شناسایی و کاهش خطاهای همدوس در یک پردازنده کوانتومی یونی به دام افتاده با استفاده از معکوس های پنهان

شناسایی و کاهش خطاهای همدوس در یک پردازنده کوانتومی یونی به دام افتاده با استفاده از معکوس های پنهان

تمبر زمان: 15 مه 2023، 8:55 صبح

سوارنادیپ ماجومدر1,2، کریستوفر جی. ییل3، تیتوس دی. موریس4دانیل اس. لابسر3، اشلین دی. برچ3، متیو NH چاو3,5,6، ملیسا سی رول3، سوزان ام. کلارک3و رافائل سی پوزر4

1مرکز کوانتومی دوک، دانشگاه دوک، دورهام، NC 27701، ایالات متحده آمریکا
2گروه مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه دوک، دورهام، NC 27708 ایالات متحده آمریکا
3آزمایشگاه ملی ساندیا، آلبوکرکی، NM 87123، ایالات متحده آمریکا
4بخش علوم اطلاعات کوانتومی، آزمایشگاه ملی اوک ریج، اوک ریج، TN 37831، ایالات متحده آمریکا
5گروه فیزیک و ستاره شناسی، دانشگاه نیومکزیکو، آلبوکرکی، NM 87131، ایالات متحده آمریکا
6مرکز اطلاعات و کنترل کوانتومی، دانشگاه نیومکزیکو، آلبوکرکی، NM 87131، ایالات متحده آمریکا

این مقاله را جالب می دانید یا می خواهید بحث کنید؟ SciRate را ذکر کنید یا در SciRate نظر بدهید.

چکیده

بسترهای آزمایش محاسبات کوانتومی کنترل کوانتومی با وفاداری بالایی را بر مجموعه‌های کوچک کیوبیت نشان می‌دهند، که امکان اجرای عملیات دقیق و قابل تکرار و به دنبال آن اندازه‌گیری را فراهم می‌کند. در حال حاضر، این دستگاه‌های پر سر و صدا در مقیاس متوسط ​​می‌توانند از تعداد کافی عملیات متوالی قبل از همدوسی پشتیبانی کنند، به طوری که الگوریتم‌های نزدیک‌مدت را می‌توان با دقت نزدیک انجام داد (مانند دقت شیمیایی برای مسائل شیمی کوانتومی). در حالی که نتایج این الگوریتم‌ها ناقص هستند، این نقص‌ها می‌توانند به راه‌اندازی توسعه بستر آزمایشی کامپیوتر کوانتومی کمک کنند. نمایش این الگوریتم‌ها در چند سال گذشته، همراه با این ایده که عملکرد ناقص الگوریتم می‌تواند ناشی از چندین منبع نویز غالب در پردازنده کوانتومی باشد، که می‌تواند در حین اجرای الگوریتم یا پس از پردازش اندازه‌گیری و کالیبره شود، منجر به استفاده از کاهش نویز برای بهبود نتایج محاسباتی معمولی. برعکس، الگوریتم‌های معیار همراه با کاهش نویز می‌توانند به تشخیص ماهیت نویز، چه سیستماتیک و چه کاملا تصادفی کمک کنند. در اینجا، ما استفاده از تکنیک‌های کاهش نویز منسجم را به عنوان یک ابزار مشخصه در بسترهای آزمایش یون به دام افتاده بیان می‌کنیم. ما مدل‌سازی داده‌های پر سر و صدا را برای تعیین منبع نویز بر اساس مدل‌های نویز متمرکز بر فیزیک واقعی انجام می‌دهیم و نشان می‌دهیم که تقویت سیستماتیک نویز همراه با طرح‌های کاهش خطا داده‌های مفیدی را برای کسر مدل نویز فراهم می‌کند. علاوه بر این، به منظور اتصال جزئیات مدل سطح پایین‌تر نویز با عملکرد خاص کاربرد الگوریتم‌های کوتاه‌مدت، ما به‌طور تجربی چشم‌انداز تلفات یک الگوریتم متغیر را تحت منابع مختلف نویز تزریقی همراه با تکنیک‌های کاهش خطا می‌سازیم. این نوع اتصال، کدنویسی سخت‌افزار آگاه از برنامه را ممکن می‌سازد، که در آن مهم‌ترین منابع نویز در برنامه‌های خاص، مانند شیمی کوانتومی، به کانون‌های بهبود در نسل‌های سخت‌افزار بعدی تبدیل می‌شوند.

مشخص کردن و کاهش خطاهای منسجم در یک پردازنده کوانتومی یونی به دام افتاده با استفاده از اطلاعات مخفی پلاتوبلاک چین. جستجوی عمودی Ai.

تصویر ویژه: جمعیت فضای فاز (احتمال اندازه‌گیری $|0rangle$) پس از اعمال [$H- X(Theta)- Z(Phi)- H^dagger$]$^{100}$ روی $|0rangle$ به عنوان یک تابع $Theta، Phi$ برای شبیه سازی و آزمایش. پروتکل‌های معکوس مخفی می‌توانند مشخصات دقیق و ارزان تک کیوبیتی را ارائه دهند.

خلاصه محبوب

کامپیوترهای کوانتومی دوران NISQ، طبق تعریف خود، نویزدار و ناقص هستند و به روش هایی برای کاهش خطا به منظور بهبود عملکرد مدار نیاز دارند. در این مقاله، ما نشان می‌دهیم که تکنیکی به نام معکوس‌های پنهان می‌تواند هم به عنوان روشی برای کاهش خطا و هم برای توصیف خطا عمل کند. معکوس‌های مخفی بر توانایی ساخت مدارهایی با دروازه‌های کامپوزیتی غیربومی که خود متصل هستند (مانند هادامارد یا کنترل‌شده-NOT) متکی هستند، به این معنی که می‌توان آن‌ها را از طریق یک سری گیت‌های سخت‌افزاری یا همان دروازه‌های داخلی معکوس ساخت. در ثبت و زمان سفارش با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی یون به دام افتاده، ما ابتدا آزمایشی را نشان می‌دهیم که در آن هادامارد و معکوس آن با چرخش‌های خطای کوچکی متناوب می‌شوند. با تطبیق نتایج با یک مدل ساده، می‌توانیم خطاهای منسجم را در سیستم مشخص کنیم و ببینیم که چگونه این خطاها در طول زمان تغییر می‌کنند. سپس از یک کنترل‌شده-NOT و معکوس آن در حل‌کننده ویژه کوانتومی متغیر استفاده می‌کنیم. از طریق تزریق خطای عمدی، ما نشان می‌دهیم که مدارهای ساخته شده از طریق پروتکل‌های معکوس پنهان، از تکنیک کاهش خطای دیگر، کامپایل تصادفی، بهتر عمل می‌کنند. ما بیشتر کاهش خطا را در این سیستم از طریق تصفیه ماتریک چگالی فرمیونی، یک روش پس پردازش، بررسی می‌کنیم. از طریق این بررسی، متوجه می‌شویم که استفاده از تکنیک مشابه، یعنی معکوس‌های پنهان، برای مشخص کردن منابع خطا در سخت‌افزار و سپس کاهش از طریق یک رویکرد یک ابزار قدرتمند برای رایانه‌های کوانتومی دوره NISQ است.

► داده های BibTeX

◄ مراجع

[1] JJ Wallman and J. Emerson، Physical Review A 94, 052325 (2016)، ناشر: 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، و KR Brown، Phys. Rev. Applied 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 و C. Monroe، Nature 598، 281 (2021) .
https://doi.org/​10.1038/​s41586-021-03928-y

[4] اس. کرینر، ان. لاکروآ، آ. رم، آ. دی پائولو، ای. جنوا، سی. لرو، سی. هلینگز، اس. لازار، اف. سویادک، جی. هرمان، جی نوریس، سی‌کی اندرسن، ام. مولر , A. Blais, C. Eichler, and A. Wallraff, Nature 605, 669 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-04566-8

[5] سی. رایان اندرسون، جی. بونت، کی. لی، دی. گرش، آ. هانکین، جی. گابلر، دی. فرانسوا، آ. چرنوگوزوف، دی. لوچتی، ان. براون، تی. گاترمن، اس. هالیت، K. Gilmore, J. Gerber, B. Neyenhuis, D. Hayes, and R. Stutz, Physical Review X 11, 041058 (2021)، ناشر: 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 جانسون، نماینده مجلس د. سیلوا، کالیفرنیا رایان، اس. کیمل، جی ام چاو، و تی اوکی، مجله جدید فیزیک 17، 113019 (2015)، ناشر: انتشارات IOP.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​17/​11/​113019

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

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

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

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

[18] K. Temme، S. Bravyi، و JM Gambetta، Phys. کشیش لِت 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, and 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 و RC Pooser، Advanced Quantum Technologies 4، 2100012 (2021).
https://doi.org/​10.1002/​qute.202100012

[22] اس ام کلارک، دی. لابسر، ام سی ریول، سی جی ییل، دی. بوسرت، ای دی برچ، ام. Winrow و 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، و C. Monroe، Phys. Rev. A 76, 052314 (2007).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.76.052314

[24] P. Maunz، Tech. نمایندگی 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 و C. Monroe، فیزیک کشیش لِت 104, 140501 (2010).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.104.140501

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

[27] پی جی لی، K.-A. Brickman، L. Deslauriers، PC Haljan، L.-M. دوان، و سی. مونرو، مجله اپتیک B: اپتیک کوانتومی و نیمه کلاسیک 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، و C. Monroe، Phys. Rev. A 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، و P. Maunz، در کنفرانس بین‌المللی IEEE 2020 درباره محاسبات و مهندسی کوانتومی (QCE) (2020) صفحات 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، و SM Clark، Jaqalpaw راهنمای تعریف پالس و شکل موج برای جقال (2021).
https://www.sandia.gov/​app/​uploads/​sites/​174/​2023/​03/​JaqalPaw__A_Guide_to_Defining_Pulses_and_Waveforms_for_Jaqal2.pdf

[31] پی. ویرتانن، آر. گومرز، تی ای اولیفانت، ام. هابرلند، تی. ردی، دی. کورناپو، ای. بوروسکی، پی. پترسون، دبلیو وکسر، جی. برایت، اس جی ون در والت، ام. برت، جی. ویلسون، کی جی میلمن، ان. مایوروف، آرجی نلسون، ای. جونز، آر. کرن، ای. لارسون، سی جی کری، ای. پولات، ی. فنگ، ای دبلیو مور، جی. واندرپلاس، دی. لاکسالد، جی. پرکتولد، آر. سیمرمن، آی. هنریکسن، ای.آ. کوینترو، سی آر هریس، ای.ام. آرچیبالد، ای.اچ ریبیرو، اف. پدرگوسا، پی. و 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 و RC Pooser، NPJ Quantum Inf 5، 99 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0209-0

[33] NC Rubin، R. Babbush و 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 و DM Meekhof، مجله تحقیقات موسسه ملی استاندارد و فناوری 103، 259 (1998).
https://doi.org/​10.6028/​jres.103.019

ذکر شده توسط

[1] He-Liang Huang، Xiao-Yue Xu، Chu Guo، Guojing Tian، Shi-Jie Wei، Xiaoming Sun، Wan-Su Bao و Gui-Lu Long، "تکنیک های محاسباتی کوانتومی کوتاه مدت: الگوریتم های کوانتومی متغیر، کاهش خطا، کامپایل مدار، بنچمارک و شبیه سازی کلاسیک» Science China Physics, Mechanics, and Astronomy 66 5, 250302 (2023).

[2] Zhubing Jia، Shilin Huang، Mingyu Kang، Ke Sun، Robert F. Spivey، Jungsang Kim و Kenneth R. Brown، "دروازه های دو کیوبیتی با زاویه قوی در کریستال یون خطی"، بررسی فیزیکی A 107 3, 032617 (2023).

[3] گابریل سندز، جولیانو بننتی و ماریا بوندانی، "اصلاح خطاهای منسجم با عملیات تصادفی روی سخت افزار کوانتومی واقعی"، آنتروپی 25 2، 324 (2023).

[4] مینگیو کانگ، یه وانگ، چائو فانگ، بیچن ژانگ، امید خسروانی، جونگ سانگ کیم و کنت آر براون، "طراحی توابع فیلتر پالس های مدوله شده با فرکانس برای دروازه های دو کیوبیتی با وفاداری بالا در زنجیره های یونی"، بررسی فیزیکی اعمال شده 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 و Susan M. Clark، "مدارهای دسته ای برای کاهش کامپایل در سخت افزار کنترل کوانتومی" arXiv: 2208.00076, (2022).

نقل قول های بالا از SAO/NASA Ads (آخرین به روز رسانی با موفقیت 2023-05-16 13:02:44). فهرست ممکن است ناقص باشد زیرا همه ناشران داده های استنادی مناسب و کاملی را ارائه نمی دهند.

On سرویس استناد شده توسط Crossref هیچ داده ای در مورد استناد به آثار یافت نشد (آخرین تلاش 2023-05-16 13:02:43).

این مقاله در Quantum تحت عنوان منتشر شده است Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) مجوز. حق چاپ نزد دارندگان حق چاپ اصلی مانند نویسندگان یا مؤسسات آنها باقی می ماند.

تمبر زمان:

بیشتر از مجله کوانتومی