Sünergiline kvantvea leevendamine variatsioonilise kvantomalahendaja randomiseeritud kompileerimise ja nullmüra ekstrapoleerimisega

Sünergiline kvantvea leevendamine variatsioonilise kvantomalahendaja randomiseeritud kompileerimise ja nullmüra ekstrapoleerimisega

Ajatempel: 20. november 2023 8:49

Tomochika Kurita1, Hammam Qassim2, Masatoshi Ishii1, Hirotaka Oshima1, Shintaro Sato1ja Joseph Emerson2

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

Kas see artikkel on huvitav või soovite arutada? Scite või jätke SciRate'i kommentaar.

Abstraktne

Pakume välja kvantvigade leevendamise strateegia variatsioonilise kvantomalahenduse (VQE) algoritmi jaoks. Leiame numbrilise simulatsiooni abil, et väga väikesed koherentse müra kogused VQE-s võivad põhjustada oluliselt suuri vigu, mida on tavapäraste leevendusmeetoditega raske summutada, kuid meie pakutud leevendusstrateegia suudab neid vigu märkimisväärselt vähendada. Kavandatud strateegia on kombinatsioon varem teatatud tehnikatest, nimelt randomiseeritud kompileerimisest (RC) ja nullmüra ekstrapoleerimisest (ZNE). Intuitiivselt muudab randomiseeritud kompileerimine ahela koherentsed vead stohhastilisteks Pauli vigadeks, mis hõlbustab kulufunktsiooni hindamisel ekstrapoleerimist nullmüra piirini. Meie VQE arvuline simulatsioon väikeste molekulide jaoks näitab, et pakutud strateegia võib leevendada erinevat tüüpi koherentse müra põhjustatud energiavigu kuni kahe suurusjärgu võrra.

Sünergiline kvantvigade leevendamine variatsioonilise kvantomalahendaja PlatoBlockchain Data Intelligence randomiseeritud kompileerimise ja nullmüra ekstrapoleerimisega. Vertikaalne otsing. Ai.

Populaarne kokkuvõte

Kui teostame kvantarvutusi, on ülioluline minimeerida riistvaramürast põhjustatud arvutusvigu. Mürarikka keskmise skaala kvant (NISQ) riistvara puhul saab selliste vigade vähendamiseks kasutada kvantvigade leevendamise tehnikaid. Koherentse müra käsitlemine on aga endiselt suur väljakutse vigade leevendamisel kahel põhjusel: (i) isegi väike koherentne müra võib põhjustada olulisi arvutusvigu ja (ii) neid vigu on olemasolevate tehnikate abil raske leevendada.
Selles töös pakume välja vigade leevendamise tehnika, mis vähendab tõhusalt koherentsest mürast põhjustatud vigu. See meetod kasutab randomiseeritud kompileerimise (RC) ja nullmüra ekstrapolatsiooni (ZNE) sünergilist efekti. RC muudab koherentse müra stohhastiliseks Pauli müraks, mida saab ZNE abil tõhusalt leevendada. Meie arvulised simulatsioonid variatiivsete kvantomalahendaja algoritmide kohta näitavad, et meie pakutud leevendustehnikal on märkimisväärne vigade summutav toime koherentse müra vastu.

► BibTeX-i andmed

► Viited

[1] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin ja Xiao Yuan. "Kvantarvutuskeemia". 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 ja Yuhua Duan. "Kvantarvutus ja energiarakenduste simulatsioonid: ülevaade ja perspektiiv". 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 ja Jeannette M Garcia. "Liitium-väävelpatareide domineerivate toodete kvantarvutus". The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1063/​5.0044068

[4] Austin G Fowler, Matteo Mariantoni, John M Martinis ja Andrew N Cleland. Pinnakoodid: praktilise suuremahulise kvantarvutuse suunas. 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 ja Jeremy L O'brien. "Variatsiooniline omaväärtuse lahendaja fotoonilisel kvantprotsessoril". Looduskommunikatsioonid 5, 4213 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms5213

[6] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush ja Alán Aspuru-Guzik. "Variatsiooniliste hübriidsete kvant-klassikaliste algoritmide teooria". 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 jt. "Molekulaarenergia skaleeritav kvantsimulatsioon". Füüsiline ülevaade 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 ja Jay M Gambetta. "Riistvarasäästlik variatsiooniline kvantomalahendaja väikeste molekulide ja kvantmagnetite jaoks". 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 ja Irfan Siddiqi. "Molekulaarspektrite arvutamine tõrkekindla algoritmiga kvantprotsessoris". 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 ja Jay M Gambetta. "Veade leevendamine laiendab mürarikka kvantprotsessori arvutuslikku ulatust." 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 ja Kihwan Kim. "Ühtse sidestatud klastri kvantrakendus molekulaarse elektroonilise struktuuri simuleerimiseks". Physical Review 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 jt. "Veemolekuli põhioleku energiahinnang lõksus-ioonide kvantarvutis". 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 ja Hartmut Neven. Viljatud platood kvantnärvivõrgu treeningmaastikel. Looduskommunikatsioonid 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 jt. "Variational Quantum Eigensolver: meetodite ja parimate tavade ülevaade". Physics Reports 986, 1–128 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.physrep.2022.08.003

[15] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin ja Xiao Yuan. "Kvantklassikalised hübriidalgoritmid ja kvantvigade leevendamine". Journal of the Physical Society of Japan 90, 032001 (2021).
https://​/​doi.org/​10.7566/​JPSJ.90.032001

[16] Ying Li ja Simon C Benjamin. "Tõhus variatsiooniline kvantsimulaator, mis sisaldab aktiivset vigade minimeerimist". Physical Review X 7, 021050 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.7.021050

[17] Kristan Temme, Sergey Bravyi ja Jay M Gambetta. "Lühisügavuste kvantahelate vea leevendamine". Füüsilise ülevaate kirjad 119, 180509 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.119.180509

[18] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A de Jong ja Christian W Bauer. "Nullmüra ekstrapoleerimine kvantvärava vigade leevendamiseks identiteedi sisestamisega". Füüsiline ülevaade 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 ja Kihwan Kim. "Vigadega leevendatud kvantväravad, mis ületavad füüsilisi täpsusi lõksu ioonide süsteemis". Looduskommunikatsioonid 11, 587 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-14376-z

[20] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter ja Wibe A De Jong. Hübriidne kvantklassikaline hierarhia dekoherentsi leevendamiseks ja ergastatud olekute määramiseks. Füüsiline ülevaade A 95, 042308 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.042308

[21] Joel J Wallman ja Joseph Emerson. "Müra kohandamine skaleeritava kvantarvutuse jaoks juhusliku kompileerimise abil". Füüsiline ülevaade 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 jt. "Juhuslik kompileerimine skaleeritava kvantarvutuse jaoks mürarikkal ülijuhtival kvantprotsessoril". 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 jt. "Juhusliku kompileerimise võimendamine kvantimaginaarse aja-arengu algoritmi jaoks". 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 ja Abhinav Kandala. "Mürarikaste kvantahelate skaleeritav vigade leevendamine loob konkurentsivõimelisi ootusväärtusi." 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 ja Ying Li. "Kvantarvutus ülijuhtival kvantprotsessoril universaalse vigade vähendamisega". Teaduse edusammud 5, eaaw5686 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.aaw5686

[26] Matthew Ware, Guilhem Ribeill, Diego Riste, Colm A Ryan, Blake Johnson ja Marcus P Da Silva. "Eksperimentaalne Pauli kaadri randomiseerimine ülijuhtival kubitil". 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 ja Joel J Wallman. "Mürarikaste kvantarvutite jõudluse tõhus parandamine" (2022). arXiv:2201.10672.
arXiv: 2201.10672

[28] Nick S Blunt, Laura Caune, Róbert Izsák, Earl T Campbell ja Nicole Holzmann. "Statistiline faasi hindamine ja vigade leevendamine ülijuhtival kvantprotsessoril" (2023). arXiv:2304.05126.
arXiv: 2304.05126

[29] Samson Wang, Enrico Fontana, Marco Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio ja Patrick J Coles. "Mürast põhjustatud viljatud platood variatsioonilistes kvantalgoritmides". Looduskommunikatsioonid 12, 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] Michael A Nielsen ja Isaac Chuang. "Kvantarvutus ja kvantteave". 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 jt. "Põhiseisundi kvantkeemia eksponentsiaalse kvanteelise tõendite hindamine". Looduskommunikatsioonid 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 ja Jhonathan Romero. "Mõõtmised kui takistus lähiaja praktilise kvanteelise saavutamiseks keemias: ressursside analüüs". 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 ja Stephen Brierley. "Pauli operaatorite tõhus kvantmõõtmine lõpliku valimivea korral". Quantum 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[34] Tomochika Kurita, Mikio Morita, Hirotaka Oshima ja Shintaro Sato. "Pauli stringi eraldamise algoritm Isingi mudeliga samaaegseks mõõtmiseks". 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 jt. "True-Q tarkvara. 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 jt. "SciPy 1.0: Pythoni teadusliku andmetöötluse põhialgoritmid". Nature Methods 17, 261–272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] Michael JD Powell. "BOBYQA algoritm seotud piiratud optimeerimiseks ilma tuletisteta". Tehniline aruanne. Cambridge'i Ülikool, 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 jt. "OpenFermion: Quantum Computers elektrooniline struktuuripakett" (2017). arXiv:1710.07629.
arXiv: 1710.07629

[39] Ewout van den Berg, Zlatko K Minev, Abhinav Kandala ja Kristan Temme. "Tõenäosuslik vigade tühistamine hõredate Pauli-Lindbladi mudelitega mürarikastel kvantprotsessoritel". Nature Physics 19, 1116–1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

Viidatud

[1] Ritajit Majumdar, Pedro Rivero, Friederike Metz, Areeq Hasan ja Derek S Wang, "Parimad tavad kvantvigade leevendamiseks digitaalse nullmüra ekstrapoleerimisega", arXiv: 2307.05203, (2023).

[2] Arnaud Carignan-Dugas, Shashank Kumar Ranu ja Patrick Dreher, „Veaprofiili sidusate panuste hindamine tsüklitõrke rekonstrueerimise abil”, arXiv: 2303.09945, (2023).

[3] Hugo Perrin, Thibault Scoquart, Alexander Shnirman, Jörg Schmalian ja Kyrylo Snizhko, "Riikkõnede vigade leevendamine juhusliku kompileerimise abil: BCS-mudeli simulatsioon ülijuhtivas kvantarvutis" arXiv: 2305.02345, (2023).

[4] ChangWon Lee ja Daniel K. Park, "Skaleeritav kvantmõõtmise vigade leevendamine tingimusliku sõltumatuse ja ülekande õppimise kaudu", arXiv: 2308.00320, (2023).

Ülaltoodud tsitaadid on pärit SAO/NASA KUULUTUSED (viimati edukalt värskendatud 2023-11-20 13:58:16). Loend võib olla puudulik, kuna mitte kõik väljaandjad ei esita sobivaid ja täielikke viiteandmeid.

Ei saanud tuua Ristviide viidatud andmete alusel viimase katse ajal 2023-11-20 13:58:14: 10.22331/q-2023-11-20-1184 viidatud andmeid ei saanud Crossrefist tuua. See on normaalne, kui DOI registreeriti hiljuti.

See raamat on avaldatud Quantum all Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) litsents. Autoriõigus jääb algsetele autoriõiguste valdajatele, näiteks autoritele või nende institutsioonidele.

Ajatempel:

Veel alates Quantum Journal