کاهش خطای کوانتومی هم افزایی با کامپایل تصادفی و برون یابی با نویز صفر برای حل ویژه کوانتومی متغیر

کاهش خطای کوانتومی هم افزایی با کامپایل تصادفی و برون یابی با نویز صفر برای حل ویژه کوانتومی متغیر

تمبر زمان: 20 نوامبر 2023، 8:49 صبح

توموچیکا کوریتا1، همام قاسم2، ماساتوشی ایشی1هیروتاکا اوشیما1، شینتارو ساتو1و جوزف امرسون2

1آزمایشگاه کوانتومی، تحقیقات فوجیتسو، فوجیتسو محدود. 10-1 مورینوساتو واکامیا، آتسوگی، کاناگاوا، ژاپن 243-0197
2Keysight Technologies Canada, 137 Glasgow Street, Kitchener, ON, Canada, N2G 4X8

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

چکیده

ما یک استراتژی کاهش خطای کوانتومی برای الگوریتم حل ویژه کوانتومی (VQE) پیشنهاد می‌کنیم. ما از طریق شبیه‌سازی عددی متوجه می‌شویم که مقادیر بسیار کمی از نویز منسجم در VQE می‌تواند باعث ایجاد خطاهای بسیار بزرگی شود که سرکوب آن‌ها با روش‌های کاهش مرسوم دشوار است، و با این حال استراتژی کاهش پیشنهادی ما می‌تواند این خطاها را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. استراتژی پیشنهادی ترکیبی از تکنیک‌های گزارش‌شده قبلی، یعنی کامپایل تصادفی (RC) و برون‌یابی با نویز صفر (ZNE) است. به طور شهودی، کامپایل تصادفی، خطاهای منسجم در مدار را به خطاهای پائولی تصادفی تبدیل می‌کند، که برون‌یابی تا حد نویز صفر را هنگام ارزیابی تابع هزینه تسهیل می‌کند. شبیه‌سازی عددی ما از VQE برای مولکول‌های کوچک نشان می‌دهد که استراتژی پیشنهادی می‌تواند خطاهای انرژی ناشی از انواع مختلف نویز منسجم را تا دو مرتبه بزرگی کاهش دهد.

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

خلاصه محبوب

هنگامی که محاسبات کوانتومی را اجرا می کنیم، بسیار مهم است که خطاهای محاسباتی ناشی از نویز سخت افزاری را به حداقل برسانیم. برای سخت‌افزار کوانتومی مقیاس متوسط ​​نویزدار (NISQ)، می‌توان از تکنیک‌های کاهش خطای کوانتومی برای کاهش چنین خطاهایی استفاده کرد. با این حال، پرداختن به نویز منسجم به دو دلیل یک چالش مهم در کاهش خطا باقی می‌ماند: (XNUMX) حتی مقدار کمی نویز منسجم می‌تواند منجر به خطاهای محاسباتی اساسی شود، و (ب) کاهش این خطاها با استفاده از تکنیک‌های موجود دشوار است.
در این کار، ما یک تکنیک کاهش خطا را پیشنهاد می‌کنیم که به طور موثر خطاهای ناشی از نویز منسجم را کاهش می‌دهد. این تکنیک از اثر هم افزایی کامپایل تصادفی (RC) و برون یابی با نویز صفر (ZNE) استفاده می کند. RC نویز منسجم را به نویز پائولی تصادفی تبدیل می کند که می تواند به طور موثر با استفاده از ZNE کاهش یابد. شبیه‌سازی‌های عددی ما بر روی الگوریتم‌های حل‌کننده ویژه کوانتومی تغییری نشان می‌دهد که روش کاهش پیشنهادی ما یک اثر سرکوب‌کننده خطای قابل‌توجهی در برابر نویز منسجم نشان می‌دهد.

► داده های BibTeX

◄ مراجع

[1] سام مک آردل، سوگورو اندو، آلان آسپورو-گوزیک، سایمون سی بنجامین و شیائو یوان. "شیمی محاسباتی کوانتومی". بررسی های فیزیک مدرن 92، 015003 (2020).
https://doi.org/​10.1103/​RevModPhys.92.015003

[2] هاری پی پائودل، ماداوا سیاملال، اسکات ای کرافورد، یوه-لین لی، رومن آ شوگایف، پینگ لو، پل آر اوودنیکی، دارن مولوت و یوهوا دوان. محاسبات کوانتومی و شبیه سازی برای کاربردهای انرژی: بررسی و چشم انداز. ACS Engineering Au 2, 151–196 (2022).
https://doi.org/​10.1021/acsengineeringau.1c00033

[3] جولیا ای رایس، تانوی پی گجراتی، ماریو موتا، تایلر وای تاکشیتا، یونسئوک لی، جوزف آ لاتون و ژانت ام گارسیا. "محاسبات کوانتومی محصولات غالب در باتری های لیتیوم-گوگرد". مجله فیزیک شیمی 154, 134115 (2021).
https://doi.org/​10.1063/​5.0044068

[4] آستین جی فاولر، متئو ماریانتونی، جان ام مارتینیس و اندرو ان کلیلند. "کدهای سطحی: به سوی محاسبات کوانتومی در مقیاس بزرگ". بررسی فیزیکی A 86, 032324 (2012).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.86.032324

[5] آلبرتو پروزو، جارود مک‌کلین، پیتر شادبولت، من-هنگ یونگ، شیائو-چی ژو، پیتر جی لاو، آلان آسپورو-گوزیک، و جرمی ال اوبرین. حل‌کننده ارزش ویژه متغیر در یک پردازنده کوانتومی فوتونیک. ارتباطات طبیعت 5، 4213 (2014).
https://doi.org/10.1038/ncomms5213

[6] جارود آر مک‌کلین، جاناتان رومرو، رایان بابوش و آلان آسپورو-گوزیک. "نظریه الگوریتم های کوانتومی-کلاسیک ترکیبی تنوع". مجله جدید فیزیک 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

[7] پیتر جی جی اومالی، رایان بابوش، ایان دی کیولیچان، جاناتان رومرو، جارود آر مک‌کلین، رامی بارندز، جولیان کلی، پدرام روشن، اندرو ترانتر، نان دینگ و دیگران. "شبیه سازی کوانتومی مقیاس پذیر انرژی های مولکولی". Physical Review X 6, 031007 (2016).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevX.6.031007

[8] آبیناو کاندالا، آنتونیو مزاکاپو، کریستن تم، مایکا تاکیتا، مارکوس برینک، جری ام چاو و جی ام گامبتا. حل ویژه کوانتومی متغیر سخت افزاری برای مولکول های کوچک و آهنرباهای کوانتومی. Nature 549, 242-246 (2017).
https://doi.org/​10.1038/​nature23879

[9] جیمز اول کولس، وینای وی رامسش، دار دالن، ماکیل اس بلوک، مولی ای کیمچی شوارتز، جارود آر مک کلین، جاناتان کارتر، ویب آ دی جونگ و عرفان صدیقی. "محاسبه طیف مولکولی روی یک پردازنده کوانتومی با الگوریتم مقاوم در برابر خطا". Physical Review X 8, 011021 (2018).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevX.8.011021

[10] آبیناو کاندالا، کریستان تم، آنتونیو دی کورکولس، آنتونیو مزاکاپو، جری ام چاو و جی ام گامبتا. "کاهش خطا دامنه محاسباتی یک پردازنده کوانتومی پر سر و صدا را افزایش می دهد." Nature 567, 491–495 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[11] یانگ چائو شن، شیانگ ژانگ، شواینینگ ژانگ، جینگ-نینگ ژانگ، من-هنگ یونگ، و کیهوان کیم. "پیاده سازی کوانتومی خوشه جفت شده واحد برای شبیه سازی ساختار الکترونیکی مولکولی". بررسی فیزیکی A 95, 020501 (2017).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.020501

[12] یونسئونگ نام، جو-سی چن، نیل سی پیسنتی، کنت رایت، کانر دیلینی، دیمیتری ماسلوف، کنت آر براون، استوارت آلن، جیسون ام امینی، جوئل آپیسدورف، و همکاران. "تخمین انرژی حالت زمینی مولکول آب در یک کامپیوتر کوانتومی یون به دام افتاده". 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 و Hartmut Neven. "فلات های بی حاصل در مناظر آموزشی شبکه عصبی کوانتومی". ارتباطات طبیعت 9، 4812 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-07090-4

[14] جولز تیلی، هونگ شیانگ چن، شوشیانگ کائو، داریو پیکوزی، کاناو ستیا، یینگ لی، ادوارد گرانت، لئونارد ووسنیگ، ایوان رانگر، جورج اچ بوث و دیگران. «حل ویژه کوانتومی متغیر: مروری بر روش‌ها و بهترین شیوه‌ها». Physics Reports 986, 1-128 (2022).
https://doi.org/​10.1016/​j.physrep.2022.08.003

[15] سوگورو اندو، ژنیو کای، سایمون سی بنجامین و شیائو یوان. "الگوریتم های ترکیبی کوانتومی-کلاسیک و کاهش خطای کوانتومی". مجله انجمن فیزیکی ژاپن 90، 032001 (2021).
https://doi.org/​10.7566/​JPSJ.90.032001

[16] یینگ لی و سایمون سی بنجامین. "شبیه ساز کوانتومی متغیر کارآمد با حداقل سازی خطای فعال". Physical Review X 7, 021050 (2017).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevX.7.021050

[17] کریستن تم، سرگی براوی و جی ام گامبتا. "کاهش خطا برای مدارهای کوانتومی با عمق کوتاه". نامه های بررسی فیزیکی 119، 180509 (2017).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.119.180509

[18] آندره هه، بنجامین ناچمن، ویب آ د یونگ و کریستین دبلیو بائر. "برون یابی نویز صفر برای کاهش خطای دروازه کوانتومی با درج هویت". بررسی فیزیکی 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 و Kihwan Kim. «دروازه‌های کوانتومی کاهش‌یافته خطای بیش از وفاداری فیزیکی در یک سیستم یون به دام افتاده». ارتباطات طبیعت 11، 587 (2020).
https://doi.org/​10.1038/​s41467-020-14376-z

[20] جارود آر مک‌کلین، مولی ای کیمچی شوارتز، جاناتان کارتر، و ویب دی جونگ. "سلسله مراتب کوانتومی-کلاسیک ترکیبی برای کاهش ناهمدوسی و تعیین حالات برانگیخته". بررسی فیزیکی A 95, 042308 (2017).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.042308

[21] جوئل جی والمن و جوزف امرسون. "تنظیم نویز برای محاسبات کوانتومی مقیاس پذیر از طریق کامپایل تصادفی". بررسی فیزیکی A 94, 052325 (2016).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.94.052325

[22] آکل هاشم، راوی کی نایک، الکسیس موروان، ژان لوپ ویل، بردلی میچل، جان مارک کریکبام، مارک دیویس، اتان اسمیت، کاستین یانکو، کوین پی اوبراین و دیگران. "کامپایل تصادفی برای محاسبات کوانتومی مقیاس پذیر در یک پردازنده کوانتومی ابررسانا نویز". بررسی فیزیکی X 11, 041039 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevX.11.041039

[23] ژان لوپ ویل، الکسیس موروان، آکل هاشم، راوی کی نایک، ماری لو، بردلی میچل، جان مارک کریکبام، کوین پی اوبراین، جوئل جی والمن، ایان هینکس و دیگران. "بهره گیری از کامپایل تصادفی برای الگوریتم کوانتومی خیالی-زمان تکامل". تحقیقات مروری فیزیکی 4، 033140 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.4.033140

[24] یانگ سوک کیم، کریستوفر جی وود، تئودور جی یودر، ست تی مرکل، جی ام گامبتا، کریستان تم، و آبیناو کاندالا. "کاهش خطای مقیاس پذیر برای مدارهای کوانتومی پر سر و صدا، مقادیر انتظار رقابتی را تولید می کند." Nature Physics 19، 752-759 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[25] چائو سانگ، جینگ کوی، اچ وانگ، جی هائو، اچ فنگ و یانگ لی. "محاسبات کوانتومی با کاهش خطای جهانی در یک پردازنده کوانتومی ابررسانا". پیشرفت های علم 5، eaaw5686 (2019).
https://doi.org/​10.1126/​sciadv.aaw5686

[26] متیو ور، گیلهم ریبیل، دیگو ریست، کولم ای رایان، بلیک جانسون و مارکوس پی داسیلوا. "تصادفی سازی فریم پائولی روی یک کیوبیت ابررسانا". بررسی فیزیکی A 103, 042604 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.103.042604

[27] ساموئل فراسین، آکل هاشم، ژان لوپ ویل، راوی نایک، آرنو کاریگنان دوگاس، همام قاسم، الکسیس موروان، دیوید یک سانتیاگو، عرفان صدیقی و جوئل جی والمن. "بهبود کارآمد عملکرد کامپیوترهای کوانتومی پر سر و صدا" (2022). arXiv:2201.10672.
arXiv: 2201.10672

[28] نیک اس بلانت، لورا کان، روبرت ایزاک، ارل تی کمپبل و نیکول هولزمن. "تخمین فاز آماری و کاهش خطا در یک پردازنده کوانتومی ابررسانا" (2023). arXiv:2304.05126.
arXiv: 2304.05126

[29] سامسون وانگ، انریکو فونتانا، مارکو سرزو، کونال شارما، آکیرا سونه، لوکاس سینسیو و پاتریک جی کولز. فلات های بایر ناشی از نویز در الگوریتم های کوانتومی متغیر ارتباطات طبیعت 12، 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] مایکل آ نیلسن و آیزاک چوانگ. "محاسبات کوانتومی و اطلاعات کوانتومی". انتشارات دانشگاه کمبریج. (2002).
https://doi.org/​10.1017/​CBO9780511976667

[31] سونگهون لی، جونهو لی، هوانچن ژای، یو تانگ، الکساندر ام دالزل، آشوتوش کومار، فیلیپ هلمز، جانی گری، ژی هائو کوی، ونیوان لیو، و همکاران. "ارزیابی شواهد برای مزیت کوانتومی نمایی در شیمی کوانتومی حالت پایه". ارتباطات طبیعت 14، 1952 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-023-37587-6

[32] ژروم اف گونتیر، ماکسول دی رادین، کورنلیو بودا، اریک جی دوسکوسیل، کلنا ام ابوان و جاناتان رومرو. اندازه‌گیری‌ها به عنوان مانعی برای مزیت کوانتومی عملی کوتاه‌مدت در شیمی: تجزیه و تحلیل منابع. تحقیقات مروری فیزیکی 4، 033154 (2022).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.4.033154

[33] اوفلیا کرافورد، بارنابی ون استراتن، داوچن وانگ، توماس پارکس، ارل کمپبل و استفان بریرلی. "اندازه گیری کوانتومی کارآمد عملگرهای پائولی در حضور خطای نمونه محدود". Quantum 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[34] توموچیکا کوریتا، میکیو موریتا، هیروتاکا اوشیما و شینتارو ساتو. الگوریتم تقسیم بندی رشته های پائولی با مدل آیزینگ برای اندازه گیری همزمان. مجله شیمی فیزیک A 127، 1068-1080 (2023).
https://doi.org/​10.1021/​acs.jpca.2c06453

[35] استفانی جی بیل، آرنو کارینان-دوگاس، دار دالن، جوزف امرسون، یان هینکس، پاویتران ایر، آدیتیا جین، دیوید هافناگل، اگور اوسپادوف، همام قاسم، و همکاران. نرم افزار True-Q. فن آوری های کلیدی». آدرس اینترنتی: trueq.quantumbenchmark.com.
https://trueq.quantumbenchmark.com

[36] پائولی ویرتانن، رالف گومرز، تراویس ای. اولیفانت، مت هابرلند، تایلر ردی، دیوید کورناپو، اوگنی بوروسکی، پیرو پترسون، وارن وکسر، جاناتان برایت و دیگران. "SciPy 1.0: الگوریتم های اساسی برای محاسبات علمی در پایتون". Nature Methods 17، 261-272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] مایکل جی دی پاول. الگوریتم BOBYQA برای بهینه سازی محدود محدود بدون مشتقات. گزارش فنی. دانشگاه کمبریج، کمبریج (2009). آدرس اینترنتی: 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، و همکاران. "OpenFermion: بسته ساختار الکترونیکی برای کامپیوترهای کوانتومی" (2017). arXiv:1710.07629.
arXiv: 1710.07629

[39] اووت ون دن برگ، زلاتکو کی مینو، آبیناو کاندالا، و کرستان تممه. "لغو خطای احتمالی با مدل های پراکنده Pauli-Lindblad در پردازنده های کوانتومی پر سر و صدا". Nature Physics 19، 1116–1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

ذکر شده توسط

[1] Ritajit Majumdar، Pedro Rivero، Friederike Metz، Areeq Hasan و Derek S Wang، "بهترین شیوه ها برای کاهش خطای کوانتومی با برون یابی دیجیتالی نویز صفر". arXiv: 2307.05203, (2023).

[2] Arnaud Carignan-Dugas، Shashank Kumar Ranu، و Patrick Dreher، "تخمین مشارکت منسجم در نمایه خطا با استفاده از بازسازی خطای چرخه"، arXiv: 2303.09945, (2023).

[3] Hugo Perrin، Thibault Scoquart، Alexander Shnirman، Jörg Schmalian و Kyrylo Snizhko، "کاهش خطاهای تداخل با کامپایل تصادفی: شبیه سازی مدل BCS در یک کامپیوتر کوانتومی ابررسانا". arXiv: 2305.02345, (2023).

[4] ChangWon Lee و Daniel K. Park، "کاهش خطای اندازه گیری کوانتومی مقیاس پذیر از طریق استقلال شرطی و یادگیری انتقالی"، arXiv: 2308.00320, (2023).

نقل قول های بالا از SAO/NASA Ads (آخرین به روز رسانی با موفقیت 2023-11-20 13:58:16). فهرست ممکن است ناقص باشد زیرا همه ناشران داده های استنادی مناسب و کاملی را ارائه نمی دهند.

واکشی نشد داده های استناد شده متقاطع در آخرین تلاش 2023-11-20 13:58:14: داده های استناد شده برای 10.22331/q-2023-11-20-1184 از Crossref دریافت نشد. اگر DOI اخیراً ثبت شده باشد، طبیعی است.

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