نبرد کیوبیت های پاک و کثیف در عصر تصحیح خطای جزئی

نبرد کیوبیت های پاک و کثیف در عصر تصحیح خطای جزئی

دانیل بولترینی1,2، سامسون وانگ1,3، پیوتر چارنیک1,4، مکس هانتر گوردون1,5، ام. سرزو6,7، پاتریک جی کولز1,7، و لوکاس سینسیو1,7

1بخش نظری، آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، لس آلاموس، NM 87545، ایالات متحده آمریکا
2Theoretische Chemie, Physikalisch-Chemisches Institute, Universität Heidelberg, INF 229, D-69120 Heidelberg, Germany
3امپریال کالج لندن، لندن، انگلستان
4مؤسسه فیزیک نظری، دانشگاه Jagiellonian، کراکوف، لهستان.
5Instituto de Física Teórica، UAM/CSIC، Universidad Autónoma de Madrid، مادرید 28049، اسپانیا
6علوم اطلاعات، آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، لس آلاموس، NM 87545، ایالات متحده آمریکا
7مرکز علوم کوانتومی، اوک ریج، TN 37931، ایالات متحده آمریکا

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

چکیده

هنگامی که تصحیح خطا ممکن شد، لازم است تعداد زیادی کیوبیت فیزیکی به هر کیوبیت منطقی اختصاص داده شود. تصحیح خطا اجازه می دهد تا مدارهای عمیق تری اجرا شوند، اما هر کیوبیت فیزیکی اضافی به طور بالقوه می تواند به افزایش نمایی در فضای محاسباتی کمک کند، بنابراین بین استفاده از کیوبیت ها برای تصحیح خطا یا استفاده از آنها به عنوان کیوبیت های پر سر و صدا، تعادل وجود دارد. در این کار ما به اثرات استفاده از کیوبیت‌های پر سر و صدا در ارتباط با کیوبیت‌های بدون نویز (یک مدل ایده‌آل برای کیوبیت‌های تصحیح شده با خطا)، که ما آن را تنظیم «تمیز و کثیف» می‌نامیم، نگاه می‌کنیم. ما از مدل‌های تحلیلی و شبیه‌سازی‌های عددی برای توصیف این تنظیم استفاده می‌کنیم. از نظر عددی، ما ظاهر فلات بی‌ثمر ناشی از نویز (NIBPs) را نشان می‌دهیم، به عنوان مثال، غلظت نمایی از موارد مشاهده‌شده ناشی از نویز، در یک مدار ansatz متغیر همیلتونی مدل Ising. ما این را مشاهده می کنیم حتی اگر فقط یک کیوبیت نویز داشته باشد و یک مدار به اندازه کافی عمیق داده شود، که نشان می دهد NIBP ها را نمی توان به سادگی با تصحیح خطا زیر مجموعه ای از کیوبیت ها به طور کامل غلبه کرد. از جنبه مثبت، متوجه می‌شویم که برای هر کیوبیت بی‌صدا در مدار، یک سرکوب نمایی در غلظت مشاهده‌پذیرهای گرادیان وجود دارد که نشان‌دهنده مزایای تصحیح خطای جزئی است. در نهایت، مدل‌های تحلیلی ما این یافته‌ها را با نشان دادن اینکه قابل مشاهده‌ها با مقیاس‌گذاری در توان مربوط به نسبت کیوبیت‌های کثیف به کل متمرکز می‌شوند، تأیید می‌کنند.

در آینده با کامپیوترهای کوانتومی مقاوم به خطا، دنیای کاملا جدیدی از الگوریتم‌های کوانتومی باز خواهد شد که ممکن است نسبت به بسیاری از الگوریتم‌های کلاسیک برتری داشته باشد. این بدون برخی از قربانیان انجام نمی شود - تعداد کیوبیت های مورد نیاز برای رمزگذاری یک کیوبیت تصحیح شده (یا منطقی) خطا زیاد خواهد بود. افزودن یک کیوبیت به یک سیستم فضای محاسباتی موجود دستگاه را دو برابر می‌کند، بنابراین در این مقاله این سوال را مطرح می‌کنیم: آیا می‌توانید کیوبیت‌های تصحیح شده با خطا را با کیوبیت‌های فیزیکی ترکیب کنید؟ از آنجایی که نویز تا حد زیادی مانع الگوریتم‌های کوانتومی می‌شود، شاید ترکیب مزایای تصحیح خطا با فضای هیلبرت اضافی که توسط کیوبیت‌های فیزیکی اصلاح‌نشده بدون خطا فراهم می‌شود، ممکن است برای برخی از کلاس‌های الگوریتم‌ها مفید باشد. ما با استفاده از تقریبی به این سوال می پردازیم که در آن کیوبیت های بدون نویز جای کیوبیت های تصحیح شده با خطا را می گیرند که ما آن را پاک می نامیم. و آنها با کیوبیت های فیزیکی پر سر و صدا که ما آنها را کثیف می نامیم جفت می شوند. ما به صورت تحلیلی و عددی نشان می‌دهیم که خطاها در اندازه‌گیری مقادیر انتظاری به‌صورت تصاعدی برای هر کیوبیت پر سر و صدایی که با یک کیوبیت تمیز جایگزین می‌شود، سرکوب می‌شود، و این رفتار دقیقاً از کاری که ماشین انجام می‌داد اگر میزان خطای یک ماشین یکنواخت نویز را کاهش می‌دادید، دنبال می‌کند. با نسبت کیوبیت های کثیف به کل کیوبیت ها.

► داده های BibTeX

◄ مراجع

[1] ریچارد پی فاینمن. شبیه سازی فیزیک با کامپیوتر مجله بین المللی فیزیک نظری 21، 467-488 (1982).
https://doi.org/​10.1007/​BF02650179

[2] لیرد ایگان، دریپتو ام دبروی، کریستال نوئل، اندرو رایسینگر، دایوی ژو، دبوپریو بیسواس، مایکل نیومن، مویون لی، کنت آر براون، مارکو سیتینا، و همکاران. "کنترل تحمل خطا یک کیوبیت تصحیح شده با خطا". Nature 598, 281-286 (2021).
https://doi.org/​10.1038/​s41586-021-03928-y

[3] پیتر دبلیو شور. «الگوریتم‌های محاسبات کوانتومی: لگاریتم‌های گسسته و فاکتورگیری». در مجموعه مقالات سی و پنجمین سمپوزیوم سالانه مبانی علوم کامپیوتر. صفحات 35-124. آی ای (134).
https://doi.org/​10.1109/​SFCS.1994.365700

[4] آرام دبلیو هارو، آوینتان حسیدیم و ست لوید. "الگوریتم کوانتومی برای سیستم های معادلات خطی". Physical Review Letters 103، 150502 (2009).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.103.150502

[5] جان پرسکیل. محاسبات کوانتومی در عصر NISQ و فراتر از آن 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، و Patrick J. Coles. الگوریتم های کوانتومی متغیر Nature Reviews Physics 3، 625–644 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9

[7] کیشور بهارتی، آلبا سرورا-لیرتا، تی ها کیاو، توبیاس هاگ، سامنر آلپرین لیا، آبیناو آناند، ماتیاس دگروت، هرمانی هیمونن، یاکوب اس کوتمن، تیم منکه، و همکاران. "الگوریتم های کوانتومی در مقیاس متوسط ​​نویز". بررسی های فیزیک مدرن 94, 015004 (2022).
https://doi.org/​10.1103/​RevModPhys.94.015004

[8] جیکوب بیامونته، پیتر ویتک، نیکولا پانکوتی، پاتریک ربنتروست، ناتان ویبه و ست لوید. "یادگیری ماشین کوانتومی". Nature 549, 195–202 (2017).
https://doi.org/​10.1038/​nature23474

[9] مایکل ای. نیلسن و آیزاک ال. چوانگ. محاسبات کوانتومی و اطلاعات کوانتومی انتشارات دانشگاه کمبریج. کمبریج (2000).
https://doi.org/​10.1017/​CBO9780511976667

[10] دوریت آهارونوف، مایکل بن اور، راسل ایمپاگلیازو و نوام نیسان. "محدودیت های محاسبات برگشت پذیر پر سر و صدا" (1996). آدرس اینترنتی: https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189.
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189

[11] مایکل بن اور، دانیل گوتسمن و آوینتان حسیدیم. "یخچال کوانتومی" (2013). آدرس اینترنتی: https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1301.1995.
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1301.1995

[12] دانیل استیلک فرانچا و رائول گارسیا-پاترون. "محدودیت های الگوریتم های بهینه سازی در دستگاه های کوانتومی نویز". Nature Physics 17، 1221–1227 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-021-01356-3

[13] سامسون وانگ، انریکو فونتانا، ام. سرزو، کونال شارما، آکیرا سونه، لوکاس سینسیو، و پاتریک جی کولز. فلات های بایر ناشی از نویز در الگوریتم های کوانتومی متغیر 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 و Hartmut Neven. "فلات های بی حاصل در مناظر آموزشی شبکه عصبی کوانتومی". Nature Communications 9، 1-6 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-07090-4

[15] M. Cerezo، Akira Sone، Tyler Volkoff، Lukasz Cincio و Patrick J Coles. "فلات های بی حاصل وابسته به تابع هزینه در مدارهای کوانتومی پارامتری کم عمق". Nature Communications 12، 1-12 (2021).
https://doi.org/​10.1038/​s41467-021-21728-w

[16] اندرو آراسمیت، زوئه هولمز، مارکو سرزو و پاتریک جی کولز. "معادل فلات های بی حاصل کوانتومی با تمرکز هزینه و تنگه های باریک". علوم و فناوری کوانتومی 7، 045015 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ac7d06

[17] اندرو آراسمیت، ام. سرزو، پیوتر چارنیک، لوکاس سینسیو، و پاتریک جی کولز. "تاثیر فلات های بایر بر بهینه سازی بدون گرادیان". Quantum 5, 558 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-05-558

[18] ام. سرزو و پاتریک جی کولز. "مشتقات مرتبه بالاتر شبکه های عصبی کوانتومی با فلات های بایر". علوم و فناوری کوانتومی 6, 035006 (2021).
https://doi.org/​10.1088/​2058-9565/​abf51a

[19] کارلوس اورتیز ماررو، ماریا کیفروا و ناتان ویبه. “فلات های بایر ناشی از درهم تنیدگی”. PRX Quantum 2, 040316 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.040316

[20] مارتین لاروکا، پیوتر چرنیک، کونال شارما، گوپیکریشنان مورالیدهاران، پاتریک جی کولز و ام. سرزو. "تشخیص فلات های بایر با ابزارهایی از کنترل بهینه کوانتومی". Quantum 6, 824 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-09-29-824

[21] زوئه هولمز، کونال شارما، ام. سرزو و پاتریک جی کولز. "ارتباط بیان پذیری آنساتز به بزرگی های گرادیان و فلات های بایر". PRX Quantum 3, 010313 (2022).
https://doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.3.010313

[22] Supanut Thanasilp، Samson Wang، Nhat A Nghiem، Patrick J. Coles و M. Cerezo. "ظرایف در آموزش پذیری مدل های یادگیری ماشین کوانتومی" (2021). آدرس اینترنتی: https://arxiv.org/​abs/​2110.14753.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s42484-023-00103-6
arXiv: 2110.14753

[23] سامسون وانگ، پیوتر چرنیک، اندرو آراسمیت، ام. سرزو، لوکاس سینسیو و پاتریک جی کولز. "آیا کاهش خطا می تواند آموزش پذیری الگوریتم های کوانتومی تغییرات نویزدار را بهبود بخشد؟" (2021). آدرس اینترنتی: https://doi.org/​10.48550/​arXiv.2109.01051.
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.2109.01051

[24] نینگ پینگ کائو، جونان لین، دیوید کریبس، ییو تونگ پون، بی زنگ و ریموند لافلم. "NISQ: تصحیح خطا، کاهش و شبیه سازی نویز" (2021). آدرس اینترنتی: https://doi.org/​10.48550/​arXiv.2111.02345.
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.2111.02345

[25] آدام هلمز، محمدرضا جوکار، قاسم پسندی، یونگشان دینگ، مسعود پدرام و فردریک تی چونگ. NISQ+: افزایش قدرت محاسباتی کوانتومی با تصحیح تقریبی خطای کوانتومی. در سال 2020 ACM/​IEEE چهل و هفتمین سمپوزیوم سالانه بین المللی معماری کامپیوتر (ISCA). صفحات 47–556. IEEE (569). آدرس اینترنتی: https://doi.org/​2020/​ISCA10.1109.
https://doi.org/​10.1109/​ISCA45697.2020.00053

[26] یاسوناری سوزوکی، سوگورو اندو، کیسوکه فوجی و یوکی توکوناگا. "کاهش خطای کوانتومی به عنوان یک تکنیک جهانی کاهش خطا: برنامه های کاربردی از NISQ تا دوره های محاسبات کوانتومی تحمل پذیر". PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https://doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.3.010345

[27] امانوئل نیل و ریموند لافلام. "قدرت یک بیت اطلاعات کوانتومی". Physical Review Letters 81, 5672 (1998).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.81.5672

[28] کیسوکه فوجی، هیروتادا کوبایاشی، تومویوکی موریما، هارومیچی نیشیمورا، شوهی تاماته و سیچیرو تانی. "قدرت محاسبات کوانتومی با چند کیوبیت تمیز". چهل و سومین کنفرانس بین المللی اتومات، زبان ها و برنامه نویسی (ICALP 43) 2016، 55:13–1:13 (14).
https://doi.org/​10.4230/​LIPIcs.ICALP.2016.13

[29] تومویوکی موریما، کیسوکه فوجی و هارومیچی نیشیمورا. "قدرت یک کیوبیت غیر تمیز". بررسی فیزیکی A 95, 042336 (2017).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.042336

[30] کریگ گیدنی "فاکتورسازی با n+2 کیوبیت تمیز و n-1 کیوبیت کثیف" (2017). آدرس اینترنتی: https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1706.07884.
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1706.07884

[31] Anirban N. Chowdhury، Rolando D. Somma، و Yiğit Subaşı. "محاسبه توابع پارتیشن در مدل یک کیوبیت تمیز". بررسی فیزیکی A 103, 032422 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.103.032422

[32] کیسوکه فوجی، هیروتادا کوبایاشی، تومویوکی موریما، هارومیچی نیشیمورا، شوهی تاماته و سیچیرو تانی. "عدم امکان شبیه سازی کلاسیک مدل یک کیوبیت تمیز با خطای ضرب". Physical Review Letters 120, 200502 (2018).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.120.200502

[33] ریموند لافلام، سزار میکل، خوان پابلو پاز و وویچ هوبرت زورک. "کد تصحیح خطای کوانتومی کامل". فیزیک کشیش لِت 77، 198-201 (1996).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.77.198

[34] دانیل گوتسمن. "مقدمه ای بر تصحیح خطای کوانتومی و محاسبات کوانتومی تحمل پذیر". علم اطلاعات کوانتومی و سهم آن در ریاضیات، مجموعه مقالات سمپوزیوم در ریاضیات کاربردی 63، 13-58 (2010).
https://doi.org/​10.1090/​psapm/​068/​2762145

[35] آستین جی. فاولر، ماتئو 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

[36] یو کیتایف محاسبات کوانتومی: الگوریتم ها و تصحیح خطا بررسی های ریاضی روسیه 52، 1191 (1997).
https:/​/​doi.org/​10.1070/​RM1997v052n06ABEH002155

[37] کریس ان سلف، مارچلو بندیتی و دیوید آمارو. "محافظت از مدارهای بیانی با کد تشخیص خطای کوانتومی" (2022). آدرس اینترنتی: https://doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.06703.
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.06703

[38] رولاندو دی سوما. "برآورد ارزش ویژه کوانتومی از طریق تحلیل سری های زمانی". مجله جدید فیزیک 21, 123025 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab5c60

[39] ووتچ هاولیچک، آنتونیو دی کورکولس، کریستن تم، آرام دبلیو هارو، آبیناو کاندالا، جری ام چاو و جی ام گامبتا. "یادگیری تحت نظارت با فضاهای ویژگی های پیشرفته کوانتومی". Nature 567, 209–212 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-0980-2

[40] اندرو جی تاوب و رادنی جی بارتلت. "دیدگاه‌های جدید در نظریه‌ی خوشه‌ای جفت‌شده واحد". مجله بین المللی شیمی کوانتومی 106، 3393-3401 (2006).
https://doi.org/​10.1002/​qua.21198

[41] سومیت خاتری، رایان لارز، الکساندر پورمبا، لوکاس سینسیو، اندرو تی سورنبورگر و پاتریک جی کولز. "کامپایل کوانتومی به کمک کوانتومی". Quantum 3, 140 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-05-13-140

[42] کالین جی تروت، مویون لی، مائوریسیو گوتیرز، یوکای وو، شنگ تائو وانگ، لومینگ دوان و کنت آر براون. "شبیه سازی عملکرد یک کد سطح فاصله-3 در یک تله یون خطی". مجله جدید فیزیک 20, 043038 (2018).
https://doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aab341

[43] لوکاس سینسیو، ییگیت سوباشی، اندرو تی سورنبورگر و پاتریک جی کولز. "آموزش الگوریتم کوانتومی برای همپوشانی حالت". مجله جدید فیزیک 20, 113022 (2018).
https://doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aae94a

[44] ادوارد فرهی، جفری گلدستون و سام گاتمن. "الگوریتم بهینه سازی تقریبی کوانتومی" (2014). آدرس اینترنتی: https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1411.4028.
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1411.4028

[45] استوارت هادفیلد، ژیهوی وانگ، برایان اوگرمن، النور جی ریفل، دیوید ونچرلی و روپاک بیسواس. "از الگوریتم بهینه سازی تقریبی کوانتومی تا عملگر متناوب کوانتومی ansatz". الگوریتم‌ها 12، 34 (2019).
https://doi.org/​10.3390/​a12020034

[46] ماریا شولد، ویل برگهولم، کریستین گوگولین، جاش ایزاک و ناتان کیلوران. "ارزیابی گرادیان های تحلیلی بر روی سخت افزار کوانتومی". بررسی فیزیکی A 99, 032331 (2019).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.99.032331

[47] لوکاس سینسیو، کنت رودینگر، موهان سارووار و پاتریک جی کولز. "یادگیری ماشین مدارهای کوانتومی مقاوم در برابر نویز". PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.010324

[48] ریوجی تاکاگی، سوگورو اندو، شینتارو میناگاوا و مایل گو. "محدودیت های اساسی کاهش خطای کوانتومی". npj Quantum Information 8, 114 (2022).
https://doi.org/​10.1038/​s41534-022-00618-z

[49] سرگئی دانیلین، نیکلاس نوجنت و مارتین ویدس. "سنجش ​​کوانتومی با کیوبیت های ابررسانا قابل تنظیم: بهینه سازی و افزایش سرعت" (2022). آدرس اینترنتی: https://arxiv.org/​abs/​2211.08344.
arXiv: 2211.08344

[50] نیکولای لاوک، نیل سینکلر، شبیر برزنجه، جیکوب پی کاوی، مارک سافمن، ماریا اسپیروپولو و کریستوف سایمون. "چشم انداز در مورد انتقال کوانتومی". علم و فناوری کوانتومی 5، 020501 (2020).
https://doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ab788a

[51] برنهارد بامگارتنر. "نابرابری برای ردیابی محصولات ماتریس، با استفاده از مقادیر مطلق" (2011). آدرس اینترنتی: https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189.
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189

ذکر شده توسط

[1] Mikel Garcia-de-Andoin، Álvaro Saiz، Pedro Pérez-Fernández، Lucas Lamata، Izaskun Oregi، و Mikel Sanz، «محاسبات کوانتومی دیجیتال آنالوگ با همیلتونی های دلخواه دو بدنه»، arXiv: 2307.00966, (2023).

[2] عبدالله اش ساکی، آمارا کاتابروا، سالونیک رش، و جورج آمبرهسکو، "آزمایش فرضیه برای کاهش خطا: نحوه ارزیابی کاهش خطا"، arXiv: 2301.02690, (2023).

[3] پاتریک جی کولز، کولین شپانسکی، دنیس ملانسون، کائلان دوناتلا، آنتونیو جی. مارتینز، و فارس صباحی، "هوش مصنوعی ترمودینامیکی و مرز نوسان". arXiv: 2302.06584, (2023).

[4] M. Cerezo، Guillaume Verdon، Hsin-Yuan Huang، Lukasz Cincio و Patrick J. Coles، "چالش ها و فرصت ها در یادگیری ماشین کوانتومی"، arXiv: 2303.09491, (2023).

[5] نیکولاس کوکولکیدیس، سامسون وانگ، تام اولری، دانیل بولترینی، لوکاس سینسیو و پیوتر چارنیک، "چارچوبی از تصحیح خطای جزئی برای کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس متوسط". arXiv: 2306.15531, (2023).

نقل قول های بالا از SAO/NASA Ads (آخرین به روز رسانی با موفقیت 2023-07-13 15:21:51). 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 2023-07-13 15:21:50: داده های استناد شده برای 10.22331/q-2023-07-13-1060 از Crossref دریافت نشد. اگر DOI اخیراً ثبت شده باشد، طبیعی است.

تمبر زمان:

بیشتر از مجله کوانتومی