Caractérisation et atténuation des erreurs cohérentes dans un processeur quantique à ions piégés à l'aide d'inverses cachés

Caractérisation et atténuation des erreurs cohérentes dans un processeur quantique à ions piégés à l'aide d'inverses cachés

Horodatage: 15 mai 2023, 8 h 55

Majumder des profondeurs de Swarnadeep1,2, Christopher G. Yale3, Titus D. Morris4, Daniel S.Lobser3, Ashlyn D. Burch3, Matthew NH Chow3,5,6, Mélissa C. Revelle3, Susan M. Clark3, et Raphaël C. Pooser4

1Duke Quantum Center, Duke University, Durham, Caroline du Nord 27701, États-Unis
2Département de génie électrique et informatique, Duke University, Durham, NC 27708 États-Unis
3Laboratoires nationaux Sandia, Albuquerque, NM 87123, États-Unis
4Section des sciences de l'information quantique, Laboratoire national d'Oak Ridge, Oak Ridge, TN 37831, États-Unis
5Département de physique et d'astronomie, Université du Nouveau-Mexique, Albuquerque, NM 87131, États-Unis
6Center for Quantum Information and Control, University of New Mexico, Albuquerque, NM 87131, États-Unis

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Abstract

Les bancs d'essai d'informatique quantique présentent un contrôle quantique haute fidélité sur de petites collections de qubits, permettant la réalisation d'opérations précises et reproductibles suivies de mesures. Actuellement, ces dispositifs bruyants à échelle intermédiaire peuvent prendre en charge un nombre suffisant d'opérations séquentielles avant la décohérence, de sorte que des algorithmes à court terme peuvent être exécutés avec une précision approximative (comme la précision chimique pour les problèmes de chimie quantique). Bien que les résultats de ces algorithmes soient imparfaits, ces imperfections peuvent aider à amorcer le développement de bancs d'essai d'ordinateurs quantiques. Les démonstrations de ces algorithmes au cours des dernières années, associées à l'idée que les performances imparfaites des algorithmes peuvent être causées par plusieurs sources de bruit dominantes dans le processeur quantique, qui peuvent être mesurées et calibrées pendant l'exécution de l'algorithme ou en post-traitement, ont conduit à la utilisation de l'atténuation du bruit pour améliorer les résultats de calcul typiques. À l'inverse, des algorithmes de référence couplés à une atténuation du bruit peuvent aider à diagnostiquer la nature du bruit, qu'il soit systématique ou purement aléatoire. Ici, nous décrivons l'utilisation de techniques cohérentes d'atténuation du bruit comme outil de caractérisation dans les bancs d'essai d'ions piégés. Nous effectuons un ajustement de modèle des données bruyantes pour déterminer la source de bruit sur la base de modèles de bruit réalistes axés sur la physique et démontrons que l'amplification systématique du bruit couplée à des schémas d'atténuation des erreurs fournit des données utiles pour la déduction du modèle de bruit. De plus, afin de connecter les détails du modèle de bruit de niveau inférieur avec les performances spécifiques à l'application des algorithmes à court terme, nous construisons expérimentalement le paysage de perte d'un algorithme variationnel sous diverses sources de bruit injecté couplées à des techniques d'atténuation des erreurs. Ce type de connexion permet une conception codée du matériel sensible aux applications, dans laquelle les sources de bruit les plus importantes dans des applications spécifiques, comme la chimie quantique, deviennent des foyers d'amélioration dans les générations de matériel suivantes.

Caractériser et atténuer les erreurs cohérentes dans un processeur quantique d'ions piégés à l'aide des inverses cachés PlatoBlockchain Data Intelligence. Recherche verticale. Aï.

Image sélectionnée : Population de l'espace de phase (probabilité de mesurer $|0rangle$) après application de [$H- X(Theta)- Z(Phi)- H^dagger$]$^{100}$ sur $|0rangle$ en tant que fonction de $Theta, Phi$ pour la simulation et l'expérimentation. Les protocoles inverses cachés peuvent offrir une caractérisation précise et peu coûteuse d'un seul qubit.

Résumé populaire

Les ordinateurs quantiques de l'ère NISQ sont, par leur définition même, bruyants et imparfaits, nécessitant des méthodes d'atténuation des erreurs afin d'améliorer les performances du circuit. Dans cet article, nous démontrons qu'une technique connue sous le nom d'inverses cachés peut à la fois servir de méthode d'atténuation des erreurs et de caractérisation des erreurs. Les inverses cachés reposent sur la capacité de construire des circuits avec des portes composites non natives qui sont auto-adjointes (telles que Hadamard ou contrôlées-NOT), ce qui signifie qu'ils peuvent être construits via une série de portes matérielles natives ou ces mêmes portes natives inversées dans le signe et l'ordre du temps. À l'aide d'un ordinateur quantique à ions piégés, nous démontrons d'abord une expérience dans laquelle Hadamard et son inverse sont alternés avec de petites rotations d'erreur insérées. En ajustant les résultats à un modèle simple, nous sommes alors en mesure de caractériser les erreurs cohérentes dans le système et de voir comment ces erreurs dérivent dans le temps. Nous utilisons ensuite un NOT contrôlé et son inverse dans un solveur propre quantique à variation. Grâce à l'injection intentionnelle d'erreurs, nous montrons que les circuits construits via des protocoles inverses cachés surpassent une autre technique d'atténuation des erreurs, la compilation aléatoire. Nous examinons en outre l'atténuation des erreurs dans ce système via la purification matricielle de densité fermionique, une méthodologie de post-traitement. Grâce à cet examen, nous constatons que l'utilisation de la même technique, à savoir les inverses cachés, pour caractériser les sources d'erreur sur le matériel, puis atténuer via la même approche, est un outil puissant pour les ordinateurs quantiques de l'ère NISQ.

► Données BibTeX

► Références

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Cité par

[1] He-Liang Huang, Xiao-Yue Xu, Chu Guo, Guojing Tian, ​​Shi-Jie Wei, Xiaoming Sun, Wan-Su Bao et Gui-Lu Long, "Near-term quantum computing techniques: Variational quantum algorithms, atténuation des erreurs, compilation de circuits, analyse comparative et simulation classique », Science Chine Physique, mécanique et astronomie 66 5, 250302 (2023).

[2] Zhubing Jia, Shilin Huang, Mingyu Kang, Ke Sun, Robert F. Spivey, Jungsang Kim et Kenneth R. Brown, "Angle-robust two-qubit gates in a linear ion crystal", Examen physique A 107 3, 032617 (2023).

[3] Gabriele Cenedese, Giuliano Benenti et Maria Bondani, "Correcting Coherent Errors by Random Operation on Real Quantum Hardware", Entropie 25 2, 324 (2023).

[4] Mingyu Kang, Ye Wang, Chao Fang, Bichen Zhang, Omid Khosravani, Jungsang Kim et Kenneth R. Brown, "Conception de fonctions de filtre d'impulsions modulées en fréquence pour des portes haute fidélité à deux qubits dans des chaînes ioniques", Examen physique appliqué 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 et Susan M. Clark, "Batching Circuits to Reduce Compilation in Quantum Control Hardware", arXiv: 2208.00076, (2022).

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