Puhtaiden ja likaisten kubittien taistelu osittaisen virheenkorjauksen aikakaudella

Puhtaiden ja likaisten kubittien taistelu osittaisen virheenkorjauksen aikakaudella

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

1Teoreettinen jako, Los Alamosin kansallinen laboratorio, Los Alamos, NM 87545, USA
2Theoretische Chemie, Physikalisch-Chemisches Institut, Universität Heidelberg, INF 229, D-69120 Heidelberg, Saksa
3Imperial College London, Lontoo, Iso-Britannia
4Teoreettisen fysiikan instituutti, Jagiellonian yliopisto, Krakova, Puola.
5Instituto de Física Teórica, UAM/CSIC, Universidad Autónoma de Madrid, Madrid 28049, Espanja
6Informaatiotieteet, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA
7Quantum Science Center, Oak Ridge, TN 37931, USA

Onko tämä artikkeli mielenkiintoinen vai haluatko keskustella? Scite tai jätä kommentti SciRate.

Abstrakti

Kun virheenkorjaus tulee mahdolliseksi, jokaiselle loogiselle kubitille on varattava suuri määrä fyysisiä kubitteja. Virheenkorjaus mahdollistaa syvempien piirien suorittamisen, mutta jokainen ylimääräinen fyysinen kubitti voi mahdollisesti myötävaikuttaa laskentatilan eksponentiaaliseen kasvuun, joten on olemassa kompromissi kubittien käytön virheenkorjaukseen tai niiden käyttämisen meluisina kubitteina. Tässä työssä tarkastelemme meluisten kubittien käytön vaikutuksia äänettömien kubittien kanssa (idealisoitu malli virhekorjatuille kubiteille), joita kutsumme "puhtaiksi ja likaiseksi" asetukseksi. Käytämme analyyttisiä malleja ja numeerisia simulaatioita luonnehtimaan tätä järjestelmää. Numeerisesti näytämme Noise-Induced Barren Plateaus (NIBP:t) esiintymisen, eli kohinan aiheuttaman havaittavien eksponentiaalisen pitoisuuden Ising-mallin Hamiltonin variaatio-ansatz-piirissä. Havaitsemme tämän, vaikka vain yksi kubitti olisi meluisa ja sillä on riittävän syvä piiri, mikä viittaa siihen, että NIBP:itä ei voida täysin voittaa yksinkertaisesti korjaamalla virheitä kubittien osajoukolla. Positiivisena puolena havaitsemme, että jokaisella piirin äänettömällä kubitilla on eksponentiaalinen vaimeneminen gradienttihavainnon pitoisuudessa, mikä osoittaa osittaisen virheenkorjauksen hyödyn. Lopuksi analyyttiset mallimme vahvistavat nämä havainnot osoittamalla, että havainnot keskittyvät eksponentin skaalaukseen, joka liittyy likaisten kubittien suhteeseen.

Tulevaisuudessa vikasietoisten kvanttitietokoneiden kanssa avautuu kokonaan uusi kvanttialgoritmien maailma, joka voi tarjota etua moniin klassisiin algoritmeihin verrattuna. Tämä ei tule ilman joitain uhrauksia – virhekorjatun (tai loogisen) kubitin koodaamiseen tarvittavien kubittien määrä on suuri. Yhden kubitin lisääminen järjestelmään kaksinkertaistaa koneen käytettävissä olevan laskentatilan, joten tässä artikkelissa kysytään: voitko yhdistää virhekorjattuja kubitteja fyysisiin kubiteihin? Koska kohina estää suuresti kvanttialgoritmeja, virhekorjauksen etujen yhdistäminen virhekorjaamattomien fyysisten kubittien tarjoamaan ylimääräiseen Hilbert-avaruuteen voi olla hyödyllistä joillekin algoritmiluokille. Lähestymme tätä kysymystä käyttämällä approksimaatiota, jossa äänettömät kubitit korvaavat virhekorjatut kubitit, joita kutsumme puhtaiksi; ja ne on kytketty meluisiin fyysisiin kubiteihin, joita kutsumme likaisiksi. Osoitamme analyyttisesti ja numeerisesti, että odotusarvojen mittausvirheet vaimentuvat eksponentiaalisesti jokaiselle kohinaiselle kubitille, joka korvataan puhtaalla kubitilla, ja että tämä käyttäytyminen seuraa tarkasti sitä, mitä kone tekisi, jos vähentäisit tasaisesti meluisen koneen virhesuhdetta likaisten kubittien ja kokonaiskubittien suhteella.

► BibTeX-tiedot

► Viitteet

[1] Richard P. Feynman. "Fysiikan simulointi tietokoneilla". 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 jne. "Virhekorjatun qubitin vikasietoinen ohjaus". Nature 598, 281–286 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03928-y

[3] Peter W Shor. "Kvanttilaskennan algoritmit: diskreetit logaritmit ja laskenta". Proceedingsissa 35. vuotuinen symposiumi tietojenkäsittelytieteen perusteista. Sivut 124-134. Ieee (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

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

[5] John Preskill. "Kvanttilaskenta NISQ-aikakaudella ja sen jälkeen". 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. "Variaatiokvanttialgoritmit". 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 ym. "Meteliäiset keskikokoiset kvanttialgoritmit". 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. "Kvanttikoneoppiminen". Nature 549, 195–202 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23474

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

[10] Dorit Aharonov, Michael Ben-Or, Russell Impagliazzo ja Noam Nisan. "Limitations of noisy reversible computing" (1996). URL-osoite: 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. "Kvanttijääkaappi" (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. "Optimointialgoritmien rajoitukset meluisissa kvanttilaitteissa". 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. "Kohinan aiheuttamat karut tasangot vaihtelevissa kvanttialgoritmeissa". 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. "Karut tasangot kvanttihermoverkkojen koulutusmaisemissa". 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. "Kustannusfunktiosta riippuvaiset karut tasangot matalissa parametroiduissa kvanttipiireissä". 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. "Kvanttikarujen tasangoiden vastaavuus kustannuskeskittymiseen ja kapeisiin rotkoihin". 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. "Helppojen tasankojen vaikutus gradienttivapaaseen optimointiin". Quantum 5, 558 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-05-558

[18] M. Cerezo ja Patrick J Coles. "Kvanttihermoverkkojen korkeamman asteen johdannaiset karuilla tasangoilla". Quantum Science and Technology 6, 035006 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / abf51a

[19] Carlos Ortiz Marrero, Mária Kieferová ja Nathan Wiebe. "Soittumisen aiheuttamat karut tasangot". 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. "Kartujen tasankojen diagnosointi Quantum Optimal Controlin työkaluilla". 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. "Ansatz-ilmaisukyvyn yhdistäminen gradienttisuuruuksiin ja karuihin tasangoihin". 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. "Hienovaraisuudet kvanttikoneoppimismallien koulutettavuudessa" (2021). URL-osoite: 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. "Voiko virheiden lieventäminen parantaa meluisten variaatiokvanttialgoritmien koulutettavuutta?" (2021). URL-osoite: 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: Virheiden korjaus, lieventäminen ja melusimulaatio" (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+: Kvanttilaskentatehon lisääminen kvanttivirheenkorjauksen approksimaatiolla". Vuonna 2020 ACM/IEEE 47th Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA). Sivut 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. "Kvanttivirheiden lieventäminen yleisenä virheenvähennystekniikkana: sovellukset NISQ:sta vikasietoisille kvanttilaskennan aikakausille". PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010345

[27] Emanuel Knill ja Raymond Laflamme. "Yhden kvanttiinformaatiobitin teho". 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. "Kvanttilaskennan teho muutamalla puhtaalla kubitilla". 43. kansainvälinen kollokviumi automaateista, kielistä ja ohjelmoinnista (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. "Yhden epäpuhtaan kubitin teho". Physical Review A 95, 042336 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042336

[30] Craig Gidney. "Factoring n+2 puhtaalla ja n-1 likaisella kubitilla" (2017). URL-osoite: 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. "Osiotoimintojen laskeminen yhden puhtaan kubitin mallissa". Physical Review 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. "Mahdoton simuloida klassisesti yhden puhtaan qubitin mallia kertovalla virheellä". 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. "Täydellinen kvanttivirheen korjauskoodi". Phys. Rev. Lett. 77, 198-201 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.77.198

[34] Daniel Gottesman. "Johdatus kvanttivirheen korjaukseen ja vikasietoiseen kvanttilaskentaan". Kvanttitietotiede ja sen panokset matematiikkaan, 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. "Pintakoodit: Kohti käytännön laajamittaista kvanttilaskentaa". Physical Review A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

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

[37] Chris N Self, Marcello Benedetti ja David Amaro. "Expressiivisten piirien suojaaminen kvanttivirheentunnistuskoodilla" (2022). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.06703.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.06703

[38] Rolando D Somma. "Kvanttiominaisarvon estimointi aikasarjaanalyysin avulla". 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. "Valvottu oppiminen kvanttitehostetuilla ominaisuustiloilla". Nature 567, 209–212 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-0980-2

[40] Andrew G Taube ja Rodney J Bartlett. "Uusia näkökulmia yhtenäiskytkentäklusteriteoriaan". 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. "Kvanttiavusteinen kvanttikääntäminen". 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. "Etäisyys-3 pintakoodin suorituskyvyn simulointi lineaarisessa ioniloukussa". 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. "Kvanttialgoritmin oppiminen tilan päällekkäisyydelle". New Journal of Physics 20, 113022 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aae94a

[44] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone ja Sam Gutmann. "Kvanttilikimääräinen optimointialgoritmi" (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. "Kvanttilikimääräisestä optimointialgoritmista kvanttivaihtuvaan operaattoriin ansatz". Algoritmit 12, 34 (2019).
https: / / doi.org/ 10.3390 / a12020034

[46] Maria Schuld, Ville Bergholm, Christian Gogolin, Josh Izaac ja Nathan Killoran. "Analyyttisten gradienttien arviointi kvanttilaitteistolla". 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. "Kohinankestävien kvanttipiirien koneoppiminen". PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

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

[49] Sergey Danilin, Nicholas Nugent ja Martin Weides. "Kvanttitunnistin viritettävillä suprajohtavilla kubiteilla: optimointi ja nopeuttaminen" (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. "Näkymiä kvanttitransduktioon". Quantum Science and Technology 5, 020501 (2020).
https://doi.org/ 10.1088/2058-9565/ab788a

[51] Bernhard Baumgartner. "Epäyhtälö matriisitulojen jäljelle absoluuttisia arvoja käyttäen" (2011). URL-osoite: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189

Viitattu

[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, "Osittaisen virheen korjauksen kehys keskikokoisille kvanttitietokoneille", arXiv: 2306.15531, (2023).

Yllä olevat sitaatit ovat peräisin SAO: n ja NASA: n mainokset (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2023-07-13 15:21:51). Lista voi olla puutteellinen, koska kaikki julkaisijat eivät tarjoa sopivia ja täydellisiä viittaustietoja.

Ei voitu noutaa Crossref siteeratut tiedot viimeisen yrityksen aikana 2023-07-13 15:21:50: Ei voitu noutaa viittauksia 10.22331 / q-2023-07-13-1060 mainittuihin tietoihin Crossrefiltä. Tämä on normaalia, jos DOI rekisteröitiin äskettäin.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Quantum Journal