A tiszta és piszkos qubitek harca a részleges hibajavítás korszakában

A tiszta és piszkos qubitek harca a részleges hibajavítás korszakában

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

1Elméleti osztály, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA
2Theoretische Chemie, Physikalisch-Chemisches Institut, Universität Heidelberg, INF 229, D-69120 Heidelberg, Németország
3Imperial College London, London, Egyesült Királyság
4Elméleti Fizikai Intézet, Jagelló Egyetem, Krakkó, Lengyelország.
5Instituto de Física Teórica, UAM/CSIC, Universidad Autónoma de Madrid, Madrid 28049, Spanyolország
6Information Sciences, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA
7Quantum Science Center, Oak Ridge, TN 37931, USA

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

Absztrakt

Amikor a hibajavítás lehetővé válik, nagyszámú fizikai qubitet kell szentelni minden logikai qubitnek. A hibajavítás lehetővé teszi mélyebb áramkörök futtatását, de minden további fizikai qubit potenciálisan hozzájárulhat a számítási tér exponenciális növekedéséhez, így kompromisszum van a qubitek hibajavításra vagy zajos qubitként történő használata között. Ebben a munkában a zajos qubitek zajmentes qubitekkel (a hibajavított qubitek idealizált modellje) együtt történő használatának hatásait vizsgáljuk, amelyeket „tiszta és piszkos” beállításnak nevezünk. Ennek a beállításnak a jellemzésére analitikus modelleket és numerikus szimulációkat alkalmazunk. Numerikusan bemutatjuk a Noise-Induced Barren Plateaus (NIBP) megjelenését, azaz a zaj által okozott megfigyelhető anyagok exponenciális koncentrációját egy Ising-modell Hamilton variációs ansatz áramkörében. Ezt még akkor is megfigyeljük, ha csak egyetlen qubit zajos és elég mély áramkörrel rendelkezik, ami azt sugallja, hogy az NIBP-ket nem lehet teljesen leküzdeni pusztán a qubitek egy részhalmazának hibajavításával. Pozitívumként azt tapasztaljuk, hogy az áramkörben minden zajtalan qubit esetében exponenciális elnyomás jelentkezik a gradiens megfigyelhető koncentrációjában, ami a részleges hibajavítás előnyeit mutatja. Végezetül, analitikai modelljeink megerősítik ezeket az eredményeket, megmutatva, hogy a megfigyelhető adatok a piszkos és a teljes qubit arányához kapcsolódó kitevő skálázásával koncentrálódnak.

A jövőben a hibatűrő kvantumszámítógépekkel a kvantumalgoritmusok egy teljesen új világa nyílik meg, amely számos klasszikus algoritmushoz képest előnyt jelenthet. Ez nem megy némi áldozat nélkül – a hibajavított (vagy logikai) qubit kódolásához szükséges qubitek száma nagy lesz. Egyetlen qubit hozzáadása a rendszerhez megduplázza a gép rendelkezésre álló számítási területét, ezért ebben a cikkben feltesszük a kérdést: kombinálhatók-e a hibajavított qubitek fizikai qubitekkel? Mivel a zaj nagymértékben akadályozza a kvantumalgoritmusokat, a hibajavítás előnyeinek kombinálása a nem hibajavított fizikai qubitek által biztosított további Hilbert-térrel előnyös lehet egyes algoritmusosztályok esetében. Ezt a kérdést közelítéssel közelítjük meg, ahol zajtalan qubitek veszik át a hibajavított qubitek helyét, amelyeket tisztának nevezünk; és zajos fizikai qubitekhez kapcsolódnak, amelyeket piszkosnak nevezünk. Analitikusan és numerikusan megmutatjuk, hogy a várható értékek mérési hibái exponenciálisan elnyomódnak minden zajos qubit esetén, amelyet tiszta qubitre cserélnek, és ez a viselkedés szorosan követi azt, amit a gép tenne, ha csökkentené egy egyenletesen zajos gép hibaarányát. a piszkos qubitek és az összes qubit arányával.

► BibTeX adatok

► Referenciák

[1] Richard P. Feynman. „Fizika szimulációja számítógépekkel”. International Journal of Theoretical Physics 21, 467–488 (1982).
https://​/​doi.org/​10.1007/​BF02650179

[2] Laird Egan, Dripto M Debroy, Crystal Noel, Andrew Risinger, Daiwei Zhu, Debopriyo Biswas, Michael Newman, Muyuan Li, Kenneth R Brown, Marko Cetina és mások. „Hibajavított qubit hibatűrő vezérlése”. Nature 598, 281–286 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41586-021-03928-y

[3] Peter W Shor. „Algoritmusok kvantumszámításhoz: diszkrét logaritmusok és faktorálás”. In Proceedings 35. éves szimpózium a számítástechnika alapjairól. 124–134. oldal. Ieee (1994).
https://​/​doi.org/​10.1109/​SFCS.1994.365700

[4] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim és Seth Lloyd. „Kvantumalgoritmus lineáris egyenletrendszerekhez”. Physical Review Letters 103, 150502 (2009).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.103.150502

[5] John Preskill. „Kvantumszámítástechnika a NISQ-korszakban és azon túl”. Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[6] M. Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan, Lukasz Cincio és Patrick J. Coles. „Variációs kvantum algoritmusok”. Nature Reviews Physics 3, 625–644 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9

[7] Kishor Bharti, Alba Cervera-Lierta, Thi Ha Kyaw, Tobias Haug, Sumner Alperin-Lea, Abhinav Anand, Matthias Degroote, Hermanni Heimonen, Jakob S Kottmann, Tim Menke és mások. „Zajos, közepes léptékű kvantumalgoritmusok”. Reviews of Modern Physics 94, 015004 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.94.015004

[8] Jacob Biamonte, Peter Wittek, Nicola Pancotti, Patrick Rebentrost, Nathan Wiebe és Seth Lloyd. „Kvantumgépi tanulás”. Nature 549, 195–202 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1038/​nature23474

[9] Michael A. Nielsen és Isaac L. Chuang. „Kvantumszámítás és kvantuminformáció”. Cambridge University Press. Cambridge (2000).
https://​/​doi.org/​10.1017/​CBO9780511976667

[10] Dorit Aharonov, Michael Ben-Or, Russell Impagliazzo és Noam Nisan. „A zajos reverzibilis számítás korlátai” (1996). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189

[11] Michael Ben-Or, Daniel Gottesman és Avinatan Hassidim. „Kvantumhűtő” (2013). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1301.1995.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1301.1995

[12] Daniel Stilck França és Raul Garcia-Patron. „Az optimalizáló algoritmusok korlátai zajos kvantumeszközökön”. Nature Physics 17, 1221–1227 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-021-01356-3

[13] Samson Wang, Enrico Fontana, M. Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio és Patrick J Coles. „Zaj-indukált kopár fennsíkok variációs kvantum-algoritmusokban”. Nature Communications 12, 1–11 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[14] Jarrod R McClean, Sergio Boixo, Vadim N Smelyanskiy, Ryan Babbush és Hartmut Neven. „Kivár fennsíkok kvantum-neurális hálózatok képzési tájain”. Nature Communications 9, 1–6 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-07090-4

[15] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cincio és Patrick J Coles. „Költségfüggvénytől függő kopár platók sekély parametrizált kvantumáramkörökben”. Nature Communications 12, 1–12 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-21728-w

[16] Andrew Arrasmith, Zoë Holmes, Marco Cerezo és Patrick J Coles. „A kvantum-kietlen fennsíkok egyenértékűsége a költségkoncentrációval és a szűk szurdokokkal”. Quantum Science and Technology 7, 045015 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ac7d06

[17] Andrew Arrasmith, M. Cerezo, Piotr Czarnik, Lukasz Cincio és Patrick J Coles. „A kopár fennsíkok hatása a gradiensmentes optimalizálásra”. Quantum 5, 558 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-05-558

[18] M. Cerezo és Patrick J Coles. „A meddő fennsíkokkal rendelkező kvantumneurális hálózatok magasabb rendű származékai”. Quantum Science and Technology 6, 035006 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​abf51a

[19] Carlos Ortiz Marrero, Mária Kieferová és Nathan Wiebe. „Az összefonódás okozta terméketlen fennsíkok”. PRX Quantum 2, 040316 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.040316

[20] Martin Larocca, Piotr Czarnik, Kunal Sharma, Gopikrishnan Muraleedharan, Patrick J. Coles és M. Cerezo. „A meddő fennsíkok diagnosztizálása a Quantum Optimal Control eszközeivel”. Quantum 6, 824 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-09-29-824

[21] Zoë Holmes, Kunal Sharma, M. Cerezo és Patrick J Coles. „Az ansatz kifejezhetőség összekapcsolása a gradiens nagyságrendekkel és a kopár fennsíkokkal”. PRX Quantum 3, 010313 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.3.010313

[22] Supanut Thanasilp, Samson Wang, Nhat A Nghiem, Patrick J. Coles és M. Cerezo. „Finomságok a kvantumgépi tanulási modellek taníthatóságában” (2021). url: https://​/​arxiv.org/​abs/​2110.14753.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s42484-023-00103-6
arXiv: 2110.14753

[23] Samson Wang, Piotr Czarnik, Andrew Arrasmith, M. Cerezo, Lukasz Cincio és Patrick J Coles. "Javíthatja-e a hibacsökkentés a zajos variációs kvantum algoritmusok taníthatóságát?" (2021). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2109.01051.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2109.01051

[24] Ningping Cao, Junan Lin, David Kribs, Yiu-Tung Poon, Bei Zeng és Raymond Laflamme. „NISQ: Hibajavítás, hibacsökkentés és zajszimuláció” (2021). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2111.02345.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2111.02345

[25] Adam Holmes, Mohammad Reza Jokar, Ghasem Pasandi, Yongshan Ding, Massoud Pedram és Frederic T Chong. „NISQ+: A kvantumszámítási teljesítmény növelése a kvantumhiba-korrekció közelítésével”. 2020-ban az ACM/IEEE 47. éves nemzetközi szimpóziuma a számítógépes architektúráról (ISCA). 556–569. oldal. IEEE (2020). url: https://​/​doi.org/​10.1109/ISCA45697.2020.00053.
https://​/​doi.org/​10.1109/​ISCA45697.2020.00053

[26] Yasunari Suzuki, Suguru Endo, Keisuke Fujii és Yuuki Tokunaga. „A kvantumhiba-csökkentés mint univerzális hibacsökkentési technika: Alkalmazások a NISQ-tól a hibatűrő kvantumszámítási korszakokig”. PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.3.010345

[27] Emanuel Knill és Raymond Laflamme. „Egy bit kvantuminformáció ereje”. Physical Review Letters 81, 5672 (1998).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.81.5672

[28] Keisuke Fujii, Hirotada Kobayashi, Tomoyuki Morimae, Harumichi Nishimura, Shuhei Tamate és Seiichiro Tani. „A kvantumszámítás ereje kevés tiszta qubittel”. 43. Nemzetközi Kollokvium Automatákról, Nyelvekről és Programozásról (ICALP 2016) 55, 13:1–13:14 (2016).
https://​/​doi.org/​10.4230/​LIPIcs.ICALP.2016.13

[29] Tomoyuki Morimae, Keisuke Fujii és Harumichi Nishimura. „Egy nem tiszta qubit ereje”. Fizikai Szemle A 95, 042336 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.042336

[30] Craig Gidney. „Faktorozás n+2 tiszta qubittel és n-1 piszkos qubittel” (2017). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1706.07884.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1706.07884

[31] Anirban N. Chowdhury, Rolando D. Somma és Yiğit Subaşı. „Számítási partíciófüggvények az egy-tiszta qubit modellben”. Physical Review A 103, 032422 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.103.032422

[32] Keisuke Fujii, Hirotada Kobayashi, Tomoyuki Morimae, Harumichi Nishimura, Shuhei Tamate és Seiichiro Tani. „Lehetetlen az egy-tiszta qubit modell klasszikus szimulációja multiplikatív hibával”. Physical Review Letters 120, 200502 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.120.200502

[33] Raymond Laflamme, Cesar Miquel, Juan Pablo Paz és Wojciech Hubert Zurek. "Tökéletes kvantumhibajavító kód". Phys. Rev. Lett. 77, 198–201 (1996).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.77.198

[34] Daniel Gottesman. „Bevezetés a kvantumhiba-javításba és a hibatűrő kvantumszámításba”. A kvantuminformációtudomány és hozzájárulása a matematikához, Proceedings of Symposia in Applied Mathematics 63, 13–58 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1090/​psapm/​068/​2762145

[35] 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

[36] Egy Yu Kitaev. „Kvantumszámítások: algoritmusok és hibajavítás”. Russian Mathematical Surveys 52, 1191 (1997).
https:/​/​doi.org/​10.1070/​RM1997v052n06ABEH002155

[37] Chris N Self, Marcello Benedetti és David Amaro. „Expresszív áramkörök védelme kvantumhiba-érzékelő kóddal” (2022). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.06703.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.06703

[38] Rolando D Somma. „Kvantum sajátérték-becslés idősor-elemzéssel”. New Journal of Physics 21, 123025 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab5c60

[39] Vojtěch Havlíček, Antonio D Córcoles, Kristan Temme, Aram W Harrow, Abhinav Kandala, Jerry M Chow és Jay M Gambetta. „Felügyelt tanulás kvantum-bővített jellemzőterekkel”. Nature 567, 209–212 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-0980-2

[40] Andrew G Taube és Rodney J Bartlett. „Új perspektívák az egységes csatolt klaszter elmélethez”. International Journal of quantum Chemistry 106, 3393–3401 (2006).
https://​/​doi.org/​10.1002/​qua.21198

[41] Sumeet Khatri, Ryan LaRose, Alexander Poremba, Lukasz Cincio, Andrew T Sornborger és Patrick J Coles. „Kvantum-asszisztált kvantumfordítás”. Quantum 3, 140 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-05-13-140

[42] Colin J Trout, Muyuan Li, Mauricio Gutiérrez, Yukai Wu, Sheng-Tao Wang, Luming Duan és Kenneth R Brown. „A távolság-3 felületi kód teljesítményének szimulálása lineáris ioncsapdában”. New Journal of Physics 20, 043038 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aab341

[43] Lukasz Cincio, Yiğit Subaşı, Andrew T Sornborger és Patrick J Coles. „Az állapotátfedés kvantumalgoritmusának megtanulása”. New Journal of Physics 20, 113022 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aae94a

[44] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone és Sam Gutmann. „A kvantumközelítő optimalizálási algoritmus” (2014). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1411.4028.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1411.4028

[45] Stuart Hadfield, Zhihui Wang, Bryan O'Gorman, Eleanor G Rieffel, Davide Venturelli és Rupak Biswas. „A kvantumközelítő optimalizáló algoritmustól az ansatz kvantum-alternáló operátorig”. Algoritmusok 12, 34 (2019).
https://​/​doi.org/​10.3390/​a12020034

[46] Maria Schuld, Ville Bergholm, Christian Gogolin, Josh Izaac és Nathan Killoran. „Analitikai gradiensek kiértékelése kvantumhardveren”. Physical Review A 99, 032331 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.99.032331

[47] Lukasz Cincio, Kenneth Rudinger, Mohan Sarovar és Patrick J. Coles. „Zaj-ellenálló kvantumáramkörök gépi tanulása”. PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.010324

[48] Ryuji Takagi, Suguru Endo, Shintaro Minagawa és Mile Gu. „A kvantumhiba-csökkentés alapvető korlátai”. npj Quantum Information 8, 114 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00618-z

[49] Sergey Danilin, Nicholas Nugent és Martin Weides. „Kvantumérzékelés hangolható szupravezető qubitekkel: optimalizálás és gyorsítás” (2022). url: https://​/​arxiv.org/​abs/​2211.08344.
arXiv: 2211.08344

[50] Nikolai Lauk, Neil Sinclair, Shabir Barzanjeh, Jacob P Covey, Mark Saffman, Maria Spiropulu és Christoph Simon. „Perspektívák a kvantumtranszdukcióról”. Quantum Science and Technology 5, 020501 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ab788a

[51] Bernhard Baumgartner. „Egyenlőtlenség a mátrixszorzatok nyomában, abszolút értékek felhasználásával” (2011). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189

Idézi

[1] Mikel Garcia-de-Andoin, Álvaro Saiz, Pedro Pérez-Fernández, Lucas Lamata, Izaskun Oregi és Mikel Sanz, „Digital-Analog Quantum Computation with Arbitrary Two-Body Hamiltonians”, arXiv: 2307.00966, (2023).

[2] Abdullah Ash Saki, Amara Katabarwa, Salonik Resch és George Umbrarescu, „Hipotézisvizsgálat a hibacsökkentéshez: Hogyan értékeljük a hibacsökkentést”, arXiv: 2301.02690, (2023).

[3] Patrick J. Coles, Collin Szczepanski, Denis Melanson, Kaelan Donatella, Antonio J. Martinez és Faris Sbahi, „Thermodynamic AI and the fluktuáció határa”, arXiv: 2302.06584, (2023).

[4] M. Cerezo, Guillaume Verdon, Hsin-Yuan Huang, Lukasz Cincio és Patrick J. Coles, „Challenges and Opportunities in Quantum Machine Learning”, arXiv: 2303.09491, (2023).

[5] Nikolaos Koukoulekidis, Samson Wang, Tom O'Leary, Daniel Bultrini, Lukasz Cincio és Piotr Czarnik, „A részleges hibajavítás keretrendszere közepes méretű kvantumszámítógépekhez”, arXiv: 2306.15531, (2023).

A fenti idézetek innen származnak SAO/NASA HIRDETÉSEK (utolsó sikeres frissítés: 2023-07-13 15:21:51). 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 2023-07-13 15:21:50: Nem sikerült lekérni a 10.22331/q-2023-07-13-1060 hivatkozás által hivatkozott adatokat a Crossref-től. Ez normális, ha a DOI-t nemrég regisztrálták.

Időbélyeg:

Még több Quantum Journal