Synerginen kvanttivirheiden lieventäminen satunnaistetulla kääntämisellä ja nollakohina-ekstrapoloinnilla variaatiokvantin ominaisratkaisijalle

Synerginen kvanttivirheiden lieventäminen satunnaistetulla kääntämisellä ja nollakohina-ekstrapoloinnilla variaatiokvantin ominaisratkaisijalle

Aikaleima: 20. marraskuuta 2023 8

Tomochika Kurita1, Hammam Qassim2, Masatoshi Ishii1, Hirotaka Oshima1, Shintaro Sato1ja Joseph Emerson2

1Quantum Laboratory, Fujitsu Research, Fujitsu Limited. 10-1 Morinosato-wakamiya, Atsugi, Kanagawa, Japani 243-0197
2Keysight Technologies Canada, 137 Glasgow St, Kitchener, ON, Kanada, N2G 4X8

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

Abstrakti

Ehdotamme kvanttivirheiden lieventämisstrategiaa variational quantum eigensolver (VQE) -algoritmille. Havaitsemme numeerisen simulaation avulla, että erittäin pienet koherenttimäärät VQE:ssä voivat aiheuttaa oleellisesti suuria virheitä, joita on vaikea vaimentaa perinteisillä lieventämismenetelmillä, ja silti ehdottamamme lievennysstrategiamme pystyy vähentämään näitä virheitä merkittävästi. Ehdotettu strategia on yhdistelmä aiemmin raportoituja tekniikoita, nimittäin satunnaistettua kokoamista (RC) ja nollakohinaekstrapolaatiota (ZNE). Intuitiivisesti satunnaistettu kääntäminen muuttaa piirin koherentit virheet stokastisiksi Pauli-virheiksi, mikä helpottaa ekstrapolointia nollakohinarajalle kustannusfunktiota arvioitaessa. VQE:n numeerinen simulaatiomme pienille molekyyleille osoittaa, että ehdotettu strategia voi lieventää erityyppisten koherenttien kohinoiden aiheuttamia energiavirheitä jopa kahdella suuruusluokalla.

Synergeettinen kvanttivirheiden lieventäminen satunnaistetulla käännöksellä ja nollakohina-ekstrapoloinnilla variaatiokvanttiominaisratkaisijalle PlatoBlockchain Data Intelligence. Pystysuuntainen haku. Ai.

Suosittu yhteenveto

Kun suoritamme kvanttilaskentaa, on ratkaisevan tärkeää minimoida laitteistokohinan aiheuttamat laskentavirheet. Kohinaisissa keskikokoisissa kvanttilaitteistoissa (NISQ) voidaan käyttää kvanttivirheiden lieventämistekniikoita tällaisten virheiden vähentämiseksi. Koherentin kohinan käsitteleminen on kuitenkin edelleen merkittävä haaste virheiden lieventämisessä kahdesta syystä: (i) pienikin määrä koherenttia kohinaa voi johtaa merkittäviin laskentavirheisiin ja (ii) näitä virheitä on vaikea lieventää olemassa olevilla tekniikoilla.
Tässä työssä ehdotamme virheiden lieventämistekniikkaa, joka vähentää tehokkaasti koherentin kohinan aiheuttamia virheitä. Tämä tekniikka hyödyntää satunnaistetun kääntämisen (RC) ja nollakohina-ekstrapoloinnin (ZNE) synergiavaikutusta. RC muuntaa koherentin kohinan stokastiseksi Pauli-kohinaksi, jota voidaan tehokkaasti vaimentaa ZNE:n avulla. Numeeriset simulaatiomme vaihtelevilla kvanttiominaisratkaisualgoritmeilla osoittavat, että ehdottamamme lievennystekniikkamme osoittaa merkittävän virheitä vaimentavan vaikutuksen koherenttia kohinaa vastaan.

► BibTeX-tiedot

► Viitteet

[1] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin ja Xiao Yuan. "Kvanttilaskennallinen kemia". Reviews of Modern Physics 92, 015003 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003

[2] Hari P Paudel, Madhava Syamlal, Scott E Crawford, Yueh-Lin Lee, Roman A Shugayev, Ping Lu, Paul R Ohodnicki, Darren Mollot ja Yuhua Duan. "Kvanttilaskenta ja energiasovellusten simulaatiot: katsaus ja näkökulma". ACS Engineering Au 2, 151–196 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acsengineeringau.1c00033

[3] Julia E Rice, Tanvi P Gujarati, Mario Motta, Tyler Y Takeshita, Eunseok Lee, Joseph A Latone ja Jeannette M Garcia. "Litium-rikkiakkujen hallitsevien tuotteiden kvanttilaskenta". The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / +5.0044068

[4] 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

[5] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J Love, Alán Aspuru-Guzik ja Jeremy L O'brien. "Vaihteleva ominaisarvon ratkaisija fotonisessa kvanttiprosessorissa". Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[6] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush ja Alán Aspuru-Guzik. "Kvantti-klassisten algoritmien variaatiohybridi-algoritmien teoria". New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

[7] Peter JJ O'Malley, Ryan Babbush, Ian D Kivlichan, Jonathan Romero, Jarrod R McClean, Rami Barends, Julian Kelly, Pedram Roushan, Andrew Tranter, Nan Ding jne. "Skaalautuva molekyylienergian kvanttisimulaatio". Physical Review X 6, 031007 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.031007

[8] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry M Chow ja Jay M Gambetta. "Laitteistotehokas vaihteleva kvanttiominaisratkaisija pienille molekyyleille ja kvanttimagneeteille". Nature 549, 242–246 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879

[9] James I Colless, Vinay V Ramasesh, Dar Dahlen, Machiel S Blok, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jarrod R McClean, Jonathan Carter, Wibe A de Jong ja Irfan Siddiqi. "Molekyylispektrien laskenta kvanttiprosessorilla virheenkestävällä algoritmilla". Physical Review X 8, 011021 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.011021

[10] Abhinav Kandala, Kristan Temme, Antonio D Córcoles, Antonio Mezzacapo, Jerry M Chow ja Jay M Gambetta. "Virheiden lieventäminen laajentaa kohinaisen kvanttiprosessorin laskennallista ulottuvuutta." Nature 567, 491–495 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[11] Yangchao Shen, Xiang Zhang, Shuaining Zhang, Jing-Ning Zhang, Man-Hong Yung ja Kihwan Kim. "Kvanttitoteutus yhtenäiskytkentäklusterista molekyylien elektronirakenteen simulointiin". Physical Review A 95, 020501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.020501

[12] Yunseong Nam, Jwo-Sy Chen, Neal C Pisenti, Kenneth Wright, Conor Delaney, Dmitri Maslov, Kenneth R Brown, Stewart Allen, Jason M Amini, Joel Apisdorf jne. "Vesimolekyylin maatilan energian estimointi loukkuun jääneen ionin kvanttitietokoneessa". 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 ja Hartmut Neven. "Karut tasangot kvanttihermoverkkojen koulutusmaisemissa". Luontoviestintä 9, 4812 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-07090-4

[14] Jules Tilly, Hongxiang Chen, Shuxiang Cao, Dario Picozzi, Kanav Setia, Ying Li, Edward Grant, Leonard Wossnig, Ivan Rungger, George H Booth ym. "The Variational Quantum Eigensolver: Katsaus menetelmiin ja parhaisiin käytäntöihin". Physics Reports 986, 1–128 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.08.003

[15] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin ja Xiao Yuan. "Hybridi-kvanttiklassiset algoritmit ja kvanttivirheiden lieventäminen". Journal of the Physical Society of Japan 90, 032001 (2021).
https: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001

[16] Ying Li ja Simon C Benjamin. "Tehokas variaatiokvanttisimulaattori, joka sisältää aktiivisen virheiden minimoinnin". Physical Review X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[17] Kristan Temme, Sergey Bravyi ja Jay M Gambetta. "Virheiden lieventäminen lyhytsyvisille kvanttipiireille". Fyysinen katsastuskirjeet 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[18] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A de Jong ja Christian W Bauer. "Nolla-kohinan ekstrapolointi kvanttiportin virheiden lieventämiseen identiteetin lisäyksillä". Physical Review 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 ja Kihwan Kim. "Virhevähennetty kvanttiportti ylittää fyysisen tarkkuuden loukkuun jääneessä ionijärjestelmässä". Luontoviestintä 11, 587 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[20] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter ja Wibe A De Jong. "Hybridi-kvanttiklassinen hierarkia dekoherenssin lieventämiseksi ja virittyneiden tilojen määrittämiseksi". Physical Review A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[21] Joel J Wallman ja Joseph Emerson. "Kohinan räätälöinti skaalautuvaan kvanttilaskentaan satunnaistetun käännöksen avulla". Physical Review A 94, 052325 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.052325

[22] Akel Hashim, Ravi K Naik, Alexis Morvan, Jean-Loup Ville, Bradley Mitchell, John Mark Kreikebaum, Marc Davis, Ethan Smith, Costin Iancu, Kevin P O'Brien jne. "Satunnaistettu käännös skaalautuvaa kvanttilaskentaa varten meluisassa suprajohtavassa kvanttiprosessorissa". Physical Review X 11, 041039 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.041039

[23] Jean-Loup Ville, Alexis Morvan, Akel Hashim, Ravi K Naik, Marie Lu, Bradley Mitchell, John-Mark Kreikebaum, Kevin P O’Brien, Joel J Wallman, Ian Hincks jne. "Hyödynnetään satunnaistettua kääntämistä kvantti-imaginaari-aika-evoluutio-algoritmille". Physical Review Research 4, 033140 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033140

[24] Youngseok Kim, Christopher J Wood, Theodore J Yoder, Seth T Merkel, Jay M Gambetta, Kristan Temme ja Abhinav Kandala. "Skaalautuva virheiden lieventäminen meluisille kvanttipiireille tuottaa kilpailukykyisiä odotusarvoja." Nature Physics 19, 752–759 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[25] Chao Song, Jing Cui, H Wang, J Hao, H Feng ja Ying Li. "Kvanttilaskenta yleisellä virheenrajoituksella suprajohtavalla kvanttiprosessorilla". Tiede edistyy 5, eaaw5686 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[26] Matthew Ware, Guilhem Ribeill, Diego Riste, Colm A Ryan, Blake Johnson ja Marcus P Da Silva. "Kokeellinen Pauli-kehyksen satunnaistaminen suprajohtavalla kubitilla". Physical Review A 103, 042604 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.042604

[27] Samuele Ferracin, Akel Hashim, Jean-Loup Ville, Ravi Naik, Arnaud Carignan-Dugas, Hammam Qassim, Alexis Morvan, David I Santiago, Irfan Siddiqi ja Joel J Wallman. "Parannetaan tehokkaasti meluisten kvanttitietokoneiden suorituskykyä" (2022). arXiv:2201.10672.
arXiv: 2201.10672

[28] Nick S Blunt, Laura Caune, Róbert Izsák, Earl T Campbell ja Nicole Holzmann. "Tilastollinen vaiheestimointi ja virheiden lieventäminen suprajohtavalla kvanttiprosessorilla" (2023). arXiv:2304.05126.
arXiv: 2304.05126

[29] Samson Wang, Enrico Fontana, Marco Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio ja Patrick J Coles. "Kohinan aiheuttamat karut tasangot vaihtelevissa kvanttialgoritmeissa". Nature Communications 12, 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] Michael A Nielsen ja Isaac Chuang. "Kvanttilaskenta ja kvanttitieto". Cambridge University Press. (2002).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[31] Seunghoon Lee, Joonho Lee, Huanchen Zhai, Yu Tong, Alexander M Dalzell, Ashutosh Kumar, Phillip Helms, Johnnie Gray, Zhi-Hao Cui, Wenyuan Liu jne. "Arvioidaan todisteita eksponentiaalisesta kvanttiedusta perustilan kvanttikemiassa". Nature Communications 14, 1952 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-023-37587-6

[32] Jérôme F Gonthier, Maxwell D Radin, Corneliu Buda, Eric J Doskocil, Clena M Abuan ja Jhonathan Romero. "Mittaukset esteenä lähiajan käytännön kvanttietulle kemiassa: Resurssianalyysi". Physical Review Research 4, 033154 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033154

[33] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell ja Stephen Brierley. "Pauli-operaattoreiden tehokas kvantimittaus äärellisen näytteenottovirheen läsnä ollessa". Quantum 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[34] Tomochika Kurita, Mikio Morita, Hirotaka Oshima ja Shintaro Sato. "Pauli-merkkijonojen osiointialgoritmi Ising-mallilla samanaikaiseen mittaukseen". The Journal of Physical Chemistry A 127, 1068–1080 (2023).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acs.jpca.2c06453

[35] Stefanie J. Beale, Arnaud Carignan-Dugas, Dar Dahlen, Joseph Emerson, Ian Hincks, Pavithran Iyer, Aditya Jain, David Hufnagel, Egor Ospadov, Hammam Qassim, et ai. "True-Q-ohjelmisto. Keysight Technologies”. url: trueq.quantumbenchmark.com.
https://​/​trueq.quantumbenchmark.com

[36] Pauli Virtanen, Ralf Gommers, Travis E. Oliphant, Matt Haberland, Tyler Reddy, David Cournapeau, Evgeni Burovski, Pearu Peterson, Warren Weckesser, Jonathan Bright jne. "SciPy 1.0: Perusalgoritmit tieteelliseen laskemiseen Pythonissa". Nature Methods 17, 261–272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] Michael JD Powell. "BOBYQA-algoritmi sidottuun rajoitettuun optimointiin ilman johdannaisia". Tekninen raportti. Cambridgen yliopisto, Cambridge (2009). url: 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 et ai. "OpenFermion: The Electronic Structure Package for Quantum Computers" (2017). arXiv:1710.07629.
arXiv: 1710.07629

[39] Ewout van den Berg, Zlatko K Minev, Abhinav Kandala ja Kristan Temme. "Todennäköisyyspohjainen virheenpoisto harvoilla Pauli-Lindblad-malleilla meluisissa kvanttiprosessoreissa". Nature Physics 19, 1116–1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

Viitattu

[1] Ritajit Majumdar, Pedro Rivero, Friederike Metz, Areeq Hasan ja Derek S Wang, "Parhaat käytännöt kvanttivirheiden lieventämiseen digitaalisella nollakohinan ekstrapoloinnilla", arXiv: 2307.05203, (2023).

[2] Arnaud Carignan-Dugas, Shashank Kumar Ranu ja Patrick Dreher, "Estimating Coherent Contributs to the Error Profile using Cycle Error Reconstruction", arXiv: 2303.09945, (2023).

[3] Hugo Perrin, Thibault Scoquart, Alexander Shnirman, Jörg Schmalian ja Kyrylo Snizhko, "Mitigating crosstalk errors by randomized compiling: Simulation of the BCS model on a supraconducting quantum computer", arXiv: 2305.02345, (2023).

[4] ChangWon Lee ja Daniel K. Park, "Skaalautuva kvanttimittausvirheiden lieventäminen ehdollisen riippumattomuuden ja siirtooppimisen kautta", arXiv: 2308.00320, (2023).

Yllä olevat sitaatit ovat peräisin SAO: n ja NASA: n mainokset (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2023-11-20 13:58:16). Lista voi olla puutteellinen, koska kaikki julkaisijat eivät tarjoa sopivia ja täydellisiä viittaustietoja.

Ei voitu noutaa Crossref siteeratut tiedot viimeisen yrityksen aikana 2023-11-20 13:58:14: Ei voitu noutaa viittauksia 10.22331 / q-2023-11-20-1184 mainittuihin tietoihin Crossrefiltä. Tämä on normaalia, jos DOI rekisteröitiin äskettäin.

Tämä kirja on julkaistu Quantum - lehdessä Creative Commons Nimeäminen 4.0 Kansainvälinen (CC BY 4.0) lisenssin. Tekijänoikeudet säilyvät alkuperäisillä tekijänoikeuksien haltijoilla, kuten tekijöillä tai heidän instituutioillaan.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Quantum Journal