021-03928-y

[4] S. Krinner, N. Lacroix, A. Remm, A. Di Paolo, E. Genois, C. Leroux, C. Hellings, S. Lazar, F. Swiadek, J. Herrmann, GJ Norris, CK Andersen, M. Müller , A. Blais, C. Eichler og A. Wallraff, Nature 605, 669 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-04566-8

[5] C. Ryan-Anderson, J. Bohnet, K. Lee, D. Gresh, A. Hankin, J. Gaebler, D. Francois, A. Chernoguzov, D. Lucchetti, N. Brown, T. Gatterman, S. Halit, K. Gilmore, J. Gerber, B. Neyenhuis, D. Hayes og R. Stutz, Physical Review X 11, 041058 (2021), udgiver: American Physical Society.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.11.041058

[6] R. Blume-Kohout, JK Gamble, E. Nielsen, J. Mizrahi, JD Sterk og P. Maunz, arXiv preprint arXiv:1310.4492 (2013).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1310.4492
arXiv: 1310.4492

[7] BR Johnson, MP d. Silva, CA Ryan, S. Kimmel, JM Chow og TA Ohki, New Journal of Physics 17, 113019 (2015), udgiver: IOP Publishing.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​17/​11/​113019

[8] E. Nielsen, K. Rudinger, T. Proctor, K. Young og R. Blume-Kohout, New Journal of Physics 23, 093020 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ac20b9

[9] PD Nation, H. Kang, N. Sundaresan og JM Gambetta, PRX Quantum 2, 040326 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.040326

[10] Y. Kim, CJ Wood, TJ Yoder, ST Merkel, JM Gambetta, K. Temme og A. Kandala, Nature Physics 10.1038/​s41567-022-01914-3 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[11] E. Peters, ACY Li og GN Perdue, arXiv:2105.08161 [quant-ph] (2021), arXiv: 2105.08161.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2105.08161
arXiv: 2105.08161

[12] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, SC Benjamin og Y. Li, PRX Quantum 2, 040330 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.040330

[13] C. Piveteau, D. Sutter, S. Bravyi, JM Gambetta og K. Temme, Phys. Rev. Lett. 127, 200505 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.127.200505

[14] R. LaRose, A. Mari, S. Kaiser, PJ Karalekas, AA Alves, P. Czarnik, M. El Mandouh, MH Gordon, Y. Hindy, A. Robertson, P. Thakre, M. Wahl, D. Samuel, R. Mistri, M. Tremblay, N. Gardner, NT Stemen, N. Shammah og WJ Zeng, Quantum 6, 774 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-08-11-774

[15] S. Zhang, Y. Lu, K. Zhang, W. Chen, Y. Li, J.-N. Zhang og K. Kim, Nature Communications 11, 587 (2020), arXiv: 1905.10135.
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-14376-z

[16] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles og L. Cincio, Quantum 5, 592 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-11-26-592

[17] Y. Suzuki, S. Endo, K. Fujii og Y. Tokunaga, PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.3.010345

[18] K. Temme, S. Bravyi og JM Gambetta, Phys. Rev. Lett. 119, 180509 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.119.180509

[19] E. vd Berg, ZK Minev, A. Kandala og K. Temme, arXiv preprint arXiv:2201.09866 (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2201.09866
arXiv: 2201.09866

[20] V. Leyton-Ortega, S. Majumder og RC Pooser, Quantum Science and Technology 8, 014008 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​aca92d

[21] K. Yeter-Aydeniz, BT Gard, J. Jakowski, S. Majumder, GS Barron, G. Siopsis, TS Humble og RC Pooser, Advanced Quantum Technologies 4, 2100012 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1002/​qute.202100012

[22] SM Clark, D. Lobser, MC Revelle, CG Yale, D. Bossert, AD Burch, MN Chow, CW Hogle, M. Ivory, J. Pehr, B. Salzbrenner, D. Stick, W. Sweatt, JM Wilson, E Winrow og P. Maunz, IEEE Transactions on Quantum Engineering 2, 1 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TQE.2021.3096480

[23] S. Olmschenk, KC Younge, DL Moehring, DN Matsukevich, P. Maunz og C. Monroe, Phys. Rev. A 76, 052314 (2007).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.76.052314

[24] P. Maunz, tek. Rep. SAND2016-0796R 10.2172/​1237003 (2016).
https://​/​doi.org/​10.2172/​1237003

[25] D. Hayes, DN Matsukevich, P. Maunz, D. Hucul, Q. Quraishi, S. Olmschenk, W. Campbell, J. Mizrahi, C. Senko og C. Monroe, Phys. Rev. Lett. 104, 140501 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.104.140501

[26] S. Debnath, NM Linke, C. Figgatt, KA Landsman, K. Wright og C. Monroe, Nature 536, 63 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1038/​nature18648

[27] PJ Lee, K.-A. Brickman, L. Deslauriers, PC Haljan, L.-M. Duan og C. Monroe, Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics 7, S371 (2005).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1464-4266/​7/​10/​025

[28] L. Deslauriers, PC Haljan, PJ Lee, K.-A. Brickman, BB Blinov, MJ Madsen og C. Monroe, Phys. Rev. A 70, 043408 (2004).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.70.043408

[29] BCA Morrison, AJ Landahl, DS Lobser, KM Rudinger, AE Russo, JW Van Der Wall og P. Maunz, i 2020 IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE) (2020) s. 402–408.
https://​/​doi.org/​10.1109/​QCE49297.2020.00056

[30] D. Lobser, J. Goldberg, A. Landahl, P. Maunz, B. Morrison, K. Rudinger, A. Russo, B. Ruzic, D. Stick, J. Van Der Wall og SM Clark, Jaqalpaw En guide til definere pulser og bølgeformer for jaqal (2021).
https://​/​www.sandia.gov/​app/​uploads/​sites/​174/​2023/​03/​JaqalPaw__A_Guide_to_Defining_Pulses_and_Waveforms_for_Jaqal2.pdf

[31] P. Virtanen, R. Gommers, TE Oliphant, M. Haberland, T. Reddy, D. Cournapeau, E. Burovski, P. Peterson, W. Weckesser, J. Bright, SJ van der Walt, M. Brett, J. Wilson, KJ Millman, N. Mayorov, ARJ Nelson, E. Jones, R. Kern, E. Larson, CJ Carey, İ. Polat, Y. Feng, EW Moore, J. VanderPlas, D. Laxalde, J. Perktold, R. Cimrman, I. Henriksen, EA Quintero, CR Harris, AM Archibald, AH Ribeiro, F. Pedregosa, P. van Mulbregt, og SciPy 1.0 Contributors, Nature Methods 17, 261 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[32] A. McCaskey, ZP Parks, J. Jakowski, SV Moore, TD Morris, TS Humble og RC Pooser, NPJ Quantum Inf 5, 99 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0209-0

[33] NC Rubin, R. Babbush og J. McClean, New Journal of Physics 20, 053020 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aab919

[34] DJ Wineland, C. Monroe, WM Itano, D. Leibfried, BE King og DM Meekhof, Journal of Research fra National Institute of Standards and Technology 103, 259 (1998).
https://​/​doi.org/​10.6028/​jres.103.019

Citeret af

[1] He-Liang Huang, Xiao-Yue Xu, Chu Guo, Guojing Tian, ​​Shi-Jie Wei, Xiaoming Sun, Wan-Su Bao og Gui-Lu Long, "Nærsigtede kvanteberegningsteknikker: Variationelle kvantealgoritmer, fejlafhjælpning, kredsløbskompilering, benchmarking og klassisk simulering", Science China Physics, Mechanics and Astronomy 66 5, 250302 (2023).

[2] Zhubing Jia, Shilin Huang, Mingyu Kang, Ke Sun, Robert F. Spivey, Jungsang Kim og Kenneth R. Brown, "Vinkel-robuste to-qubit-porte i en lineær ion-krystal", Fysisk anmeldelse A 107 3, 032617 (2023).

[3] Gabriele Cenedese, Giuliano Benenti og Maria Bondani, "Korrigering af sammenhængende fejl ved tilfældig operation på faktisk kvantehardware", Entropy 25 2, 324 (2023).

[4] Mingyu Kang, Ye Wang, Chao Fang, Bichen Zhang, Omid Khosravani, Jungsang Kim og Kenneth R. Brown, "Designing Filter Functions of Frequency-Modulated Pulses for High-Fidelity Two-Qubit Gates in Ion Chains", Fysisk gennemgang anvendt 19 1, 014014 (2023).

[5] Ashlyn D. Burch, Daniel S. Lobser, Christopher G. Yale, Jay W. Van Der Wall, Oliver G. Maupin, Joshua D. Goldberg, Matthew NH Chow, Melissa C. Revelle og Susan M. Clark, "Batching kredsløb for at reducere kompilering i kvantekontrolhardware", arXiv: 2208.00076, (2022).

Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2023-05-16 13:02:44). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.

On Crossrefs citeret af tjeneste ingen data om at citere værker blev fundet (sidste forsøg 2023-05-16 13:02:43).

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