1NTT Communication Science Laboratories, NTT Corporation, 3-1 Morinosato Wakamiya, Atsugi, Kanagawa 243-0198, Jaapan
2Gunma ülikooli informaatikateaduskond, 4-2 Aramakimachi, Maebashi, Gunma 371-8510, Jaapan
3Yukawa teoreetilise füüsika instituut, Kyoto ülikool, Kitashirakawa Oiwakecho, Sakyo-ku, Kyoto 606-8502, Jaapan
4International Research Frontiers Initiative (IRFI), Tokyo Tehnoloogiainstituut, Jaapan
Kas see artikkel on huvitav või soovite arutada? Scite või jätke SciRate'i kommentaar.
Abstraktne
Mitmeid mürarikkaid keskmise skaala kvantarvutusi võib pidada logaritmilise sügavusega kvantahelateks hõredal kvantarvutuskiibil, kus kahe kubiti väravaid saab otse rakendada vaid mõnele kubitipaarile. Selles artiklis pakume välja meetodi sellise mürarikka keskmise skaala kvantarvutuse tõhusaks kontrollimiseks. Selleks iseloomustame esmalt väikesemahulisi kvantoperatsioone teemantnormi suhtes. Seejärel hindame neid iseloomustatud kvanttehteid kasutades täpsust $langlepsi_t|hat{rho}_{rm out}|psi_trangle$ tegeliku $n$-qubit väljundi oleku $hat{rho}_{rm out}$ vahel, mis on saadud mürarikkast keskmise skaala kvantarvutusest, ja ideaalsest väljundolekust (st sihtasendist oleku $psi_trangle) $|. Kuigi otsese täpsuse hindamise meetod nõuab $hat{rho}_{rm out}$ keskmiselt $O(2^n)$ koopiat, nõuab meie meetod isegi halvimal juhul vaid $O(D^32^{12D})$ koopiaid, kus $D$ on $|psi_trangle$ tihedus. Hõreda kiibi logaritmilise sügavusega kvantahelate puhul on $D$ maksimaalselt $O(log{n})$ ja seega on $O(D^32^{12D})$ polünoom väärtuses $n$. IBM Manila 5-kubitist kiipi kasutades viime läbi ka põhimõtet tõendava katse, et jälgida meie meetodi praktilist toimivust.
► BibTeX-i andmed
► Viited
[1] J. Preskill, Quantum Computing in the NISQ ajastu ja kaugemalgi, Quantum 2, 79 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79
[2] A. Peruzzo, J. McClean, P. Shadbolt, M.-H. Yung, X.-Q. Zhou, PJ Love, A. Aspuru-Guzik ja JL O'Brien, Variatsiooniline omaväärtuse lahendaja fotoonilisel kvantprotsessoril, Nat. Commun. 5, 4213 (2014).
https:///doi.org/10.1038/ncomms5213
[3] E. Farhi, J. Goldstone ja S. Gutmann, A Quantum Approximate Optimization Algorithm, arXiv:1411.4028.
https:///doi.org/10.48550/arxiv.1411.4028
arXiv: 1411.4028
[4] K. Mitarai, M. Negoro, M. Kitagawa ja K. Fujii, Quantum circuit learning, Phys. Rev. A 98, 032309 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.98.032309
[5] A. Kandala, A. Mezzacapo, K. Temme, M. Takita, M. Brink, JM Chow ja JM Gambetta, Riistvara tõhus variatsiooniline kvantomalahendaja väikeste molekulide ja kvantmagnetite jaoks, Nature (London) 549, 242 (2017).
https:///doi.org/10.1038/nature23879
[6] V. Havlíček, AD Córcoles, K. Temme, AW Harrow, A. Kandaka, JM Chow ja JM Gambetta, Supervised learning with quantum-enhanced feature spaces, Nature (London) 567, 209 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-0980-2
[7] Y. Li ja SC Benjamin, Efficient Variational Quantum Simulator Incorporating Active Error Minimization, Phys. Rev. X 7, 021050 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.7.021050
[8] K. Temme, S. Bravyi ja JM Gambetta, Error Mitigation for Short-Depth Quantum Circuits, Phys. Rev. Lett. 119, 180509 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.180509
[9] S. Endo, SC Benjamin ja Y. Li, Practical Quantum Error Mitigation for Near-Future Applications, Phys. Rev. X 8, 031027 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.8.031027
[10] VN Premakumar ja R. Joynt, Error Mitigation in Quantum Computers, mis alluvad ruumiliselt korrelatsioonimürale, arXiv:1812.07076.
https:///doi.org/10.48550/arxiv.1812.07076
arXiv: 1812.07076
[11] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh ja TE O'Brien, Madala hinnaga vigade leevendamine sümmeetriakontrolli abil, Phys. Rev. A 98, 062339 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.98.062339
[12] J. Sun, X. Yuan, T. Tsunoda, V. Vedral, SC Benjamin ja S. Endo, Realistic Noise in Practical Noisy Intermediate-Scale Quantum Devices, Phys. Rev. Applied 15, 034026 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.034026
[13] X.-M. Zhang, W. Kong, MU Farooq, M.-H. Yung, G. Guo ja X. Wang, Üldine tuvastamisel põhinev vigade leevendamine kvantautokodeerijate abil, Phys. Rev. A 103, L040403 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.103.L040403
[14] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, SC Benjamin ja Y. Li, Learning-Based Quantum Error Mitigation, PRX Quantum 2, 040330 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.040330
[15] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles ja L. Cincio, Vigade leevendamine Cliffordi kvantahela andmetega, Quantum 5, 592 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-11-26-592
[16] A. Zlokapa ja A. Gheorghiu, Süvaõppemudel müra ennustamiseks lähiaja kvantseadmetes, arXiv:2005.10811.
https:///doi.org/10.48550/arxiv.2005.10811
arXiv: 2005.10811
[17] K. Yeter-Aydeniz, RC Pooser ja G. Siopsis, Keemilise ja tuumaenergia taseme praktiline kvantarvutamine, kasutades kvantkujutluslikku ajaevolutsiooni ja Lanczose algoritme, npj Quantum Information 6, 63 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41534-020-00290-1
[18] B. Tan ja J. Cong, Optimality Study of Existing Quantum Computing Layout Synthesis Tools, IEEE Transactions on Computers 70, 1363 (2021).
https:///doi.org/10.1109/TC.2020.3009140
[19] MR Perelshtein, AI Pakhomchik, AA Melnikov, AA Novikov, A. Glatz, GS Paraoanu, VM Vinokur ja GB Lesovik, Large-Scale Linear Systems of Equations by a Quantum Hybrid Algorithm, Ann. Phys. 2200082 (2022).
https:///doi.org/10.1002/andp.202200082
[20] A. Kondratjev, Kvantahelas sündinud masina mittediferentseeritav õppimine geneetilise algoritmiga, Wilmott 2021, 50 (2021).
https:///doi.org/10.1002/wilm.10943
[21] S. Dasgupta, KE Hamilton ja A. Banerjee, Transmon qubit reservuaaride mälumahu iseloomustamine, arXiv:2004.08240.
https:///doi.org/10.48550/arxiv.2004.08240
arXiv: 2004.08240
[22] LM Sager, SE Smart, DA Mazziotti, Footonite eksitonkondensaadi valmistamine 53-kubitises kvantarvutis, Phys. Rev. Research 2, 043205 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.043205
[23] JR Wootton, Kvantprotseduur kaardi genereerimiseks, Proc. 2020. aasta IEEE mängude konverentsi (IEEE, Osaka, 2020), lk. 73.
https:///doi.org/10.1109/CoG47356.2020.9231571
[24] W.-J. Huang, W.-C. Chien, C.-H. Cho, C.-C. Huang, T.-W. Huang ja C.-R. Chang, Mermini mitme kubiti ebavõrdsus ortogonaalsete mõõtmistega IBM Q 53-kubitises süsteemis, Quantum Engineering 2, e45 (2020).
https:///doi.org/10.1002/que2.45
[25] T. Morimae, Kontrollimine ainult mõõtmiseks mõeldud pimedaks kvantarvutuseks, Phys. Rev. A 89, 060302(R) (2014).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.89.060302
[26] M. Hayashi ja T. Morimae, Verifiable Measurement-Only Blind Quantum Computing with Stabilizer Testing, Phys. Rev. Lett. 115, 220502 (2015).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.220502
[27] T. Morimae, Measurement-only verifable blind quantum computing with quantum input verification, Phys. Rev. A 94, 042301 (2016).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.94.042301
[28] D. Aharonov, M. Ben-Or, E. Eban ja U. Mahadev, Interactive Proofs for Quantum Computations, arXiv:1704.04487.
https:///doi.org/10.48550/arxiv.1704.04487
arXiv: 1704.04487
[29] JF Fitzsimons ja E. Kashefi, Tingimusteta kontrollitav pimekvantarvutus, Phys. Rev. A 96, 012303 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.96.012303
[30] T. Morimae, Y. Takeuchi ja M. Hayashi, Verification of hypergraph states, Phys. Rev. A 96, 062321 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.96.062321
[31] JF Fitzsimons, M. Hajdušek ja T. Morimae, Post hoc Verification of Quantum Computation, Phys. Rev. Lett. 120, 040501 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.040501
[32] Y. Takeuchi ja T. Morimae, Verification of Many-Qubit States, Phys. Rev. X 8, 021060 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.8.021060
[33] A. Broadbent, Kuidas kontrollida kvantarvutust, Arvutusteooria 14, 11 (2018).
https:///doi.org/10.4086/toc.2018.v014a011
[34] U. Mahadev, Classical Verification of Quantum Computations, Proc. 59. iga-aastase arvutiteaduse aluste sümpoosioni (IEEE, Pariis, 2018), lk. 259.
https:///doi.ieeecomputersociety.org/10.1109/FOCS.2018.00033
[35] Y. Takeuchi, A. Mantri, T. Morimae, A. Mizutani ja JF Fitzsimons, Kvantarvutite ressursitõhus kontrollimine Serflingi seotud npj Quantum Information 5, 27 (2019) abil.
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0142-2
[36] M. Hayashi ja Y. Takeuchi, pendeldamise kvantarvutuste kontrollimine kaalutud graafiku olekute täpsuse hindamise kaudu, New J. Phys. 21, 093060 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab3d88
[37] A. Gheorghiu ja T. Vidick, Computational-Secure and Composable Remote State Preparation, Proc. 60. iga-aastase arvutiteaduse aluste sümpoosioni (IEEE, Baltimore, 2019) lk. 1024.
https:///doi.org/10.1109/FOCS.2019.00066
[38] G. Alagic, AM Childs, AB Grilo ja S.-H. Hung, Kvantarvutuse mitteinteraktiivne klassikaline kontrollimine, Proc. Krüptograafia teooria konverents (Springer, Virtual, 2020), lk. 153.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-64381-2_6
[39] H. Zhu ja M. Hayashi, Efficient Verification of Hypergraph States, Phys. Rev. Applied 12, 054047 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.054047
[40] N.-H. Chia, K.-M. Chung ja T. Yamakawa, Classical Verification of Quantum Computations with Efficient Verifier, Proc. Krüptograafia teooria konverents (Springer, Virtual, 2020), lk. 181.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-64381-2_7
[41] D. Markham ja A. Krause, Lihtne protokoll graafiliste olekute ja rakenduste sertifitseerimiseks kvantvõrkudes, Cryptography 4, 3 (2020).
https:///doi.org/10.3390/cryptography4010003
[42] R. Raussendorf ja HJ Briegel, A One-Way Quantum Computer, Phys. Rev. Lett. 86, 5188 (2001).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.86.5188
[43] O. Regev, Võretest, vigadega õppimisest, juhuslikest lineaarsetest koodidest ja krüptograafiast, Journal of the ACM 56, 34 (2009).
https:///doi.org/10.1145/1568318.1568324
[44] Kui $n$-qubit kvanttehted on lubatud, on tõhus kontrollimine triviaalselt võimalik. Olgu $U$ ühtne operaator, mille puhul $|psi_trangle=U|0^nrangle$ on ideaalne väljundseisund $|psi_trangle$. Rakendame $U^†$ vastuvõetud olekule $hat{rho}$ ja mõõdame kõik kubitid arvutuslikul alusel. Seejärel, hinnates $0^n$ jälgimise tõenäosust, saame hinnata täpsust $langle 0^n|U^†hat{rho}U|0^nrangle$ vahemikus $|psi_trangle$ ja $hat{rho}$.
[45] Selguse huvides kasutame tähistust $hat{a}$, kui väiketäht $a$ on kvantolek või kvanttehte. Teisest küljest jätame iga suurtähe $A$ puhul välja $hat{color{white}{a}}$, isegi kui $A$ on kvantolek või kvanttehte.
[46] DT Smithey, M. Beck, MG Raymer ja A. Faridani, Wigneri jaotuse ja valgusrežiimi tihedusmaatriksi mõõtmine optilise homodüüntomograafia abil: rakendamine pigistatavatele olekutele ja vaakumile, Phys. Rev. Lett. 70, 1244 (1993).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.70.1244
[47] Z. Hradil, Quantum-state estimation, Phys. Rev. A 55, R1561(R) (1997).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.55.R1561
[48] K. Banaszek, GM D'Ariano, MGA Paris ja MF Sacchi, Tihedusmaatriksi maksimaalse tõenäosuse hinnang, Phys. Rev. A 61, 010304(R) (1999).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.61.010304
[49] ST Flammia ja Y.-K. Liu, otsene täpsuse hinnang väheste Pauli mõõtmiste põhjal, Phys. Rev. Lett. 106, 230501 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.230501
[50] S. Ferracin, T. Kapourniotis ja A. Datta, Mürarikaste keskmise ulatusega kvantarvutusseadmete väljundite akrediteerimine, New J. Phys. 21 113038 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab4fd6
[51] S. Ferracin, ST Merkel, D. McKay ja A. Datta, Mürarikaste kvantarvutite väljundite eksperimentaalne akrediteerimine, Phys. Rev. A 104, 042603 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.104.042603
[52] D. Leichtle, L. Music, E. Kashefi ja H. Ollivier, Verifying BQP Computations on Noisy Devices with Minimal Overhead, PRX Quantum 2, 040302 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.040302
[53] Y.-C. Liu, X.-D. Yu, J. Shang, H. Zhu ja X. Zhang, Efficient Verification of Dicke States, Phys. Rev. Applied 12, 044020 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.044020
[54] S. Bravyi, G. Smith ja JA Smolin, Trading Classical and Quantum Computational Resources, Phys. Rev. X 6, 021043 (2016).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.6.021043
[55] T. Peng, A. Harrow, M. Ozols ja X. Wu, Simulating Large Quantum Circuits on a Small Quantum Computer, Phys. Rev. Lett. 125, 150504 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.150504
[56] D. Aharonov, A. Kitaev ja N. Nisan, Quantum Circuits with Mixed States, Proc. 30. iga-aastase ACM-i arvutiteooria sümpoosioni (ACM, Dallas, 1998), lk. 20.
https:///doi.org/10.1145/276698.276708
[57] MA Nielsen ja IL Chuang, Quantum Computation and Quantum Information 10th Anniversary Edition (Cambridge University Press, Cambridge, 2010).
https:///doi.org/10.1017/CBO9780511976667
[58] M. Fanciulli, toim., Electron Spin Resonance and Related Phenomena in Low-Dimensional Structures (Springer, Berliin, 2009).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-79365-6
[59] W. Hoeffding, Piiratud juhuslike muutujate summade tõenäosuse ebavõrdsused, Journal of the American Statistical Association, 58, 13 (1963).
https:///www.tandfonline.com/doi/ref/10.1080/01621459.1963.10500830?scroll=top
[60] K. Li ja G. Smith, Quantum de Finetti teoreem all Fully-One-Way Adaptive Measurements, Phys. Rev. Lett. 114, 160503 (2015).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.160503
[61] F. Arute, K. Arya, R. Babbush, D. Bacon, JC Bardin, R. Barends, R. Biswas, S. Boixo, FGSL Brandao, DA Buell, B. Burkett, Y. Chen, Z. Chen, B. Chiaro, R. Collins, W. Courtney, A. Dunsworth, F. Giidow, F. ustina, R. Graff, K. Guerin, S. Habegger, parlamendisaadik Harrigan, MJ Hartmann, A. Ho, M. Hoffmann, T. Huang, TS Humble, SV Isakov, E. Jeffrey, Z. Jiang, D. Kafri, K. Kechedzhi, J. Kelly, PV Klimov, S. Landtris M., F. Luutsa, A. cero, D. Lyakh, S. Mandrà, JR McClean, M. McEwen, A. Megrant, X. Mi, K. Michielsen, M. Mohseni, J. Mutus, O. Naaman, M. Neeley, C. Neill, MY Niu, E. Ostby, A. Petukhov, JC Ronch, P. Rubinus, Rieffelnta Platt, C.EG. , KJ Satzinger, V. Smelyanskiy, KJ Sung, MD Trevithick, A. Vainsencher, B. Villalonga, T. White, ZJ Yao, P. Yeh, A. Zalcman, H. Neven ja JM Martinis, Quantum supremacy using a programable superconducting processor, Nature, Nature (Lon,don) 574 (Lon,don) 505 (Lon, 2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5
[62] RJ Lipton ja RE Tarjan, A Separator Theorem for Planar Graphs, SIAM J. Appl. matemaatika. 36, 177 (1979).
https:///doi.org/10.1137/0136016
[63] RJ Lipton ja RE Tarjan, Tasapinnalise eraldaja teoreemi rakendused, SIAM J. Comput. 9, 615 (1980).
https:///doi.org/10.1137/0209046
[64] K. Fujii, K. Mizuta, H. Ueda, K. Mitarai, W. Mizukami, YO Nakagawa, Deep Variational Quantum Eigensolver: A Divide-and-Conquer Method for Solving a Larger Problem with Smaller Size Quantum Computers, PRX Quantum 3, 010346 ().
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.010346
[65] W. Tang, T. Tomesh, M. Suchara, J. Larson ja M. Martonosi, CutQC: väikeste kvantarvutite kasutamine suurte kvantahelate hindamiseks, Proc. programmeerimiskeelte ja operatsioonisüsteemide arhitektuurilise toe 26. ACM rahvusvahelise konverentsi (ACM, Virtual, 2021), lk. 473.
https:///doi.org/10.1145/3445814.3446758
[66] K. Mitarai ja K. Fujii, Virtuaalse kahe qubit värava konstrueerimine ühe qubit operatsioonide valimi abil, New J. Phys. 23, 023021 (2021).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/abd7bc
[67] K. Mitarai ja K. Fujii, Overhead mittekohaliku kanali simuleerimiseks kohalike kanalitega kvaasitõenäosuse valimi abil, Quantum 5, 388 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-28-388
[68] MA Perlin, ZH Saleem, M. Suchara ja JC Osborn, Kvantahela lõikamine maksimaalse tõenäosusega tomograafiaga, npj Quantum Information 7, 64 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41534-021-00390-6
[69] T. Ayral, F.-M. L Régent, Z. Saleem, Y. Aleksejev ja M. Suchara, Quantum Divide and Compute: Hardware Demonstrations and Noisy Simulations, Proc. 2020. aasta IEEE Computer Society iga-aastase VLSI sümpoosioni (IEEE, Limassol, 2020) lk. 138.
https:///doi.org/10.1109/ISVLSI49217.2020.00034
Viidatud
[1] Ruge Lin ja Weiqiang Wen, "Kvantarvutusvõime kontrollimise protokoll mürarikaste keskmise skaala kvantseadmete jaoks, millel on kahetahulise koseti probleem". Füüsiline ülevaade A 106 1, 012430 (2022).
[2] Ruge Lin ja Weiqiang Wen, "Kvantarvutusvõime kontrollimise protokoll NISQ-seadmetele, millel on kahetahulise koseti probleem", arXiv: 2202.06984.
Ülaltoodud tsitaadid on pärit Crossrefi viidatud teenus (viimati edukalt värskendatud 2022-07-27 01:37:47) ja SAO/NASA KUULUTUSED (viimati edukalt värskendatud 2022-07-27 01:37:48). Loend võib olla puudulik, kuna mitte kõik väljaandjad ei esita sobivaid ja täielikke viiteandmeid.
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.
