Szinergikus kvantumhiba-csökkentés véletlenszerű fordítással és nulla zaj extrapolációval a variációs kvantum-sajátmegoldóhoz

Szinergikus kvantumhiba-csökkentés véletlenszerű fordítással és nulla zaj extrapolációval a variációs kvantum-sajátmegoldóhoz

Időbélyeg: 20. november 2023. 8:49

Tomochika Kurita1, Hammam Qassim2, Masatoshi Ishii1, Hirotaka Oshima1, Shintaro Sato1, and Joseph Emerson2

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

Érdekesnek találja ezt a cikket, vagy szeretne megvitatni? Scite vagy hagyjon megjegyzést a SciRate-en.

Absztrakt

Javasolunk egy kvantumhiba-csökkentési stratégiát a variációs kvantum sajátmegoldó (VQE) algoritmushoz. Numerikus szimulációval azt találtuk, hogy nagyon kis mennyiségű koherens zaj a VQE-ben lényegesen nagy hibákat okozhat, amelyeket a hagyományos mérséklő módszerekkel nehéz elnyomni, de a javasolt mérséklési stratégiánk képes jelentősen csökkenteni ezeket a hibákat. A javasolt stratégia a korábban bejelentett technikák kombinációja, nevezetesen a véletlenszerű összeállítás (RC) és a nulla zaj extrapoláció (ZNE). A véletlenszerű fordítás intuitív módon az áramkör koherens hibáit sztochasztikus Pauli-hibákká változtatja, ami megkönnyíti a nulla zajhatárra való extrapolációt a költségfüggvény értékelésekor. A VQE numerikus szimulációja kis molekulákra azt mutatja, hogy a javasolt stratégia akár két nagyságrenddel is csökkentheti a különféle típusú koherens zajok által kiváltott energiahibákat.

Synergetic quantum error mitigation by randomized compiling and zero-noise extrapolation for the variational quantum eigensolver PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Népszerű összefoglaló

Amikor kvantumszámításokat végzünk, kulcsfontosságú, hogy minimalizáljuk a hardverzaj által kiváltott számítási hibákat. Zajos, közepes méretű kvantum (NISQ) hardvereknél kvantumhiba-csökkentő technikák alkalmazhatók az ilyen hibák csökkentésére. A koherens zaj kezelése azonban továbbra is jelentős kihívást jelent a hibacsökkentésben, két okból kifolyólag: (i) még kis mennyiségű koherens zaj is jelentős számítási hibákhoz vezethet, és (ii) ezeket a hibákat nehéz enyhíteni a meglévő technikákkal.
Ebben a munkában egy hibacsökkentő technikát javasolunk, amely hatékonyan csökkenti a koherens zaj okozta hibákat. Ez a technika a randomizált fordítás (RC) és a nulla zaj extrapoláció (ZNE) szinergikus hatását használja. Az RC a koherens zajt sztochasztikus Pauli-zajmá alakítja, amely hatékonyan csökkenthető a ZNE használatával. A variációs kvantum-sajátmegoldó algoritmusokon végzett numerikus szimulációink azt mutatják, hogy a javasolt mérséklő technikánk jelentős hibaelnyomó hatást fejt ki a koherens zaj ellen.

► BibTeX adatok

► Referenciák

[1] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin, and Xiao Yuan. “Quantum computational chemistry”. 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, and Yuhua Duan. “Quantum Computing and Simulations for Energy Applications: Review and Perspective”. 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 és Jeannette M Garcia. „Dománs termékek kvantumszámítása lítium-kén akkumulátorokban”. The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1063/​5.0044068

[4] Austin G Fowler, Matteo Mariantoni, John M Martinis és Andrew N Cleland. „Felületi kódok: A gyakorlati nagyszabású kvantumszámítás felé”. Fizikai Szemle 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 és Jeremy L O'brien. „Változatos sajátérték-megoldó fotonikus kvantumprocesszoron”. Nature Communications 5, 4213 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms5213

[6] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush és Alán Aspuru-Guzik. „A variációs hibrid kvantum-klasszikus algoritmusok elmélete”. 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, et al. “Scalable Quantum Simulation of Molecular Energies”. 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 és Jay M Gambetta. „Hardver-hatékony variációs kvantum-sajátmegoldó kis molekulákhoz és kvantummágnesekhez”. 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, and Irfan Siddiqi. “Computation of Molecular Spectra on a Quantum Processor with an Error-Resilient Algorithm”. 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 és Jay M Gambetta. "A hibacsökkentés kiterjeszti a zajos kvantumprocesszor számítási hatókörét." 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, and Kihwan Kim. “Quantum implementation of the unitary coupled cluster for simulating molecular electronic structure”. 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, et al. “Ground-state energy estimation of the water molecule on a trapped-ion quantum computer”. 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 és Hartmut Neven. „Kivár fennsíkok kvantum-neurális hálózatok képzési tájain”. Nature Communications 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, et al. “The Variational Quantum Eigensolver: A review of methods and best practices”. Physics Reports 986, 1–128 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.physrep.2022.08.003

[15] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin, and Xiao Yuan. “Hybrid Quantum-Classical Algorithms and Quantum Error Mitigation”. Journal of the Physical Society of Japan 90, 032001 (2021).
https://​/​doi.org/​10.7566/​JPSJ.90.032001

[16] Ying Li and Simon C Benjamin. “Efficient Variational Quantum Simulator Incorporating Active Error Minimization”. Physical Review X 7, 021050 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.7.021050

[17] Kristan Temme, Sergey Bravyi, and Jay M Gambetta. “Error Mitigation for Short-Depth Quantum Circuits”. Physical review letters 119, 180509 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.119.180509

[18] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A de Jong, and Christian W Bauer. “Zero-noise extrapolation for quantum-gate error mitigation with identity insertions”. 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, and Kihwan Kim. “Error-mitigated quantum gates exceeding physical fidelities in a trapped-ion system”. Nature communications 11, 587 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-14376-z

[20] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter és Wibe A De Jong. „Hibrid kvantum-klasszikus hierarchia a dekoherencia mérséklésére és a gerjesztett állapotok meghatározására”. Physical Review A 95, 042308 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.042308

[21] Joel J Wallman and Joseph Emerson. “Noise tailoring for scalable quantum computation via randomized compiling”. 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, et al. “Randomized Compiling for Scalable Quantum Computing on a Noisy Superconducting Quantum Processor”. 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, et al. “Leveraging randomized compiling for the quantum imaginary-time-evolution algorithm”. 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, and Abhinav Kandala. “Scalable error mitigation for noisy quantum circuits produces competitive expectation values”. 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, and Ying Li. “Quantum computation with universal error mitigation on a superconducting quantum processor”. Science advances 5, eaaw5686 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.aaw5686

[26] Matthew Ware, Guilhem Ribeill, Diego Riste, Colm A Ryan, Blake Johnson, and Marcus P Da Silva. “Experimental Pauli-frame randomization on a superconducting qubit”. 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, and Joel J Wallman. “Efficiently improving the performance of noisy quantum computers” (2022). arXiv:2201.10672.
arXiv: 2201.10672

[28] Nick S Blunt, Laura Caune, Róbert Izsák, Earl T Campbell, and Nicole Holzmann. “Statistical phase estimation and error mitigation on a superconducting quantum processor” (2023). arXiv:2304.05126.
arXiv: 2304.05126

[29] Samson Wang, Enrico Fontana, Marco Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio, and Patrick J Coles. “Noise-induced barren plateaus in variational quantum algorithms”. Nature communications 12, 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] Michael A Nielsen and Isaac Chuang. “Quantum Computation and Quantum Information”. 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, et al. “Evaluating the evidence for exponential quantum advantage in ground-state quantum chemistry”. 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, and Jhonathan Romero. “Measurements as a roadblock to near-term practical quantum advantage in chemistry: Resource analysis”. 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 és Stephen Brierley. „Pauli operátorok hatékony kvantummérése véges mintavételi hiba jelenlétében”. Quantum 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[34] Tomochika Kurita, Mikio Morita, Hirotaka Oshima, and Shintaro Sato. “Pauli String Partitioning Algorithm with the Ising Model for Simultaneous Measurement”. 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 al. “True-Q software. 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, et al. “SciPy 1.0: Fundamental algorithms for scientific computing in Python”. Nature Methods 17, 261–272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] Michael JD Powell. “The BOBYQA algorithm for bound constrained optimization without derivatives”. Technical report. University of Cambridge, 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 al. “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, and Kristan Temme. “Probabilistic error cancellation with sparse Pauli-Lindblad models on noisy quantum processors”. Nature Physics 19, 1116–1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

Idézi

[1] Ritajit Majumdar, Pedro Rivero, Friederike Metz, Areeq Hasan, and Derek S Wang, “Best practices for quantum error mitigation with digital zero-noise extrapolation”, arXiv: 2307.05203, (2023).

[2] Arnaud Carignan-Dugas, Shashank Kumar Ranu, and Patrick Dreher, “Estimating Coherent Contributions to the Error Profile Using Cycle Error Reconstruction”, arXiv: 2303.09945, (2023).

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

[4] ChangWon Lee and Daniel K. Park, “Scalable quantum measurement error mitigation via conditional independence and transfer learning”, arXiv: 2308.00320, (2023).

A fenti idézetek innen származnak SAO/NASA HIRDETÉSEK (utolsó sikeres frissítés: 2023-11-20 13:58:16). Előfordulhat, hogy a lista hiányos, mivel nem minden kiadó ad megfelelő és teljes hivatkozási adatokat.

Nem sikerült lekérni Az adatok által hivatkozott kereszthivatkozás utolsó próbálkozáskor 2023-11-20 13:58:14: Nem sikerült lekérni a 10.22331/q-2023-11-20-1184 hivatkozás által hivatkozott adatokat a Crossref-től. Ez normális, ha a DOI-t nemrég regisztrálták.

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.

Időbélyeg:

Még több Quantum Journal