1NTT Communication Science Laboratories, NTT Corporation, 3-1 Morinosato Wakamiya, Atsugi, Kanagawa 243-0198, Japon
2Faculté d'informatique, Université de Gunma, 4-2 Aramakimachi, Maebashi, Gunma 371-8510, Japon
3Institut Yukawa de physique théorique, Université de Kyoto, Kitashirakawa Oiwakecho, Sakyo-ku, Kyoto 606-8502, Japon
4International Research Frontiers Initiative (IRFI), Tokyo Institute of Technology, Japon
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Abstract
Plusieurs calculs quantiques bruyants à échelle intermédiaire peuvent être considérés comme des circuits quantiques à profondeur logarithmique sur une puce informatique quantique clairsemée, où des portes à deux qubits peuvent être directement appliquées sur seulement quelques paires de qubits. Dans cet article, nous proposons une méthode pour vérifier efficacement un tel calcul quantique bruité à l'échelle intermédiaire. Pour cela, nous caractérisons d'abord les opérations quantiques à petite échelle par rapport à la norme diamant. Ensuite, en utilisant ces opérations quantiques caractérisées, nous estimons la fidélité $langlepsi_t|hat{rho}_{rm out}|psi_trangle$ entre un état de sortie réel de $n$-qubit $hat{rho}_{rm out}$ obtenu à partir de le calcul quantique bruité à l'échelle intermédiaire et l'état de sortie idéal (c'est-à-dire l'état cible) $|psi_trangle$. Bien que la méthode d'estimation de la fidélité directe nécessite $O(2^n)$ copies de $hat{rho}_{rm out}$ en moyenne, notre méthode ne nécessite que $O(D^32^{12D})$ copies même en le pire des cas, où $D$ est la densité de $|psi_trangle$. Pour les circuits quantiques de profondeur logarithmique sur une puce clairsemée, $D$ est au plus $O(log{n})$, et donc $O(D^32^{12D})$ est un polynôme en $n$. En utilisant la puce IBM Manila 5-qubit, nous effectuons également une expérience de preuve de principe pour observer les performances pratiques de notre méthode.
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► Références
J. Preskill, L'informatique quantique à l'ère NISQ et au-delà, Quantum 2, 79 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79
A. Peruzzo, J. McClean, P. Shadbolt, M.-H. Yung, X.-Q. Zhou, PJ Love, A. Aspuru-Guzik et JL O'Brien, Un solveur variationnel de valeurs propres sur un processeur quantique photonique, Nat. Commun. 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
E. Farhi, J. Goldstone et S. Gutmann, Un algorithme d'optimisation approximative quantique, arXiv:1411.4028.
https:///doi.org/10.48550/arxiv.1411.4028
arXiv: 1411.4028
K. Mitarai, M. Negoro, M. Kitagawa et K. Fujii, Quantum circuit learning, Phys. Rév.A 98, 032309 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032309
A. Kandala, A. Mezzacapo, K. Temme, M. Takita, M. Brink, JM Chow et JM Gambetta, Résolveur propre quantique variationnel à efficacité matérielle pour les petites molécules et les aimants quantiques, Nature (Londres) 549, 242 (2017) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879
V. Havlíček, AD Córcoles, K. Temme, AW Harrow, A. Kandaka, JM Chow et JM Gambetta, Supervised learning with quantum-enhanced feature spaces, Nature (Londres) 567, 209 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-0980-2
Y. Li et SC Benjamin, Simulateur quantique variationnel efficace intégrant la minimisation active des erreurs, Phys. Rév. X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050
K. Temme, S. Bravyi et JM Gambetta, Atténuation des erreurs pour les circuits quantiques à courte profondeur, Phys. Rev. Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509
S. Endo, SC Benjamin et Y. Li, Atténuation pratique des erreurs quantiques pour les applications à court terme, Phys. Rev. X 8, 031027 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.031027
VN Premakumar et R. Joynt, Atténuation des erreurs dans les ordinateurs quantiques soumis à un bruit spatialement corrélé, arXiv:1812.07076.
https:///doi.org/10.48550/arxiv.1812.07076
arXiv: 1812.07076
X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh et TE O'Brien, Atténuation des erreurs à faible coût par vérification de symétrie, Phys. Rev. A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339
J. Sun, X. Yuan, T. Tsunoda, V. Vedral, SC Benjamin et S. Endo, Atténuation du bruit réaliste dans les dispositifs quantiques à échelle intermédiaire bruyants pratiques, Phys. Rev. Appliqué 15, 034026 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034026
X.-M. Zhang, W. Kong, MU Farooq, M.-H. Yung, G. Guo et X. Wang, Atténuation des erreurs basée sur la détection générique à l'aide d'auto-encodeurs quantiques, Phys. Rév. A 103, L040403 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.103.L040403
A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, SC Benjamin et Y. Li, Atténuation des erreurs quantiques basée sur l'apprentissage, PRX Quantum 2, 040330 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040330
P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles et L. Cincio, Atténuation des erreurs avec les données du circuit quantique de Clifford, Quantum 5, 592 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-11-26-592
A. Zlokapa et A. Gheorghiu, Un modèle d'apprentissage en profondeur pour la prédiction du bruit sur les dispositifs quantiques à court terme, arXiv:2005.10811.
https:///doi.org/10.48550/arxiv.2005.10811
arXiv: 2005.10811
K. Yeter-Aydeniz, RC Pooser et G. Siopsis, Calcul quantique pratique des niveaux d'énergie chimique et nucléaire à l'aide de l'évolution temporelle imaginaire quantique et des algorithmes de Lanczos, npj Quantum Information 6, 63 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41534-020-00290-1
B. Tan et J. Cong, Étude d'optimalité des outils de synthèse de mise en page d'informatique quantique existants, IEEE Transactions on Computers 70, 1363 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009140
MR Perelshtein, AI Pakhomchik, AA Melnikov, AA Novikov, A. Glatz, GS Paraoanu, VM Vinokur et GB Lesovik, Résolution de systèmes linéaires à grande échelle d'équations par un algorithme hybride quantique, Ann. Phys. 2200082 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1002 / andp.202200082
A. Kondratyev, Apprentissage non différentiable de la machine née du circuit quantique avec algorithme génétique, Wilmott 2021, 50 (2021).
https:///doi.org/10.1002/wilm.10943
S. Dasgupta, KE Hamilton et A. Banerjee, Caractérisation de la capacité de mémoire des réservoirs de qubit transmon, arXiv:2004.08240.
https:///doi.org/10.48550/arxiv.2004.08240
arXiv: 2004.08240
LM Sager, SE Smart, DA Mazziotti, Préparation d'un condensat d'excitons de photons sur un ordinateur quantique de 53 qubits, Phys. Rev.Recherche 2, 043205 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.043205
JR Wootton, Une procédure quantique pour la génération de cartes, dans Proc. de la Conférence IEEE 2020 sur les jeux (IEEE, Osaka, 2020), p. 73.
https:///doi.org/10.1109/CoG47356.2020.9231571
W.-J. Huang, W.-C. Chien, C.-H. Cho, C.-C. Huang, T.-W. Huang et C.-R. Chang, les inégalités de Mermin de plusieurs qubits avec des mesures orthogonales sur le système IBM Q 53-qubit, Quantum Engineering 2, e45 (2020).
https:///doi.org/10.1002/que2.45
T. Morimae, Vérification pour l'informatique quantique aveugle à mesure uniquement, Phys. Rév. A 89, 060302(R) (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.060302
M. Hayashi et T. Morimae, Calcul quantique aveugle à mesure uniquement vérifiable avec test de stabilisateur, Phys. Rév. Lett. 115, 220502 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.115.220502
T. Morimae, Calcul quantique aveugle vérifiable uniquement par mesure avec vérification d'entrée quantique, Phys. Rév. A 94, 042301 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.042301
D. Aharonov, M. Ben-Or, E. Eban et U. Mahadev, Preuves interactives pour les calculs quantiques, arXiv:1704.04487.
https:///doi.org/10.48550/arxiv.1704.04487
arXiv: 1704.04487
JF Fitzsimons et E. Kashefi, Calcul quantique aveugle vérifiable sans condition, Phys. Rév. A 96, 012303 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.012303
T. Morimae, Y. Takeuchi et M. Hayashi, Vérification des états hypergraphiques, Phys. Rév. A 96, 062321 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.062321
JF Fitzsimons, M. Hajdušek et T. Morimae, Vérification post hoc du calcul quantique, Phys. Rév. Lett. 120, 040501 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.040501
Y. Takeuchi et T. Morimae, Vérification d'états à plusieurs qubits, Phys. Rév. X 8, 021060 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.021060
A. Broadbent, Comment vérifier un calcul quantique, Théorie de l'informatique 14, 11 (2018).
https: / / doi.org/ 10.4086 / toc.2018.v014a011
U. Mahadev, Vérification classique des calculs quantiques, dans Proc. du 59th Annual Symposium on Foundations of Computer Science (IEEE, Paris, 2018), p. 259.
https:///doi.ieeecomputersociety.org/10.1109/FOCS.2018.00033
Y. Takeuchi, A. Mantri, T. Morimae, A. Mizutani et JF Fitzsimons, Vérification efficace des ressources de l'informatique quantique à l'aide de la borne de Serfling, npj Quantum Information 5, 27 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0142-2
M. Hayashi et Y. Takeuchi, Vérification des calculs quantiques de commutation via l'estimation de la fidélité des états de graphe pondérés, New J. Phys. 21, 093060 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab3d88
A. Gheorghiu et T. Vidick, Computationally-Secure and Composable Remote State Preparation, dans Proc. du 60e symposium annuel sur les fondements de l'informatique (IEEE, Baltimore, 2019), p. 1024.
https: / / doi.org/ 10.1109 / FOCS.2019.00066
G. Alagic, AM Childs, AB Grilo et S.-H. Hung, Vérification classique non interactive du calcul quantique, dans Proc. of Theory of Cryptography Conference (Springer, Virtual, 2020), p. 153.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-64381-2_6
H. Zhu et M. Hayashi, Vérification efficace des états hypergraphiques, Phys. Rev. Appliqué 12, 054047 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.12.054047
N.-H. Chia, K.-M. Chung et T. Yamakawa, Vérification classique des calculs quantiques avec un vérificateur efficace, dans Proc. of Theory of Cryptography Conference (Springer, Virtual, 2020), p. 181.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-64381-2_7
D. Markham et A. Krause, Un protocole simple pour la certification des états de graphe et des applications dans les réseaux quantiques, Cryptographie 4, 3 (2020).
https: / / doi.org/ 10.3390 / cryptographie4010003
R. Raussendorf et HJ Briegel, Un ordinateur quantique à sens unique, Phys. Rev. Lett. 86, 5188 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.86.5188
O. Regev, Sur les réseaux, l'apprentissage avec des erreurs, les codes linéaires aléatoires et la cryptographie, Journal of the ACM 56, 34 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1568318.1568324
Si les opérations quantiques $n$-qubit sont autorisées, la vérification efficace est trivialement possible. Soit $U$ un opérateur unitaire tel que $|psi_trangle=U|0^nrangle$ pour un état de sortie idéal $|psi_trangle$. Nous appliquons $U^†$ à un état reçu $hat{rho}$ et mesurons tous les qubits dans la base de calcul. Ensuite, en estimant la probabilité que $0^n$ soit observé, nous pouvons estimer la fidélité $langle 0^n|U^†hat{rho}U|0^nrangle$ entre $|psi_trangle$ et $hat{rho}$ .
Pour plus de clarté, nous utilisons la notation $hat{a}$ lorsque la lettre minuscule $a$ est un état quantique ou une opération quantique. Par contre, pour toute lettre majuscule $A$, on omet $hat{color{white}{a}}$ même si $A$ est un état quantique ou une opération quantique.
DT Smithey, M. Beck, MG Raymer et A. Faridani, Mesure de la distribution de Wigner et de la matrice de densité d'un mode lumineux par tomographie optique homodyne : application aux états comprimés et au vide, Phys. Rév. Lett. 70, 1244 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.70.1244
Z. Hradil, Estimation de l'état quantique, Phys. Rév. A 55, R1561(R) (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.55.R1561
K. Banaszek, GM D'Ariano, MGA Paris et MF Sacchi, Estimation par maximum de vraisemblance de la matrice de densité, Phys. Rev. A 61, 010304(R) (1999).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.61.010304
ST Flammia et Y.-K. Liu, Estimation de fidélité directe à partir de quelques mesures de Pauli, Phys. Rév. Lett. 106, 230501 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.230501
S. Ferracin, T. Kapourniotis et A. Datta, Accréditation des sorties de dispositifs informatiques quantiques bruyants à échelle intermédiaire, New J. Phys. 21 113038 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab4fd6
S. Ferracin, ST Merkel, D. McKay et A. Datta, Accréditation expérimentale des sorties d'ordinateurs quantiques bruyants, Phys. Rév. A 104, 042603 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.042603
D. Leichtle, L. Music, E. Kashefi et H. Ollivier, Vérification des calculs BQP sur des appareils bruyants avec une surcharge minimale, PRX Quantum 2, 040302 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040302
Y.-C. Liu, X.-D. Yu, J. Shang, H. Zhu et X. Zhang, Vérification efficace des états de Dicke, Phys. Rev. Appliqué 12, 044020 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.12.044020
S. Bravyi, G. Smith et JA Smolin, Trading Classical and Quantum Computational Resources, Phys. Rév. X 6, 021043 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021043
T. Peng, A. Harrow, M. Ozols et X. Wu, Simulation de grands circuits quantiques sur un petit ordinateur quantique, Phys. Rév. Lett. 125, 150504 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.150504
D. Aharonov, A. Kitaev et N. Nisan, Circuits quantiques à états mixtes, dans Proc. du 30th Annual ACM Symposium on Theory of Computing (ACM, Dallas, 1998), p. 20.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 276698.276708
MA Nielsen et IL Chuang, Édition du 10e anniversaire du calcul quantique et de l'information quantique (Cambridge University Press, Cambridge, 2010).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667
M. Fanciulli, éd., Electron Spin Resonance and Related Phenomena in Low-Dimensional Structures (Springer, Berlin, 2009).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-79365-6
W. Hoeffding, Inégalités de probabilité pour les sommes de variables aléatoires bornées, Journal de l'American Statistical Association 58, 13 (1963).
https:///www.tandfonline.com/doi/ref/10.1080/01621459.1963.10500830?scroll=top
K. Li et G. Smith, Théorème quantique de Finetti sous mesures adaptatives entièrement unidirectionnelles, Phys. Rév. Lett. 114, 160503 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.160503
F. Arute, K. Arya, R. Babbush, D. Bacon, JC Bardin, R. Barends, R. Biswas, S. Boixo, FGSL Brandao, DA Buell, B. Burkett, Y. Chen, Z. Chen, B Chiaro, R. Collins, W. Courtney, A. Dunsworth, E. Farhi, B. Foxen, A. Fowler, C. Gidney, M. Giustina, R. Graff, K. Guerin, S. Habegger, MP Harrigan, MJ Hartmann, A. Ho, M. Hoffmann, T. Huang, TS Humble, SV Isakov, E. Jeffrey, Z. Jiang, D. Kafri, K. Kechedzhi, J. Kelly, PV Klimov, S. Knysh, A. Korotkov, F. Kostritsa, D. Landhuis, M. Lindmark, E. Lucero, D. Lyakh, S. Mandrà, JR McClean, M. McEwen, A. Megrant, X. Mi, K. Michielsen, M. Mohseni, J Mutus, O. Naaman, M. Neeley, C. Neill, MY Niu, E. Ostby, A. Petukhov, JC Platt, C. Quintana, EG Rieffel, P. Roushan, NC Rubin, D. Sank, KJ Satzinger, V. Smelyanskiy, KJ Sung, MD Trevithick, A. Vainsencher, B. Villalonga, T. White, ZJ Yao, P. Yeh, A. Zalcman, H. Neven et JM Martinis, Suprématie quantique à l'aide d'un processeur supraconducteur programmable, Nature (Londres) 574, 505 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5
RJ Lipton et RE Tarjan, Un théorème de séparation pour les graphes planaires, SIAM J. Appl. Mathématiques. 36, 177 (1979).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 0136016
RJ Lipton et RE Tarjan, Applications d'un théorème de séparation planaire, SIAM J. Comput. 9, 615 (1980).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 0209046
K. Fujii, K. Mizuta, H. Ueda, K. Mitarai, W. Mizukami, YO Nakagawa, Deep Variational Quantum Eigensolver: Une méthode de division et de conquête pour résoudre un problème plus important avec des ordinateurs quantiques de plus petite taille, PRX Quantum 3, 010346 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010346
W. Tang, T. Tomesh, M. Suchara, J. Larson et M. Martonosi, CutQC : utilisation de petits ordinateurs quantiques pour de grandes évaluations de circuits quantiques, dans Proc. de la 26e conférence internationale ACM sur le support architectural des langages de programmation et des systèmes d'exploitation (ACM, virtuel, 2021), p. 473.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3445814.3446758
K. Mitarai et K. Fujii, Construire une porte virtuelle à deux qubits en échantillonnant des opérations à un seul qubit, New J. Phys. 23, 023021 (2021).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/abd7bc
K. Mitarai et K. Fujii, Overhead for simulating a non-local channel with local channesl by quasiprobability sampling, Quantum 5, 388 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-28-388
MA Perlin, ZH Saleem, M. Suchara et JC Osborn, Coupure de circuit quantique avec tomographie à vraisemblance maximale, npj Quantum Information 7, 64 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41534-021-00390-6
T. Ayral, F.-M. L Régent, Z. Saleem, Y. Alexeev et M. Suchara, Quantum Divide and Compute: Hardware Demonstrations and Noisy Simulations, in Proc. du Symposium annuel 2020 de l'IEEE Computer Society sur le VLSI (IEEE, Limassol, 2020), p. 138.
https:///doi.org/10.1109/ISVLSI49217.2020.00034
Cité par
[1] Ruge Lin et Weiqiang Wen, "Protocole de vérification de la capacité de calcul quantique pour les dispositifs quantiques bruyants à échelle intermédiaire avec le problème du coset dièdre", Examen physique A 106 1, 012430 (2022).
[2] Ruge Lin et Weiqiang Wen, "Protocole de vérification de la capacité de calcul quantique pour les dispositifs NISQ avec problème de coset dièdre", arXiv: 2202.06984.
Les citations ci-dessus proviennent de Le service cité par Crossref (dernière mise à jour réussie 2022-07-27 01:37:47) et SAO / NASA ADS (dernière mise à jour réussie 2022-07-27 01:37:48). La liste peut être incomplète car tous les éditeurs ne fournissent pas de données de citation appropriées et complètes.
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