Συνεργικός μετριασμός κβαντικού σφάλματος με τυχαιοποιημένη μεταγλώττιση και παρέκταση μηδενικού θορύβου για τον μεταβλητό κβαντικό ιδιολύτη

Συνεργικός μετριασμός κβαντικού σφάλματος με τυχαιοποιημένη μεταγλώττιση και παρέκταση μηδενικού θορύβου για τον μεταβλητό κβαντικό ιδιολύτη

Χρονική σήμανση: 20 Νοεμβρίου 2023 8:49 π.μ.

Tomochika Kurita1, Χαμάμ Κασίμ2, Masatoshi Ishii1, Χιροτάκα Οσίμα1, Σιντάρο Σάτο1, και Τζόζεφ Έμερσον2

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

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

Περίληψη

Προτείνουμε μια στρατηγική μετριασμού κβαντικού σφάλματος για τον αλγόριθμο μεταβλητής κβαντικής ιδιολύσεως (VQE). Βρίσκουμε, μέσω αριθμητικής προσομοίωσης, ότι πολύ μικρές ποσότητες συνεκτικού θορύβου στο VQE μπορούν να προκαλέσουν σημαντικά μεγάλα σφάλματα που είναι δύσκολο να καταστείλουν με συμβατικές μεθόδους μετριασμού, και ωστόσο η προτεινόμενη στρατηγική μετριασμού μας είναι σε θέση να μειώσει σημαντικά αυτά τα σφάλματα. Η προτεινόμενη στρατηγική είναι ένας συνδυασμός τεχνικών που αναφέρθηκαν προηγουμένως, δηλαδή τυχαιοποιημένη μεταγλώττιση (RC) και παρέκταση μηδενικού θορύβου (ZNE). Διαισθητικά, η τυχαιοποιημένη μεταγλώττιση μετατρέπει τα συνεκτικά σφάλματα στο κύκλωμα σε στοχαστικά σφάλματα Pauli, τα οποία διευκολύνουν την παρέκταση στο όριο μηδενικού θορύβου κατά την αξιολόγηση της συνάρτησης κόστους. Η αριθμητική μας προσομοίωση του VQE για μικρά μόρια δείχνει ότι η προτεινόμενη στρατηγική μπορεί να μετριάσει τα ενεργειακά σφάλματα που προκαλούνται από διάφορους τύπους συνεκτικού θορύβου έως και δύο τάξεων μεγέθους.

Synergetic quantum error mitigation by randomized compiling and zero-noise extrapolation for the variational quantum eigensolver PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Δημοφιλή περίληψη

Όταν εκτελούμε κβαντικούς υπολογισμούς, είναι σημαντικό να ελαχιστοποιούμε τα υπολογιστικά σφάλματα που προκαλούνται από το θόρυβο του υλικού. Για θορυβώδες υλικό κβαντικής ενδιάμεσης κλίμακας (NISQ), μπορούν να χρησιμοποιηθούν τεχνικές μετριασμού κβαντικών σφαλμάτων για τη μείωση τέτοιων σφαλμάτων. Η αντιμετώπιση του συνεκτικού θορύβου, ωστόσο, παραμένει μια σημαντική πρόκληση στον μετριασμό σφαλμάτων για δύο λόγους: (i) ακόμη και μια μικρή ποσότητα συνεκτικού θορύβου μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικά υπολογιστικά σφάλματα και (ii) αυτά τα σφάλματα είναι δύσκολο να μετριαστούν χρησιμοποιώντας υπάρχουσες τεχνικές.
Σε αυτή την εργασία, προτείνουμε μια τεχνική μετριασμού σφαλμάτων που μειώνει αποτελεσματικά τα σφάλματα που προκαλούνται από συνεκτικό θόρυβο. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιεί συνεργική επίδραση της τυχαιοποιημένης μεταγλώττισης (RC) και της παρέκτασης μηδενικού θορύβου (ZNE). Το RC μετατρέπει τον συνεκτικό θόρυβο σε στοχαστικό θόρυβο Pauli, ο οποίος μπορεί να μετριαστεί αποτελεσματικά χρησιμοποιώντας το ZNE. Οι αριθμητικές μας προσομοιώσεις σε μεταβλητούς κβαντικούς αλγόριθμους ιδιολύσεων καταδεικνύουν ότι η προτεινόμενη τεχνική μετριασμού μας παρουσιάζει σημαντική επίδραση καταστολής σφαλμάτων έναντι του συνεκτικού θορύβου.

► Δεδομένα BibTeX

► Αναφορές

[1] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin και Xiao Yuan. «Κβαντική υπολογιστική χημεία». Reviews of 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 και Yuhua Duan. «Κβαντικός Υπολογισμός και Προσομοιώσεις για Ενεργειακές Εφαρμογές: Ανασκόπηση και Προοπτική». 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 και Jeannette M Garcia. «Κβαντικός υπολογισμός κυρίαρχων προϊόντων σε μπαταρίες λιθίου-θείου». The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068

[4] Austin G Fowler, Matteo Mariantoni, John M Martinis και Andrew N Cleland. «Κώδικες επιφανειών: Προς πρακτικούς κβαντικούς υπολογισμούς μεγάλης κλίμακας». Physical Review 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 και Jeremy L O'brien. «Ένας επιλύτης μεταβλητής ιδιοτιμής σε φωτονικό κβαντικό επεξεργαστή». Nature communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[6] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush και Alán Aspuru-Guzik. «Η θεωρία των μεταβλητών υβριδικών κβαντικών-κλασικών αλγορίθμων». 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, κ.ά. «Κλιμακόμενη κβαντική προσομοίωση μοριακών ενεργειών». Physical Review 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 και Jay M Gambetta. «Αποτελεσματική μεταβλητή κβαντική ιδιολύτρια για μικρά μόρια και κβαντικούς μαγνήτες». 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 και Irfan Siddiqi. «Υπολογισμός μοριακών φασμάτων σε κβαντικό επεξεργαστή με αλγόριθμο ανθεκτικό σε σφάλματα». Physical Review 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 και Jay M Gambetta. "Ο μετριασμός σφαλμάτων επεκτείνει την υπολογιστική εμβέλεια ενός θορυβώδους κβαντικού επεξεργαστή". 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 και Kihwan Kim. «Κβαντική υλοποίηση του ενιαίου συζευγμένου συμπλέγματος για προσομοίωση μοριακής ηλεκτρονικής δομής». Φυσική Επιθεώρηση Α 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. «Εκτίμηση ενέργειας εδάφους του μορίου του νερού σε έναν κβαντικό υπολογιστή παγιδευμένου ιόντος». 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 και Hartmut Neven. «Άγονα οροπέδια σε τοπία εκπαίδευσης κβαντικών νευρωνικών δικτύων». Nature communications 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, κ.ά. «The Variational Quantum Eigensolver: Μια ανασκόπηση των μεθόδων και των βέλτιστων πρακτικών». Physics Reports 986, 1–128 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.08.003

[15] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin και Xiao Yuan. «Υβριδικοί κβαντικοί-κλασικοί αλγόριθμοι και κβαντικός μετριασμός σφαλμάτων». Journal of the Physical Society of Japan 90, 032001 (2021).
https: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001

[16] Ying Li και Simon C Benjamin. «Αποτελεσματικός Κβαντικός Προσομοιωτής Μεταβλητών που Ενσωματώνει Ελαχιστοποίηση Ενεργού Σφάλματος». Physical Review X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[17] Kristan Temme, Sergey Bravyi και Jay M Gambetta. «Μετριασμός σφαλμάτων για κβαντικά κυκλώματα μικρού βάθους». Επιστολές φυσικής αναθεώρησης 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[18] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A de Jong και Christian W Bauer. «Προέκταση μηδενικού θορύβου για τον μετριασμό σφαλμάτων κβαντικής πύλης με εισαγωγές ταυτότητας». Φυσική Ανασκόπηση 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 και Kihwan Kim. «Κβαντικές πύλες με μετριασμό σφαλμάτων που υπερβαίνουν τις φυσικές πιστότητες σε ένα σύστημα παγιδευμένων ιόντων». Nature communications 11, 587 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[20] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter και Wibe A De Jong. «Υβριδική κβαντική-κλασική ιεραρχία για τον μετριασμό της αποσυνοχής και τον προσδιορισμό διεγερμένων καταστάσεων». Φυσική Επιθεώρηση Α 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[21] Joel J Wallman και Joseph Emerson. «Προσαρμογή θορύβου για κλιμακωτούς κβαντικούς υπολογισμούς μέσω τυχαιοποιημένης μεταγλώττισης». Φυσική Επιθεώρηση Α 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, κ.ά. «Τυχαιοποιημένη μεταγλώττιση για κλιμακωτό κβαντικό υπολογισμό σε θορυβώδη υπεραγώγιμο κβαντικό επεξεργαστή». Physical Review 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. «Μόχλευση τυχαιοποιημένης μεταγλώττισης για τον κβαντικό αλγόριθμο φανταστικού χρόνου-εξέλιξης». 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 και Abhinav Kandala. "Ο μετριασμός σφαλμάτων με δυνατότητα κλιμάκωσης για θορυβώδη κβαντικά κυκλώματα παράγει ανταγωνιστικές τιμές προσδοκίας". 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 και Ying Li. «Κβαντικός υπολογισμός με καθολικό μετριασμό σφαλμάτων σε υπεραγώγιμο κβαντικό επεξεργαστή». Science advances 5, eaaw5686 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[26] Matthew Ware, Guilhem Ribeill, Diego Riste, Colm A Ryan, Blake Johnson και Marcus P Da Silva. «Πειραματική τυχαιοποίηση πλαισίων Pauli σε υπεραγώγιμο qubit». Φυσική Ανασκόπηση 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 και Joel J Wallman. «Αποτελεσματική βελτίωση της απόδοσης των θορυβωδών κβαντικών υπολογιστών» (2022). arXiv:2201.10672.
arXiv: 2201.10672

[28] Nick S Blunt, Laura Caune, Róbert Izsák, Earl T Campbell και Nicole Holzmann. «Στατιστική εκτίμηση φάσης και μετριασμός σφαλμάτων σε υπεραγώγιμο κβαντικό επεξεργαστή» (2023). arXiv: 2304.05126.
arXiv: 2304.05126

[29] Samson Wang, Enrico Fontana, Marco Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio και Patrick J Coles. «Άγονα οροπέδια που προκαλούνται από θόρυβο σε μεταβλητούς κβαντικούς αλγόριθμους». Nature communications 12, 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] Michael A Nielsen και Isaac Chuang. «Κβαντικός Υπολογισμός και Κβαντικές Πληροφορίες». 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. «Αξιολόγηση των στοιχείων για εκθετικό κβαντικό πλεονέκτημα στην κβαντική χημεία βασικής κατάστασης». Nature communications 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 και Jhonathan Romero. «Οι μετρήσεις ως εμπόδιο στο βραχυπρόθεσμο πρακτικό κβαντικό πλεονέκτημα στη χημεία: Ανάλυση πόρων». Physical Review Research 4, 033154 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033154

[33] Οφέλια Κρόφορντ, Μπάρναμπι βαν Στράατεν, Ντάοτσεν Γουάνγκ, Τόμας Παρκς, Ερλ Κάμπελ και Στίβεν Μπρίερλι. «Αποτελεσματική κβαντική μέτρηση τελεστών Pauli παρουσία πεπερασμένου δειγματοληπτικού σφάλματος». Quantum 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[34] Tomochika Kurita, Mikio Morita, Hirotaka Oshima και Shintaro Sato. «Αλγόριθμος κατάτμησης συμβολοσειράς Pauli με το μοντέλο Ising για ταυτόχρονη μέτρηση». 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. «Λογισμικό True-Q. 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, κ.ά. "SciPy 1.0: Θεμελιώδεις αλγόριθμοι για επιστημονικούς υπολογισμούς στην Python". Nature Methods 17, 261–272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] Michael JD Powell. «Ο αλγόριθμος BOBYQA για δεσμευμένη περιορισμένη βελτιστοποίηση χωρίς παράγωγα». Τεχνική αναφορά. 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: The Electronic Structure Package for Quantum Computers» (2017). arXiv:1710.07629.
arXiv: 1710.07629

[39] Ewout van den Berg, Zlatko K Minev, Abhinav Kandala και Kristan Temme. "Πιθανολογική ακύρωση σφαλμάτων με αραιά μοντέλα Pauli-Lindblad σε θορυβώδεις κβαντικούς επεξεργαστές". Nature Physics 19, 1116–1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

Αναφέρεται από

[1] Ritajit Majumdar, Pedro Rivero, Friederike Metz, Areeq Hasan και Derek S Wang, «Βέλτιστες πρακτικές για τον μετριασμό κβαντικών σφαλμάτων με ψηφιακή παρέκταση μηδενικού θορύβου», arXiv: 2307.05203, (2023).

[2] Arnaud Carignan-Dugas, Shashank Kumar Ranu και 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 και Kyrylo Snizhko, «Μετριασμός των σφαλμάτων crosstalk με τυχαία μεταγλώττιση: Προσομοίωση του μοντέλου BCS σε υπεραγώγιμο κβαντικό υπολογιστή», arXiv: 2305.02345, (2023).

[4] ChangWon Lee και Daniel K. Park, «Κλιμακόμενος μετριασμός σφαλμάτων κβαντικής μέτρησης μέσω ανεξαρτησίας υπό όρους και μάθησης μεταφοράς», arXiv: 2308.00320, (2023).

Οι παραπάνω αναφορές είναι από SAO / NASA ADS (τελευταία ενημέρωση επιτυχώς 2023-11-20 13:58:16). Η λίστα μπορεί να είναι ελλιπής, καθώς δεν παρέχουν όλοι οι εκδότες τα κατάλληλα και πλήρη στοιχεία αναφοράς.

Δεν ήταν δυνατή η λήψη Crossref αναφερόμενα δεδομένα κατά την τελευταία προσπάθεια 2023-11-20 13:58:14: Δεν ήταν δυνατή η λήψη των αναφερόμενων δεδομένων για το 10.22331 / q-2023-11-20-1184 από την Crossref. Αυτό είναι φυσιολογικό αν το DOI καταχωρήθηκε πρόσφατα.

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