Χαρακτηρισμός και μετριασμός συνεκτικών σφαλμάτων σε παγιδευμένο κβαντικό επεξεργαστή ιόντων με χρήση κρυφών αντιστρόφων

Χαρακτηρισμός και μετριασμός συνεκτικών σφαλμάτων σε παγιδευμένο κβαντικό επεξεργαστή ιόντων με χρήση κρυφών αντιστρόφων

Χρονική σήμανση: 15 Μαΐου 2023 8:55 π.μ.

Swarnadeep Majumder1,2, Christopher G. Yale3, Titus D. Morris4, Daniel S. Lobser3, Ashlyn D. Burch3, Matthew NH Chow3,5,6, Melissa C. Revelle3, Σούζαν Μ. Κλαρκ3, και Raphael C. Pooser4

1Duke Quantum Center, Duke University, Durham, NC 27701, Η.Π.Α
2Department of Electrical and Computer Engineering, Duke University, Durham, NC 27708 USA
3Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM 87123, Η.Π.Α
4Quantum Information Science Section, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN 37831, Η.Π.Α.
5Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας, University of New Mexico, Albuquerque, NM 87131, USA
6Center for Quantum Information and Control, University of New Mexico, Albuquerque, NM 87131, ΗΠΑ

Βρείτε αυτό το άρθρο ενδιαφέρουσα ή θέλετε να συζητήσετε; Scite ή αφήστε ένα σχόλιο για το SciRate.

Περίληψη

Οι κλίνες δοκιμών κβαντικών υπολογιστών επιδεικνύουν κβαντικό έλεγχο υψηλής πιστότητας σε μικρές συλλογές qubit, επιτρέποντας την εκτέλεση ακριβών, επαναλαμβανόμενων λειτουργιών που ακολουθούνται από μετρήσεις. Επί του παρόντος, αυτές οι θορυβώδεις συσκευές ενδιάμεσης κλίμακας μπορούν να υποστηρίξουν έναν επαρκή αριθμό διαδοχικών λειτουργιών πριν από την αποσυνοχή, έτσι ώστε οι βραχυπρόθεσμοι αλγόριθμοι να μπορούν να εκτελεστούν με εγγύς ακρίβεια (όπως η χημική ακρίβεια για προβλήματα κβαντικής χημείας). Ενώ τα αποτελέσματα αυτών των αλγορίθμων είναι ατελή, αυτές οι ατέλειες μπορούν να βοηθήσουν στην εκκίνηση της ανάπτυξης κβαντικών δοκιμών υπολογιστών. Οι επιδείξεις αυτών των αλγορίθμων τα τελευταία χρόνια, σε συνδυασμό με την ιδέα ότι η ατελής απόδοση του αλγορίθμου μπορεί να προκληθεί από πολλές κυρίαρχες πηγές θορύβου στον κβαντικό επεξεργαστή, οι οποίες μπορούν να μετρηθούν και να βαθμονομηθούν κατά την εκτέλεση του αλγορίθμου ή κατά τη μετα-επεξεργασία, οδήγησαν στην χρήση του μετριασμού του θορύβου για τη βελτίωση των τυπικών υπολογιστικών αποτελεσμάτων. Αντίθετα, οι αλγόριθμοι αναφοράς σε συνδυασμό με τον μετριασμό του θορύβου μπορούν να βοηθήσουν στη διάγνωση της φύσης του θορύβου, είτε συστηματικός είτε καθαρά τυχαίος. Εδώ, περιγράφουμε τη χρήση συνεκτικών τεχνικών μετριασμού του θορύβου ως εργαλείο χαρακτηρισμού σε κλίνες δοκιμών παγιδευμένων ιόντων. Εκτελούμε προσαρμογή μοντέλων των θορυβωδών δεδομένων για να προσδιορίσουμε την πηγή θορύβου με βάση ρεαλιστικά μοντέλα θορύβου εστιασμένα στη φυσική και αποδεικνύουμε ότι η συστηματική ενίσχυση θορύβου σε συνδυασμό με σχήματα μετριασμού σφαλμάτων παρέχει χρήσιμα δεδομένα για την αφαίρεση του μοντέλου θορύβου. Περαιτέρω, για να συνδέσουμε λεπτομέρειες του μοντέλου χαμηλότερου επιπέδου θορύβου με την απόδοση συγκεκριμένων εφαρμογών βραχυπρόθεσμων αλγορίθμων, κατασκευάζουμε πειραματικά το τοπίο απώλειας ενός μεταβλητού αλγορίθμου κάτω από διάφορες πηγές έγχυσης θορύβου σε συνδυασμό με τεχνικές μετριασμού σφαλμάτων. Αυτός ο τύπος σύνδεσης επιτρέπει την κωδικοποίηση υλικού με επίγνωση της εφαρμογής, στην οποία οι πιο σημαντικές πηγές θορύβου σε συγκεκριμένες εφαρμογές, όπως η κβαντική χημεία, γίνονται εστίες βελτίωσης στις επόμενες γενιές υλικού.

Χαρακτηρισμός και μετριασμός συνεκτικών σφαλμάτων σε έναν παγιδευμένο κβαντικό επεξεργαστή ιόντων χρησιμοποιώντας κρυφές αντίστροφες PlatoBlockchain Data Intelligence. Κάθετη αναζήτηση. Ολα συμπεριλαμβάνονται.

Επιλεγμένη εικόνα: Πληθυσμός χώρου φάσης (πιθανότητα μέτρησης $|0rangle$) μετά την εφαρμογή [$H- X(Theta)- Z(Phi)- H^dagger$]$^{100}$ σε $|0rangle$ ως συνάρτηση $Theta, Phi$ για προσομοίωση και πείραμα. Τα κρυφά αντίστροφα πρωτόκολλα μπορούν να προσφέρουν ακριβή και φθηνό χαρακτηρισμό ενός qubit.

Δημοφιλή περίληψη

Οι κβαντικοί υπολογιστές της εποχής NISQ είναι εξ ορισμού θορυβώδεις και ατελείς, απαιτώντας μεθόδους μετριασμού σφαλμάτων προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση του κυκλώματος. Σε αυτό το άρθρο, αποδεικνύουμε ότι μια τεχνική γνωστή ως κρυφά αντίστροφα μπορεί να λειτουργήσει τόσο ως μέθοδος για τον μετριασμό σφαλμάτων όσο και για τον χαρακτηρισμό σφαλμάτων. Τα κρυφά αντίστροφα βασίζονται στην ικανότητα κατασκευής κυκλωμάτων με μη εγγενείς σύνθετες πύλες που είναι αυτοσυνδεόμενες (όπως το Hadamard ή το controlled-NOT), που σημαίνει ότι μπορούν να κατασκευαστούν μέσω μιας σειράς εγγενών πυλών υλικού ή των ίδιων εγγενών πυλών ανεστραμμένων σε παραγγελία και ώρα. Χρησιμοποιώντας έναν κβαντικό υπολογιστή παγιδευμένου ιόντος, επιδεικνύουμε πρώτα ένα πείραμα στο οποίο το Hadamard και το αντίστροφό του εναλλάσσονται με μικρές περιστροφές σφάλματος που εισάγονται. Προσαρμόζοντας τα αποτελέσματα σε ένα απλό μοντέλο, μπορούμε στη συνέχεια να χαρακτηρίσουμε συνεκτικά σφάλματα στο σύστημα και να δούμε πώς αυτά τα σφάλματα μετατοπίζονται με την πάροδο του χρόνου. Στη συνέχεια χρησιμοποιούμε ένα ελεγχόμενο-NOT και το αντίστροφό του μέσα σε μια κβαντική ιδιολύτη παραλλαγής. Μέσω της σκόπιμης έγχυσης σφαλμάτων, δείχνουμε ότι τα κυκλώματα που κατασκευάζονται μέσω κρυφών αντίστροφων πρωτοκόλλων υπερτερούν μιας άλλης τεχνικής μετριασμού σφαλμάτων, της τυχαιοποιημένης μεταγλώττισης. Εξετάζουμε περαιτέρω τον μετριασμό σφαλμάτων σε αυτό το σύστημα μέσω καθαρισμού μήτρας φερμιονικής πυκνότητας, μια μεθοδολογία μετα-επεξεργασίας. Μέσω αυτής της εξέτασης, διαπιστώνουμε ότι η χρήση της ίδιας τεχνικής, δηλαδή των κρυφών αντιστροφών, για τον χαρακτηρισμό των πηγών σφαλμάτων στο υλικό και στη συνέχεια για τον μετριασμό μέσω της ίδιας προσέγγισης είναι ένα ισχυρό εργαλείο για τους κβαντικούς υπολογιστές της εποχής NISQ.

► Δεδομένα BibTeX

► Αναφορές

[1] JJ Wallman and J. Emerson, Physical Review A 94, 052325 (2016), εκδότης: 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, and KR Brown, Phys. Εφαρμογή αναθ. 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 και 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, and 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, and R. Stutz, Physical Review X 11, 041058 (2021), εκδότης: American Physical Society.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.041058

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

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

[8] E. Nielsen, K. Rudinger, T. Proctor, K. Young, and 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 και 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 και 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 και 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, and Y. Li, PRX Quantum 2, 040330 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040330

[13] C. Piveteau, D. Sutter, S. Bravyi, JM Gambetta, and K. Temme, Phys. Αναθ. 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 και WJ Zeng, Quantum 6, 774 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-08-11-774

[15] S. Zhang, Y. Lu, Κ. Zhang, W. Chen, Y. Li, J.-N. Zhang και 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 και L. Cincio, Quantum 5, 592 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-11-26-592

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

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

[19] E. vd Berg, ZK Minev, A. Kandala, and 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 και 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 και 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 και 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, and C. Monroe, Phys. Αναθ. Α 76, 052314 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.76.052314

[24] P. Maunz, Tech. Απ. 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, and C. Monroe, Phys. Αναθ. Lett. 104, 140501 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.140501

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

[27] PJ Lee, Κ.-Α. Brickman, L. Deslauriers, PC Haljan, L.-M. Duan, και 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, and C. Monroe, Phys. Αναθ. Α 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 και P. Maunz, το 2020 IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE) (2020) σελ. 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 και SM Clark, Jaqalpaw Ένας οδηγός για ορίζοντας παλμούς και κυματομορφές για το 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, και 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 και RC Pooser, NPJ Quantum Inf 5, 99 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0209-0

[33] NC Rubin, R. Babbush και 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 και DM Meekhof, Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology 103, 259 (1998).
https: / / doi.org/ 10.6028 / jres.103.019

Αναφέρεται από

[1] He-Liang Huang, Xiao-Yue Xu, Chu Guo, Guojing Tian, ​​Shi-Jie Wei, Xiaoming Sun, Wan-Su Bao και Gui-Lu Long, «Τεχνικές εγγύς κβαντικού υπολογισμού: Μεταβλητοί κβαντικοί αλγόριθμοι, μετριασμός σφαλμάτων, μεταγλώττιση κυκλώματος, συγκριτική αξιολόγηση και κλασική προσομοίωση». Science China Physics, Mechanics, and Astronomy 66 5, 250302 (2023).

[2] Zhubing Jia, Shilin Huang, Mingyu Kang, Ke Sun, Robert F. Spivey, Jungsang Kim και Kenneth R. Brown, "Angle-robust two-qubit gates in a linear ion crystal", Physical Review Α 107 3, 032617 (2023).

[3] Gabriele Cenedese, Giuliano Benenti και Maria Bondani, «Διόρθωση συνεκτικών σφαλμάτων με τυχαία λειτουργία σε πραγματικό κβαντικό υλικό», Εντροπία 25 2, 324 (2023).

[4] Mingyu Kang, Ye Wang, Chao Fang, Bichen Zhang, Omid Khosravani, Jungsang Kim και Kenneth R. Brown, «Σχεδίαση λειτουργιών φίλτρου παλμών που διαμορφώνονται με συχνότητα για πύλες δύο κουμπιών υψηλής πιστότητας σε αλυσίδες ιόντων». Εφαρμοσμένη φυσική αναθεώρηση 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 και Susan M. Clark, «Μαζί κυκλωμάτων για μείωση της μεταγλώττισης στο υλικό κβαντικού ελέγχου», arXiv: 2208.00076, (2022).

Οι παραπάνω αναφορές είναι από SAO / NASA ADS (τελευταία ενημέρωση επιτυχώς 2023-05-16 13:02:44). Η λίστα μπορεί να είναι ελλιπής, καθώς δεν παρέχουν όλοι οι εκδότες τα κατάλληλα και πλήρη στοιχεία αναφοράς.

On Η υπηρεσία παραπομπής του Crossref δεν βρέθηκαν δεδομένα σχετικά με την αναφορά έργων (τελευταία προσπάθεια 2023-05-16 13:02:43).

Αυτό το Βιβλίο δημοσιεύεται στο Quantum στο πλαίσιο του Creative Commons Attribution 4.0 Διεθνής (CC BY 4.0) άδεια. Τα πνευματικά δικαιώματα παραμένουν στους κατόχους των πρωτότυπων δικαιωμάτων πνευματικής ιδιοκτησίας όπως οι δημιουργοί ή τα ιδρύματά τους

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Quantum Journal