Puhaste ja määrdunud kubittide võitlus osalise vigade parandamise ajastul

Puhaste ja määrdunud kubittide võitlus osalise vigade parandamise ajastul

Daniel Bultrini1,2, Simson Wang1,3, Piotr Czarnik1,4, Max Hunter Gordon1,5, M. Cerezo6,7, Patrick J. Coles1,7ja Lukasz Cincio1,7

1Teoreetiline osakond, Los Alamose riiklik labor, Los Alamos, NM 87545, USA
2Theoretische Chemie, Physikalisch-Chemisches Institut, Universität Heidelberg, INF 229, D-69120 Heidelberg, Saksamaa
3Imperial College London, London, Ühendkuningriik
4Teoreetilise Füüsika Instituut, Jagelloonia Ülikool, Krakov, Poola.
5Instituto de Física Teórica, UAM/CSIC, Universidad Autónoma de Madrid, Madrid 28049, Hispaania
6Infoteadused, Los Alamose riiklik labor, Los Alamos, NM 87545, USA
7Quantum Science Center, Oak Ridge, TN 37931, USA

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

Abstraktne

Kui veaparandus muutub võimalikuks, on vaja igale loogilisele kubitile pühendada suur hulk füüsilisi kubitte. Veaparandus võimaldab käivitada sügavamaid vooluringe, kuid iga täiendav füüsiline kubit võib potentsiaalselt kaasa aidata arvutusruumi eksponentsiaalsele suurenemisele, seega on kubitide kasutamine vigade parandamiseks või nende kasutamine mürarikaste kubitidena. Selles töös vaatleme mürarikaste kubittide kasutamise mõjusid koos müratute kubitidega (idealiseeritud mudel veaparandatud kubittide jaoks), mida me nimetame "puhtaks ja määrdunud" seadistuseks. Selle seadistuse iseloomustamiseks kasutame analüütilisi mudeleid ja numbrilisi simulatsioone. Numbriliselt näitame mürast põhjustatud viljatute platoode (NIBP) ilmnemist, st mürast põhjustatud vaadeldavate objektide eksponentsiaalset kontsentratsiooni Isingi mudeli Hamiltoni variatsioonilises ansatz-ahelas. Me täheldame seda isegi siis, kui ainult üks kubit on mürarikas ja sellel on piisavalt sügav vooluring, mis viitab sellele, et NIBP-sid ei saa täielikult ületada lihtsalt kubittide alamhulga vigade parandamisega. Positiivse poole pealt leiame, et iga müratu kubiidi korral vooluringis on gradientvaatluste kontsentratsiooni eksponentsiaalne allasurumine, mis näitab osalise veaparanduse kasulikkust. Lõpuks kinnitavad meie analüütilised mudelid neid järeldusi, näidates, et vaadeldavad andmed koonduvad eksponendi skaleerimisega, mis on seotud määrdunud ja kogu qubitide suhtega.

Tulevikus, kus on tõrketaluvusega kvantarvutid, avaneb täiesti uus kvantalgoritmide maailm, mis võib pakkuda eeliseid paljude klassikaliste algoritmide ees. See ei tule ilma teatud ohverdusteta – veaparandatud (või loogilise) kubiti kodeerimiseks vajalik kubitide arv on suur. Süsteemile ühe kubiidi lisamine kahekordistab masina saadaoleva arvutusruumi, seega esitame selles artiklis küsimuse: kas saate veaparandatud kubitid kombineerida füüsiliste kubitidega? Kuna müra takistab oluliselt kvantalgoritme, võib mõne algoritmiklassi puhul olla kasulik kombineerida veaparanduse eeliseid täiendava Hilberti ruumiga, mida pakuvad veaparanduseta füüsilised kubitid. Me läheneme sellele küsimusele, kasutades lähendust, kus müratud kubitid asendavad veaparandatud kubitid, mida me nimetame puhtaks; ja need on ühendatud mürarikaste füüsiliste kubitidega, mida me nimetame räpaseks. Näitame analüütiliselt ja numbriliselt, et ootusväärtuste mõõtmise vead summutatakse eksponentsiaalselt iga mürarikka kubiidi korral, mis asendatakse puhta qubitiga, ja et see käitumine järgib täpselt seda, mida masin teeks, kui oleksite vähendanud ühtlaselt mürarikka masina veamäära. määrdunud kubittide ja kogu kubittide suhte järgi.

► BibTeX-i andmed

► Viited

[1] Richard P. Feynman. "Füüsika simuleerimine arvutitega". International Journal of Theoretical Physics 21, 467–488 (1982).
https://​/​doi.org/​10.1007/​BF02650179

[2] Laird Egan, Dripto M Debroy, Crystal Noel, Andrew Risinger, Daiwei Zhu, Debopriyo Biswas, Michael Newman, Muyuan Li, Kenneth R Brown, Marko Cetina jt. "Veaparandatud qubiti tõrketaluv juhtimine". Nature 598, 281–286 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41586-021-03928-y

[3] Peter W Shor. "Kvantarvutamise algoritmid: diskreetsed logaritmid ja faktoring". In Proceedings 35. iga-aastane arvutiteaduse aluste sümpoosion. Lk 124–134. Ieee (1994).
https://​/​doi.org/​10.1109/​SFCS.1994.365700

[4] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim ja Seth Lloyd. "Lineaarsete võrrandisüsteemide kvantalgoritm". Physical Review Letters 103, 150502 (2009).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.103.150502

[5] John Preskill. "Kvantarvutus NISQ ajastul ja pärast seda". Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[6] M. Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan, Lukasz Cincio ja Patrick J. Coles. "Variatsioonilised kvantalgoritmid". Nature Reviews Physics 3, 625–644 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9

[7] Kishor Bharti, Alba Cervera-Lierta, Thi Ha Kyaw, Tobias Haug, Sumner Alperin-Lea, Abhinav Anand, Matthias Degroote, Hermanni Heimonen, Jakob S Kottmann, Tim Menke jt. "Mürarikkad keskmise skaala kvantalgoritmid". Reviews of Modern Physics 94, 015004 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.94.015004

[8] Jacob Biamonte, Peter Wittek, Nicola Pancotti, Patrick Rebentrost, Nathan Wiebe ja Seth Lloyd. "Kvantmasinaõpe". Nature 549, 195–202 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1038/​nature23474

[9] Michael A. Nielsen ja Isaac L. Chuang. "Kvantarvutus ja kvantteave". Cambridge University Press. Cambridge (2000).
https://​/​doi.org/​10.1017/​CBO9780511976667

[10] Dorit Aharonov, Michael Ben-Or, Russell Impagliazzo ja Noam Nisan. "Müraka pöörduva arvutuse piirangud" (1996). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189

[11] Michael Ben-Or, Daniel Gottesman ja Avinatan Hassidim. "Kvantkülmik" (2013). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1301.1995.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1301.1995

[12] Daniel Stilck França ja Raul Garcia-Patron. "Mürarikaste kvantseadmete optimeerimisalgoritmide piirangud". Nature Physics 17, 1221–1227 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-021-01356-3

[13] Samson Wang, Enrico Fontana, M. Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio ja Patrick J Coles. "Mürast põhjustatud viljatud platood variatsioonilistes kvantalgoritmides". Nature Communications 12, 1–11 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[14] Jarrod R McClean, Sergio Boixo, Vadim N Smelyanskiy, Ryan Babbush ja Hartmut Neven. Viljatud platood kvantnärvivõrgu treeningmaastikel. Nature Communications 9, 1–6 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-07090-4

[15] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cincio ja Patrick J Coles. "Kulufunktsioonist sõltuvad viljatud platood madalates parameetritega kvantahelates". Nature Communications 12, 1–12 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-21728-w

[16] Andrew Arrasmith, Zoë Holmes, Marco Cerezo ja Patrick J Coles. "Kvantviljakate platoode samaväärsus kulude koondumise ja kitsaste kurudega". Quantum Science and Technology 7, 045015 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ac7d06

[17] Andrew Arrasmith, M. Cerezo, Piotr Czarnik, Lukasz Cincio ja Patrick J Coles. Viljatute platoode mõju gradiendivabale optimeerimisele. Quantum 5, 558 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-05-558

[18] M. Cerezo ja Patrick J Coles. "Kvantnärvivõrkude kõrgema järgu tuletised viljatute platoodega". Quantum Science and Technology 6, 035006 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​abf51a

[19] Carlos Ortiz Marrero, Mária Kieferová ja Nathan Wiebe. "Põimumisest põhjustatud viljatud platood". PRX Quantum 2, 040316 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.040316

[20] Martin Larocca, Piotr Czarnik, Kunal Sharma, Gopikrishnan Muraleedharan, Patrick J. Coles ja M. Cerezo. Viljakate platoode diagnoosimine kvantoptimaalse kontrolli tööriistadega. Quantum 6, 824 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-09-29-824

[21] Zoë Holmes, Kunal Sharma, M. Cerezo ja Patrick J Coles. "Ansatzi väljendusvõime ühendamine gradiendi suurusjärkude ja viljatute platoodega". PRX Quantum 3, 010313 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.3.010313

[22] Supanut Thanasilp, Samson Wang, Nhat A Nghiem, Patrick J. Coles ja M. Cerezo. “Kvantmasinõppe mudelite treenitavuse peensused” (2021). url: https://​/​arxiv.org/​abs/​2110.14753.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s42484-023-00103-6
arXiv: 2110.14753

[23] Samson Wang, Piotr Czarnik, Andrew Arrasmith, M. Cerezo, Lukasz Cincio ja Patrick J Coles. "Kas vigade leevendamine võib parandada mürarikaste variatsioonikvantalgoritmide treenitavust?" (2021). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2109.01051.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2109.01051

[24] Ningping Cao, Junan Lin, David Kribs, Yiu-Tung Poon, Bei Zeng ja Raymond Laflamme. "NISQ: vigade parandamine, leevendamine ja müra simulatsioon" (2021). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2111.02345.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2111.02345

[25] Adam Holmes, Mohammad Reza Jokar, Ghasem Pasandi, Yongshan Ding, Massoud Pedram ja Frederic T Chong. "NISQ+: kvantarvutusvõimsuse suurendamine kvantveaparanduse lähendamise teel". 2020. aastal toimub ACM/IEEE 47. aasta rahvusvaheline arvutiarhitektuuri sümpoosion (ISCA). Lk 556–569. IEEE (2020). url: https://​/​doi.org/​10.1109/ISCA45697.2020.00053.
https://​/​doi.org/​10.1109/​ISCA45697.2020.00053

[26] Yasunari Suzuki, Suguru Endo, Keisuke Fujii ja Yuuki Tokunaga. "Kvantvigade leevendamine kui universaalne vigade vähendamise tehnika: rakendused NISQ-st kuni tõrketaluvusega kvantarvutite ajastuteni". PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.3.010345

[27] Emanuel Knill ja Raymond Laflamme. "Kvantinformatsiooni ühe biti võimsus". Physical Review Letters 81, 5672 (1998).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.81.5672

[28] Keisuke Fujii, Hirotada Kobayashi, Tomoyuki Morimae, Harumichi Nishimura, Shuhei Tamate ja Seiichiro Tani. "Kvantarvutamise võimsus vähese puhta kubitiga". 43. rahvusvaheline automaatide, keelte ja programmeerimise kollokvium (ICALP 2016) 55, 13:1–13:14 (2016).
https://​/​doi.org/​10.4230/​LIPIcs.ICALP.2016.13

[29] Tomoyuki Morimae, Keisuke Fujii ja Harumichi Nishimura. "Ühe mittepuhta kubiidi võimsus". Füüsiline ülevaade A 95, 042336 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.042336

[30] Craig Gidney. "Faktoorika n+2 puhta kubiidi ja n-1 määrdunud kubiidiga" (2017). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1706.07884.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1706.07884

[31] Anirban N. Chowdhury, Rolando D. Somma ja Yiğit Subaşı. "Sektsioonide arvutusfunktsioonid ühe puhta kubiti mudelis". Füüsiline ülevaade A 103, 032422 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.103.032422

[32] Keisuke Fujii, Hirotada Kobayashi, Tomoyuki Morimae, Harumichi Nishimura, Shuhei Tamate ja Seiichiro Tani. "Ühe puhta kubiti mudeli klassikalise simuleerimise võimatus korduva veaga". Physical Review Letters 120, 200502 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.120.200502

[33] Raymond Laflamme, Cesar Miquel, Juan Pablo Paz ja Wojciech Hubert Zurek. "Täiuslik kvantviga parandav kood". Phys. Rev. Lett. 77, 198–201 (1996).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.77.198

[34] Daniel Gottesman. "Sissejuhatus kvantvigade parandamisse ja tõrketaluvusega kvantarvutusse". Kvantinfoteadus ja selle panus matemaatikasse, Proceedings of Symposia in Applied Mathematics 63, 13–58 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1090/​psapm/​068/​2762145

[35] 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

[36] Yu Kitaev. "Kvantarvutused: algoritmid ja veaparandus". Russian Mathematical Surveys 52, 1191 (1997).
https:/​/​doi.org/​10.1070/​RM1997v052n06ABEH002155

[37] Chris N Self, Marcello Benedetti ja David Amaro. "Ekspressiivsete ahelate kaitsmine kvantvea tuvastamise koodiga" (2022). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.06703.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.06703

[38] Rolando D Somma. "Kvantomaväärtuse hindamine aegridade analüüsi abil". New Journal of Physics 21, 123025 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab5c60

[39] Vojtěch Havlíček, Antonio D Córcoles, Kristan Temme, Aram W Harrow, Abhinav Kandala, Jerry M Chow ja Jay M Gambetta. "Järelevalvega õppimine kvant-täiustatud funktsiooniruumidega". Nature 567, 209–212 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-0980-2

[40] Andrew G Taube ja Rodney J Bartlett. "Uued vaatenurgad ühtse sidestatud klastri teooriale". International Journal of quantum Chemistry 106, 3393–3401 (2006).
https://​/​doi.org/​10.1002/​qua.21198

[41] Sumeet Khatri, Ryan LaRose, Alexander Poremba, Lukasz Cincio, Andrew T Sornborger ja Patrick J Coles. "Kvantiabiga kvantkompileerimine". Quantum 3, 140 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-05-13-140

[42] Colin J Trout, Muyuan Li, Mauricio Gutiérrez, Yukai Wu, Sheng-Tao Wang, Luming Duan ja Kenneth R Brown. "Distance-3 pinnakoodi jõudluse simuleerimine lineaarses ioonilõksus". New Journal of Physics 20, 043038 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aab341

[43] Lukasz Cincio, Yiğit Subaşı, Andrew T Sornborger ja Patrick J Coles. "Olekute kattumise kvantalgoritmi õppimine". New Journal of Physics 20, 113022 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aae94a

[44] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone ja Sam Gutmann. "Kvantligikaudne optimeerimisalgoritm" (2014). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1411.4028.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1411.4028

[45] Stuart Hadfield, Zhihui Wang, Bryan O'Gorman, Eleanor G Rieffel, Davide Venturelli ja Rupak Biswas. "Kvantligikaudsest optimeerimisalgoritmist kuni kvantvahelduva operaatorini ansatz". Algoritmid 12, 34 (2019).
https://​/​doi.org/​10.3390/​a12020034

[46] Maria Schuld, Ville Bergholm, Christian Gogolin, Josh Izaac ja Nathan Killoran. "Analüütiliste gradientide hindamine kvantriistvaras". Physical Review A 99, 032331 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.99.032331

[47] Lukasz Cincio, Kenneth Rudinger, Mohan Sarovar ja Patrick J. Coles. "Mürakindlate kvantahelate masinõpe". PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.010324

[48] Ryuji Takagi, Suguru Endo, Shintaro Minagawa ja Mile Gu. "Kvantvigade leevendamise põhipiirangud". npj Quantum Information 8, 114 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00618-z

[49] Sergei Danilin, Nicholas Nugent ja Martin Weides. "Kvantseire häälestatavate ülijuhtivate kubitidega: optimeerimine ja kiirendamine" (2022). url: https://​/​arxiv.org/​abs/​2211.08344.
arXiv: 2211.08344

[50] Nikolai Lauk, Neil Sinclair, Shabir Barzanjeh, Jacob P Covey, Mark Saffman, Maria Spiropulu ja Christoph Simon. "Kvanttransduktsiooni perspektiivid". Quantum Science and Technology 5, 020501 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ab788a

[51] Bernhard Baumgartner. "Ebavõrdsus maatriksproduktide jälje jaoks, kasutades absoluutväärtusi" (2011). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189

Viidatud

[1] Mikel Garcia-de-Andoin, Álvaro Saiz, Pedro Pérez-Fernández, Lucas Lamata, Izaskun Oregi ja Mikel Sanz, "Digital-Analog Quantum Computation with Arbitrary Two-Body Hamiltonians" arXiv: 2307.00966, (2023).

[2] Abdullah Ash Saki, Amara Katabarwa, Salonik Resch ja George Umbrarescu, "Hypothesis Testing for Error Mitigation: How to Evaluate Error Mitigation" arXiv: 2301.02690, (2023).

[3] Patrick J. Coles, Collin Szczepanski, Denis Melanson, Kaelan Donatella, Antonio J. Martinez ja Faris Sbahi, "Thermodynamic AI and the fluktuation frontier" arXiv: 2302.06584, (2023).

[4] M. Cerezo, Guillaume Verdon, Hsin-Yuan Huang, Lukasz Cincio ja Patrick J. Coles, „Challenges and Opportunities in Quantum Machine Learning” arXiv: 2303.09491, (2023).

[5] Nikolaos Koukoulekidis, Samson Wang, Tom O'Leary, Daniel Bultrini, Lukasz Cincio ja Piotr Czarnik, "Osalise veaparanduse raamistik keskmise mastaabiga kvantarvutitele". arXiv: 2306.15531, (2023).

Ülaltoodud tsitaadid on pärit SAO/NASA KUULUTUSED (viimati edukalt värskendatud 2023-07-13 15:21:51). Loend võib olla puudulik, kuna mitte kõik väljaandjad ei esita sobivaid ja täielikke viiteandmeid.

Ei saanud tuua Ristviide viidatud andmete alusel viimase katse ajal 2023-07-13 15:21:50: 10.22331/q-2023-07-13-1060 viidatud andmeid ei saanud Crossrefist tuua. See on normaalne, kui DOI registreeriti hiljuti.

Ajatempel:

Veel alates Quantum Journal