1NTT Communication Science Laboratories, NTT Corporation, 3-1 Morinosato Wakamiya, Atsugi, Kanagawa 243-0198, Japán
2Gunma Egyetem Informatikai Kara, 4-2 Aramakimachi, Maebashi, Gunma 371-8510, Japán
3Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University, Kitashirakawa Oiwakecho, Sakyo-ku, Kyoto 606-8502, Japán
4International Research Frontiers Initiative (IRFI), Tokiói Technológiai Intézet, Japán
Érdekesnek találja ezt a cikket, vagy szeretne megvitatni? Scite vagy hagyjon megjegyzést a SciRate-en.
Absztrakt
Számos zajos, közepes léptékű kvantumszámítás logaritmikus mélységű kvantumáramköröknek tekinthető egy ritka kvantumszámítási chipen, ahol a két qubites kapuk csak néhány qubit páron alkalmazhatók közvetlenül. Ebben a cikkben egy módszert javasolunk az ilyen zajos, közepes léptékű kvantumszámítások hatékony ellenőrzésére. Ennek érdekében először a kis léptékű kvantumműveleteket jellemezzük a gyémántnorma tekintetében. Ezután ezekkel a jellemzett kvantumműveletekkel megbecsüljük a $langlepsi_t|hat{rho}_{rm out}|psi_trangle$ hűséget a $hat{rho}_{rm out}$ tényleges $n$-qubit kimeneti állapot között. a zajos, közepes léptékű kvantumszámítás és az ideális kimeneti állapot (azaz a célállapot) $|psi_trangle$. Bár a közvetlen hűségbecslési módszer átlagosan $O(2^n)$ másolatot igényel a $hat{rho}_{rm out}$-ból, a mi módszerünk csak $O(D^32^{12D})$ másolatot igényel még a legrosszabb eset, ahol $D$ a $|psi_trangle$ sűrűsége. Ritka chipen lévő logaritmikus mélységű kvantumáramkörök esetén a $D$ legfeljebb $O(log{n})$, így a $O(D^32^{12D})$ egy polinom $n$-ban. Az IBM Manila 5 qubit chip használatával egy alapelv bizonyítási kísérletet is végzünk, hogy megfigyeljük módszerünk gyakorlati teljesítményét.
► BibTeX adatok
► Referenciák
[1] J. Preskill, Quantum Computing in the NISQ korszak és azon túl, Quantum 2, 79 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79
[2] A. Peruzzo, J. McClean, P. Shadbolt, M.-H. Yung, X.-Q. Zhou, PJ Love, A. Aspuru-Guzik és JL O'Brien: Variációs sajátérték-megoldó fotonikus kvantumprocesszoron, Nat. Commun. 5, 4213 (2014).
https:///doi.org/10.1038/ncomms5213
[3] E. Farhi, J. Goldstone és S. Gutmann, A Quantum Approximate Optimization Algorithm, arXiv:1411.4028.
https:///doi.org/10.48550/arxiv.1411.4028
arXiv: 1411.4028
[4] K. Mitarai, M. Negoro, M. Kitagawa és K. Fujii, Quantum circuit learning, Phys. Rev. A 98, 032309 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.98.032309
[5] A. Kandala, A. Mezzacapo, K. Temme, M. Takita, M. Brink, JM Chow és JM Gambetta, Hardver-hatékony variációs kvantum sajátmegoldó kis molekulákhoz és kvantummágnesekhez, Nature (London) 549, 242 (2017) .
https:///doi.org/10.1038/nature23879
[6] V. Havlíček, AD Córcoles, K. Temme, AW Harrow, A. Kandaka, JM Chow és JM Gambetta, Felügyelt tanulás kvantum-bővített jellemzőterekkel, Nature (London) 567, 209 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-0980-2
[7] Y. Li és SC Benjamin, Efficient Variational Quantum Simulator Incorporating Active Error Minimalation, Phys. Rev. X 7, 021050 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.7.021050
[8] K. Temme, S. Bravyi és JM Gambetta, Error Mitigation for Short-Depth Quantum Circuits, Phys. Rev. Lett. 119, 180509 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.180509
[9] S. Endo, SC Benjamin és Y. Li, Practical Quantum Error Mitigation for Near-Future Applications, Phys. Rev. X 8, 031027 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.8.031027
[10] VN Premakumar és R. Joynt, Error Mitigation in Quantum Computers kitett térbeli korrelációs zajnak, arXiv:1812.07076.
https:///doi.org/10.48550/arxiv.1812.07076
arXiv: 1812.07076
[11] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh és TE O'Brien, Low-cost error mitigation by symmetry verification, Phys. Rev. A 98, 062339 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.98.062339
[12] J. Sun, X. Yuan, T. Tsunoda, V. Vedral, SC Benjamin és S. Endo, Mitigating Realistic Noise in Practical Noisy Intermediate-Scale Quantum Devices, Phys. Rev. Applied 15, 034026 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.034026
[13] X.-M. Zhang, W. Kong, MU Farooq, M.-H. Yung, G. Guo és X. Wang, Generic detection-based error mitigation using quantum autoencoders, Phys. Rev. A 103, L040403 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.103.L040403
[14] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, SC Benjamin és Y. Li, Learning-Based Quantum Error Mitigation, PRX Quantum 2, 040330 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.040330
[15] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles és L. Cincio, Error mitigation with Clifford quantum-circuit data, Quantum 5, 592 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-11-26-592
[16] A. Zlokapa és A. Gheorghiu, A mély tanulási modell a zaj-előrejelzéshez rövid távú kvantumeszközökön, arXiv:2005.10811.
https:///doi.org/10.48550/arxiv.2005.10811
arXiv: 2005.10811
[17] K. Yeter-Aydeniz, RC Pooser és G. Siopsis, Kémiai és nukleáris energiaszintek gyakorlati kvantumszámítása kvantumképzetes időfejlődés és Lanczos algoritmusok segítségével, npj Quantum Information 6, 63 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41534-020-00290-1
[18] B. Tan és J. Cong, Optimality Study of Existing Quantum Computing Layout Synthesis Tools, IEEE Transactions on Computers 70, 1363 (2021).
https:///doi.org/10.1109/TC.2020.3009140
[19] MR Perelshtein, AI Pakhomchik, AA Melnikov, AA Novikov, A. Glatz, GS Paraoanu, VM Vinokur és GB Lesovik, Large-Scale Linear Systems of Equations by a Quantum Hybrid Algorithm, Ann. Phys. 2200082 (2022).
https:///doi.org/10.1002/andp.202200082
[20] A. Kondratyev, Kvantumáramkörben született gép nem differenciálható tanulása genetikai algoritmussal, Wilmott 2021, 50 (2021).
https:///doi.org/10.1002/wilm.10943
[21] S. Dasgupta, KE Hamilton és A. Banerjee, A transzmon qubit rezervoárok memóriakapacitásának jellemzése, arXiv:2004.08240.
https:///doi.org/10.48550/arxiv.2004.08240
arXiv: 2004.08240
[22] LM Sager, SE Smart, DA Mazziotti, Fotonok excitonkondenzátumának előkészítése 53 qubit-es kvantumszámítógépen, Phys. Rev. Research 2, 043205 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.043205
[23] JR Wootton, A kvantum eljárás térképgeneráláshoz, Proc. a 2020-as IEEE Games Conference (IEEE, Osaka, 2020) o. 73.
https:///doi.org/10.1109/CoG47356.2020.9231571
[24] W.-J. Huang, W.-C. Chien, C.-H. Cho, C.-C. Huang, T.-W. Huang és C.-R. Chang, Több qubit Mermin-egyenlőtlenségei ortogonális mérésekkel IBM Q 53 qubit rendszeren, Quantum Engineering 2, e45 (2020).
https:///doi.org/10.1002/que2.45
[25] T. Morimae, Ellenőrzés csak mérésre alkalmas vakkvantumszámításhoz, Phys. Rev. A 89, 060302(R) (2014).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.89.060302
[26] M. Hayashi és T. Morimae, Verifiable Measurement-Only Blind Quantum Computing with Stabilizer Testing, Phys. Rev. Lett. 115, 220502 (2015).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.220502
[27] T. Morimae, Measurement-only verifable blind quantum computing with quantum input verification, Phys. Rev. A 94, 042301 (2016).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.94.042301
[28] D. Aharonov, M. Ben-Or, E. Eban és U. Mahadev, Interactive Proofs for Quantum Computations, arXiv:1704.04487.
https:///doi.org/10.48550/arxiv.1704.04487
arXiv: 1704.04487
[29] JF Fitzsimons és E. Kashefi, Feltétel nélkül ellenőrizhető vakkvantumszámítás, Phys. Rev. A 96, 012303 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.96.012303
[30] T. Morimae, Y. Takeuchi és M. Hayashi, Verification of hypergraph states, Phys. Rev. A 96, 062321 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.96.062321
[31] JF Fitzsimons, M. Hajdušek és T. Morimae, Post hoc Verification of Quantum Computation, Phys. Rev. Lett. 120, 040501 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.040501
[32] Y. Takeuchi és T. Morimae, Verification of Many-Qubit States, Phys. Rev. X 8, 021060 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.8.021060
[33] A. Broadbent, How to Verify a Quantum Computation, Theory of Computing 14, 11 (2018).
https:///doi.org/10.4086/toc.2018.v014a011
[34] U. Mahadev, Classical Verification of Quantum Computations, Proc. az 59. éves szimpózium a számítástechnika alapjairól (IEEE, Párizs, 2018), p. 259.
https:///doi.ieeecomputersociety.org/10.1109/FOCS.2018.00033
[35] Y. Takeuchi, A. Mantri, T. Morimae, A. Mizutani és JF Fitzsimons: A kvantumszámítás erőforrás-hatékony ellenőrzése Serfling-féle kötöttséggel, npj Quantum Information 5, 27 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0142-2
[36] M. Hayashi és Y. Takeuchi: Ingázó kvantumszámítások ellenőrzése súlyozott gráfállapotok hűségbecslésével, New J. Phys. 21, 093060 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab3d88
[37] A. Gheorghiu és T. Vidick, Computationally-Secure and Composable Remote State Preparation, Proc. a 60. éves szimpózium a számítástechnika alapjairól (IEEE, Baltimore, 2019), p. 1024.
https:///doi.org/10.1109/FOCS.2019.00066
[38] G. Alagic, AM Childs, AB Grilo és S.-H. Hung, Non-interactive Classical Verification of Quantum Computation, Proc. kriptográfiaelméleti konferencia (Springer, Virtuális, 2020), p. 153.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-64381-2_6
[39] H. Zhu és M. Hayashi, Efficient Verification of Hypergraph States, Phys. Rev. Applied 12, 054047 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.054047
[40] N.-H. Chia, K.-M. Chung és T. Yamakawa, Classical Verification of Quantum Computations with Efficient Verifier, Proc. kriptográfiaelméleti konferencia (Springer, Virtuális, 2020), p. 181.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-64381-2_7
[41] D. Markham és A. Krause, A Simple Protocol for Certifying Graph State and Applications in Quantum Networks, Cryptography 4, 3 (2020).
https:///doi.org/10.3390/cryptography4010003
[42] R. Raussendorf és HJ Briegel, A One-Way Quantum Computer, Phys. Rev. Lett. 86, 5188 (2001).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.86.5188
[43] O. Regev, A rácsokról, a hibákkal való tanulásról, a véletlenszerű lineáris kódokról és a titkosításról, Journal of the ACM 56, 34 (2009).
https:///doi.org/10.1145/1568318.1568324
[44] Ha $n$-qubit kvantumműveletek megengedettek, akkor a hatékony ellenőrzés triviálisan lehetséges. Legyen $U$ olyan egységes operátor, hogy $|psi_trangle=U|0^nrangle$ egy ideális $|psi_trangle$ kimeneti állapothoz. $U^†$-t alkalmazunk egy kapott $hat{rho}$ állapotra, és megmérjük az összes qubitet a számítási alapban. Ezután a $0^n$ megfigyelési valószínűségének becslésével megbecsülhetjük a $|psi_trangle$ és $hat{rho}$ közötti $langle 0^n|U^†hat{rho}U|0^nrangle$ hűséget. .
[45] Az egyértelműség kedvéért a $hat{a}$ jelölést használjuk, ha a kisbetű $a$ kvantumállapot vagy kvantumművelet. Másrészt minden nagybetűs $A$ esetén elhagyjuk a $hat{color{white}{a}}$ értéket, még akkor is, ha a $A$ kvantumállapot vagy kvantumművelet.
[46] DT Smithey, M. Beck, MG Raymer és A. Faridani: A fénymód Wigner-eloszlásának és sűrűségmátrixának mérése optikai homodin tomográfiával: Alkalmazás préselt állapotokra és vákuumra, Phys. Rev. Lett. 70, 1244 (1993)].
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.70.1244
[47] Z. Hradil, Quantum-state estimation, Phys. Rev. A 55, R1561(R) (1997).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.55.R1561
[48] K. Banaszek, GM D'Ariano, MGA Paris és MF Sacchi, Maximum-likelihood estimation of the density mátrix, Phys. Rev. A 61, 010304(R) (1999).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.61.010304
[49] ST Flammia és Y.-K. Liu, Közvetlen hűségbecslés néhány Pauli-mérésből, Phys. Rev. Lett. 106, 230501 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.230501
[50] S. Ferracin, T. Kapourniotis és A. Datta, Zajos, közepes méretű kvantumszámítási eszközök kimeneteinek akkreditálása, New J. Phys. 21 113038 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab4fd6
[51] S. Ferracin, ST Merkel, D. McKay és A. Datta, Zajos kvantumszámítógépek kimeneteinek kísérleti akkreditációja, Phys. Rev. A 104, 042603 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.104.042603
[52] D. Leichtle, L. Music, E. Kashefi és H. Ollivier, Verifying BQP Computations on Noisy Devices with Minimal Overhead, PRX Quantum 2, 040302 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.040302
[53] Y.-C. Liu, X.-D. Yu, J. Shang, H. Zhu és X. Zhang, Efficient Verification of Dicke States, Phys. Rev. Applied 12, 044020 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.044020
[54] S. Bravyi, G. Smith és JA Smolin, Trading Classical and Quantum Computational Resources, Phys. Rev. X 6, 021043 (2016).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.6.021043
[55] T. Peng, A. Harrow, M. Ozols és X. Wu, Simulating Large Quantum Circuits on a Small Quantum Computer, Phys. Rev. Lett. 125, 150504 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.150504
[56] D. Aharonov, A. Kitaev és N. Nisan, Quantum Circuits with Mixed States, Proc. a 30. éves ACM szimpózium a számítástechnikai elméletről (ACM, Dallas, 1998), p. 20.
https:///doi.org/10.1145/276698.276708
[57] MA Nielsen és IL Chuang, Quantum Computation and Quantum Information 10th Anniversary Edition (Cambridge University Press, Cambridge, 2010).
https:///doi.org/10.1017/CBO9780511976667
[58] M. Fanciulli, szerk., Electron Spin Resonance and Related Phenomena in Low-Dimensional Structures (Springer, Berlin, 2009).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-79365-6
[59] W. Hoeffding, Probability Inequalities for Sum of Bounded Random Variables, Journal of the American Statistical Association 58, 13 (1963).
https:///www.tandfonline.com/doi/ref/10.1080/01621459.1963.10500830?scroll=top
[60] K. Li és G. Smith, Quantum de Finetti Theorem a Fully-One-Way Adaptive Measurements, Phys. Rev. Lett. 114, 160503 (2015).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.160503
[61] 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, Harrigan képviselő, 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 és JM Martinis, Quantum supremacy using a programable szupravezető processzor, Nature (London) 574, 505 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5
[62] RJ Lipton és RE Tarjan, A Separator Theorem for Planar Graphs, SIAM J. Appl. Math. 36, 177 (1979)].
https:///doi.org/10.1137/0136016
[63] RJ Lipton és RE Tarjan, Applications of a Planar Separator Theorem, SIAM J. Comput. 9, 615 (1980).
https:///doi.org/10.1137/0209046
[64] K. Fujii, K. Mizuta, H. Ueda, K. Mitarai, W. Mizukami, YO Nakagawa, Deep Variational Quantum Eigensolver: A Divide-and-Conquer Method for Solving a Larger Problem with Smaller Size Quantum Computers, PRX Quantum 3, 010346 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.010346
[65] W. Tang, T. Tomesh, M. Suchara, J. Larson és M. Martonosi, CutQC: kis kvantumszámítógépek használata nagy kvantumáramkör-kiértékelésekhez, Proc. a 26. ACM nemzetközi konferencia a programozási nyelvek és operációs rendszerek architektúrái támogatásáról (ACM, virtuális, 2021), p. 473.
https:///doi.org/10.1145/3445814.3446758
[66] K. Mitarai és K. Fujii, Virtuális két-kubites kapu létrehozása egy-kubites műveletek mintavételezésével, New J. Phys. 23, 023021 (2021).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/abd7bc
[67] K. Mitarai és K. Fujii, Overhead egy nem helyi csatorna szimulálásához helyi csatornákkal kvázivalószínűségi mintavételezéssel, Quantum 5, 388 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-28-388
[68] MA Perlin, ZH Saleem, M. Suchara és JC Osborn, Quantum circuit cut with maximum-likelihood tomograph, npj Quantum Information 7, 64 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41534-021-00390-6
[69] T. Ayral, F.-M. L Régent, Z. Saleem, Y. Alexeev és M. Suchara, Quantum Divide and Compute: Hardware Demonstrations and Noisy Simulations, Proc. az IEEE Computer Society 2020. évi VLSI-vel foglalkozó éves szimpóziumának (IEEE, Limassol, 2020), p. 138.
https:///doi.org/10.1109/ISVLSI49217.2020.00034
Idézi
[1] Ruge Lin és Weiqiang Wen, „Kvantumszámítási képesség-ellenőrzési protokoll zajos, közepes méretű kvantumeszközökhöz a diéderes koszet problémájával”, Fizikai áttekintés A 106 1, 012430 (2022).
[2] Ruge Lin és Weiqiang Wen, „Kvantumszámítási képesség-ellenőrzési protokoll NISQ-eszközökhöz diéderes kosetta problémával”, arXiv: 2202.06984.
A fenti idézetek innen származnak Crossref által idézett szolgáltatás (utolsó sikeres frissítés: 2022-07-27 01:37:47) és SAO/NASA HIRDETÉSEK (utolsó sikeres frissítés: 2022-07-27 01:37:48). Előfordulhat, hogy a lista hiányos, mivel nem minden kiadó ad megfelelő és teljes hivatkozási adatokat.
Ez a tanulmány a Quantumban jelent meg Creative Commons Nevezd meg 4.0 International (CC BY 4.0) engedély. A szerzői jog az eredeti szerzői jog tulajdonosainál marad, például a szerzőknél vagy intézményeiknél.
