La bataille des qubits propres et sales à l'ère de la correction d'erreur partielle

La bataille des qubits propres et sales à l'ère de la correction d'erreur partielle

Horodatage: 13 juillet 2023 11:18

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

1Division théorique, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, États-Unis
2Theoretische Chemie, Physikalisch-Chemisches Institut, Universität Heidelberg, INF 229, D-69120 Heidelberg, Allemagne
3Imperial College London, Londres, Royaume-Uni
4Institut de physique théorique, Université Jagellonne, Cracovie, Pologne.
5Instituto de Física Teórica, UAM/CSIC, Universidad Autónoma de Madrid, Madrid 28049, Espagne
6Sciences de l'information, Laboratoire national de Los Alamos, Los Alamos, NM 87545, États-Unis
7Quantum Science Center, Oak Ridge, TN 37931, États-Unis

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Abstract

Lorsque la correction d'erreur deviendra possible, il sera nécessaire de dédier un grand nombre de qubits physiques à chaque qubit logique. La correction d'erreurs permet d'exécuter des circuits plus profonds, mais chaque qubit physique supplémentaire peut potentiellement contribuer à une augmentation exponentielle de l'espace de calcul, il y a donc un compromis entre l'utilisation de qubits pour la correction d'erreurs ou leur utilisation comme qubits bruyants. Dans ce travail, nous examinons les effets de l'utilisation de qubits bruyants en conjonction avec des qubits sans bruit (un modèle idéalisé pour les qubits corrigés des erreurs), que nous appelons la configuration "propre et sale". Nous utilisons des modèles analytiques et des simulations numériques pour caractériser cette configuration. Numériquement, nous montrons l'apparition de plateaux stériles induits par le bruit (NIBP), c'est-à-dire une concentration exponentielle d'observables causée par le bruit, dans un circuit ansatz variationnel hamiltonien du modèle d'Ising. Nous observons cela même si un seul qubit est bruyant et compte tenu d'un circuit suffisamment profond, ce qui suggère que les PNI ne peuvent pas être entièrement surmontés simplement en corrigeant les erreurs d'un sous-ensemble des qubits. Du côté positif, nous constatons que pour chaque qubit sans bruit dans le circuit, il y a une suppression exponentielle de la concentration des gradients observables, montrant l'avantage de la correction d'erreur partielle. Enfin, nos modèles analytiques corroborent ces résultats en montrant que les observables se concentrent avec une mise à l'échelle dans l'exposant liée au ratio de qubits sales sur totaux.

The battle of clean and dirty qubits in the era of partial error correction PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Image en vedette : sur la gauche, un graphique montre l'amplitude moyenne des gradients du circuit dans l'encart sur la profondeur du circuit avec différentes lignes pour les différents nombres de qubits sales (bruyants) et propres (sans bruit) dans le système simulé. Il y a une décroissance exponentielle claire de l'amplitude moyenne des gradients sur la profondeur du circuit qui est maximale lorsque tous les qubits sont bruyants. Sur la droite, il y a un schéma de circuit de la façon dont les canaux de bruit $(mathcal N)$ sont distribués autour des portes $(U)$ dans la configuration propre et sale.

Résumé populaire

Dans un avenir avec des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes, un tout nouveau monde d'algorithmes quantiques s'ouvrira, ce qui pourrait offrir un avantage sur de nombreux algorithmes classiques. Cela ne se fera pas sans quelques sacrifices - le nombre de qubits requis pour coder un qubit corrigé (ou logique) d'erreur sera important. L'ajout d'un seul qubit à un système double l'espace de calcul disponible de la machine. Dans cet article, nous posons donc la question : pouvez-vous combiner des qubits corrigés des erreurs avec des qubits physiques ? Étant donné que le bruit entrave considérablement les algorithmes quantiques, la combinaison des avantages de la correction d'erreurs avec l'espace de Hilbert supplémentaire offert par les qubits physiques non corrigés des erreurs peut être bénéfique pour certaines classes d'algorithmes. Nous abordons cette question en utilisant une approximation où les qubits sans bruit remplacent les qubits corrigés des erreurs, que nous appelons propres ; et ils sont couplés à des qubits physiques bruyants, que nous appelons sales. Nous montrons analytiquement et numériquement que les erreurs dans la mesure des valeurs d'attente sont supprimées de manière exponentielle pour chaque qubit bruyant qui est remplacé par un qubit propre, et que ce comportement suit de près ce que la machine ferait si vous réduisiez le taux d'erreur d'une machine uniformément bruyante. par le rapport entre les qubits sales et le nombre total de qubits.

► Données BibTeX

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Cité par

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