Optimalisasi Graf-teoretis Pembuatan Keadaan Grafik Berbasis Fusi

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Seok-Hyung Lee^1,2 dan Hyunseok Jeong¹

¹Departemen Fisika dan Astronomi, Universitas Nasional Seoul, Seoul 08826, Republik Korea
²Center for Engineered Quantum Systems, School of Physics, University of Sydney, Sydney, NSW 2006, Australia

Apakah makalah ini menarik atau ingin dibahas? Scite atau tinggalkan komentar di SciRate.

Abstrak

Status grafik adalah sumber daya serbaguna untuk berbagai tugas pemrosesan informasi kuantum, termasuk komputasi kuantum berbasis pengukuran dan repeater kuantum. Meskipun gerbang fusi tipe-II memungkinkan pembuatan keadaan grafik secara optik dengan menggabungkan keadaan grafik kecil, sifat non-deterministiknya menghalangi pembuatan keadaan grafik besar secara efisien. Dalam karya ini, kami menyajikan strategi teori grafik untuk secara efektif mengoptimalkan pembuatan berbasis fusi dari keadaan grafik tertentu, bersama dengan paket Python OptGraphState. Strategi kami terdiri dari tiga tahap: menyederhanakan keadaan grafik target, membangun jaringan fusi, dan menentukan urutan fusi. Dengan menggunakan metode yang diusulkan ini, kami mengevaluasi overhead sumber daya dari grafik acak dan berbagai grafik terkenal. Selain itu, kami menyelidiki kemungkinan keberhasilan pembuatan status grafik mengingat terbatasnya jumlah status sumber daya yang tersedia. Kami berharap strategi dan perangkat lunak kami akan membantu para peneliti dalam mengembangkan dan menilai skema yang layak secara eksperimental yang menggunakan keadaan grafik fotonik.

Optimalisasi grafik-teoretis dari pembuatan status grafik berbasis fusi PlatoBlockchain Data Intelligence. Pencarian Vertikal. Ai.

Gambar unggulan: Contoh grafik terurai dan jaringan fusi terkaitnya, yang diturunkan dari keadaan grafik asli menggunakan strategi yang kami usulkan. Grafik terurai, varian sederhana dari grafik asli, menghasilkan keadaan grafik yang sama setelah penerapan gerbang Clifford lokal tertentu dan fusi tipe-II. Jaringan fusi mewakili susunan sistematis status sumber daya dasar, yang menginstruksikan fusi yang diperlukan untuk merekonstruksi status grafik asli.

Ringkasan populer

Status grafik, yang merupakan status kuantum di mana qubit terjerat dengan cara yang diinstruksikan oleh struktur grafik, merupakan status sumber daya serbaguna untuk komputasi dan komunikasi kuantum. Secara khusus, keadaan grafik dalam sistem fotonik dapat digunakan untuk komputasi kuantum berbasis pengukuran dan komputasi kuantum berbasis fusi, yang merupakan kandidat menjanjikan untuk komputasi kuantum toleran kesalahan jangka pendek. Dalam karya ini, kami mengusulkan metode untuk membangun keadaan grafik fotonik sewenang-wenang dari keadaan sumber daya dasar tiga foton awal. Hal ini dicapai melalui serangkaian operasi “fusi”, di mana keadaan grafik yang lebih kecil secara probabilistik digabungkan menjadi keadaan grafik yang lebih besar melalui pengukuran foton tertentu. Inti dari strategi kami adalah kerangka teori grafik yang dirancang untuk meminimalkan kebutuhan sumber daya dalam proses ini, sehingga meningkatkan efisiensi dan kelayakan.

► data BibTeX

@article{Lee2023graphtheoretical, doi = {10.22331/q-2023-12-20-1212}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-12-20-1212}, title = {Grafik- optimasi teoretis pembuatan keadaan grafik berbasis fusi}, penulis = {Lee, Seok-Hyung dan Jeong, Hyunseok}, jurnal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, penerbit = {{Verein zur F{“ {o}}dibuat dari Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volume = {7}, halaman = {1212}, bulan = Desember, tahun = {2023} }

► Referensi

[1] M. Hein, W. Dür, J. Eisert, R. Raussendorf, M. Van den Nest, dan H.-J. Brigel. “Keterikatan dalam status grafik dan penerapannya”. Dalam Komputer Kuantum, Algoritma dan Kekacauan. Halaman 115–218. IOS Tekan (2006).
https:///doi.org/10.48550/arXiv.quant-ph/0602096
arXiv: quant-ph / 0602096

[2] Robert Raussendorf dan Hans J. Briegel. “Komputer kuantum satu arah”. fisik. Pdt. Lett. 86, 5188–5191 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.86.5188

[3] Robert Raussendorf, Daniel E. Browne, dan Hans J. Briegel. "Komputasi kuantum berbasis pengukuran pada status cluster". Fisika. Pdt. A 68, 022312 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.68.022312

[4] R. Raussendorf, J. Harrington, dan K. Goyal. “Komputer kuantum satu arah yang toleran terhadap kesalahan”. Ann. Fis. 321, 2242–2270 (2006).
https:///doi.org/10.1016/j.aop.2006.01.012

[5] R. Raussendorf, J. Harrington, dan K. Goyal. “Toleransi kesalahan topologi dalam komputasi kuantum keadaan cluster”. J.Fisika baru. 9, 199 (2007).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/9/6/199

[6] Sara Bartolucci, Patrick Birchall, Hector Bombin, Hugo Cable, Chris Dawson, Mercedes Gimeno-Segovia, Eric Johnston, Konrad Kieling, Naomi Nickerson, Mihir Pant, dkk. “Perhitungan kuantum berbasis fusi”. Nat. Komunitas. 14, 912 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41467-023-36493-1

[7] D. Schlingemann dan R. F. Werner. “Kode koreksi kesalahan kuantum yang terkait dengan grafik”. Fis. Pdt.A 65, 012308 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.65.012308

[8] A. Pirker, J. Wallnöfer, H. J. Briegel, dan W. Dür. “Konstruksi sumber daya optimal untuk protokol kuantum gabungan”. Fis. Pdt.A 95, 062332 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.062332

[9] Damian Markham dan Barry C. Sanders. "Status grafik untuk berbagi rahasia kuantum". Fis. Pdt.A 78, 042309 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.042309

[10] B. A. Bell, Damian Markham, D. A. Herrera-Martí, Anne Marin, W. J. Wadsworth, J. G. Rarity, dan M. S. Tame. “Demonstrasi eksperimental pembagian rahasia kuantum keadaan grafik”. Nat. Komunitas. 5, 5480 (2014).
https:///doi.org/10.1038/ncomms6480

[11] M. Zwerger, W. Dür, dan HJ Briegel. "Repeater kuantum berbasis pengukuran". Fisika. Rev A 85, 062326 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.062326

[12] M. Zwerger, HJ Briegel, dan W. Dür. "Ambang batas kesalahan universal dan optimal untuk pemurnian keterikatan berbasis pengukuran". Fisika. Pendeta Lett. 110, 260503 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.260503

[13] Koji Azuma, Kiyoshi Tamaki, dan Hoi-Kwong Lo. “Repeater kuantum serba fotonik”. Nat. Komunitas. 6, 6787 (2015).
https:///doi.org/10.1038/ncomms7787

[14] J. Wallnöfer, M. Zwerger, C. Muschik, N. Sangouard, dan W. Dür. "Repeater kuantum dua dimensi". Fisika. Pdt. A 94, 052307 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.052307

[15] Nathan Shettell dan Damian Markham. “Grafik menyatakan sebagai sumber metrologi kuantum”. Fis. Pendeta Lett. 124, 110502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.110502

[16] Michael A. Nielsen. "Komputasi kuantum optik menggunakan status cluster". Fisika. Pendeta Lett. 93, 040503 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.93.040503

[17] Daniel E. Browne dan Terry Rudolph. "Komputasi kuantum optik linier hemat sumber daya". Fisika. Pendeta Lett. 95, 010501 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.95.010501

[18] Jeremy C. Adcock, Sam Morley-Short, Joshua W. Silverstone, dan Mark G. Thompson. “Batas keras pada pascaseleksi status grafik optik”. Ilmu Pengetahuan Kuantum. Teknologi. 4, 015010 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / aae950

[19] Holger F. Hofmann dan Shigeki Takeuchi. "Gerbang fase kuantum untuk qubit fotonik hanya menggunakan pembagi berkas dan pemilihan pasca". Fisika. Pdt. A 66, 024308 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.024308

[20] T. C. Ralph, N. K. Langford, T. B. Bell, dan A. G. White. “Gerbang NOT yang dikontrol optik linier secara kebetulan”. Fis. Pdt.A 65, 062324 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.65.062324

[21] Ying Li, Peter C. Humphreys, Gabriel J. Mendoza, dan Simon C. Benjamin. “Biaya sumber daya untuk komputasi kuantum optik linier yang toleran terhadap kesalahan”. Fis. Pdt. X 5, 041007 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.5.041007

[22] Samuel L.Braunstein dan A.Mann. “Pengukuran operator Bell dan teleportasi kuantum”. Fis. Pendeta A 51, R1727–R1730 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.R1727

[23] WP Grice. “Selesaikan pengukuran Bell-state secara sewenang-wenang hanya dengan menggunakan elemen optik linier”. Fis. Pdt.A 84, 042331 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.84.042331

[24] Fabian Ewert dan Peter van Loock. “Pengukuran Bell yang hemat $3/4$ dengan optik linier pasif dan tambahan yang tidak terjerat”. Fis. Pendeta Lett. 113, 140403 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.113.140403

[25] Seung-Woo Lee, Kimin Park, Timothy C. Ralph, dan Hyunseok Jeong. “Pengukuran Bell yang hampir deterministik dengan keterikatan multifoton untuk pemrosesan informasi kuantum yang efisien”. Fis. Pdt.A 92, 052324 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.92.052324

[26] Seung-Woo Lee, Timothy C. Ralph, dan Hyunseok Jeong. “Blok penyusun mendasar untuk jaringan kuantum yang dapat diskalakan secara optik”. Fis. Pdt.A 100, 052303 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052303

[27] Keisuke Fujii dan Yuuki Tokunaga. “Perhitungan kuantum satu arah topologi yang toleran terhadap kesalahan dengan gerbang dua qubit probabilistik”. Fis. Pendeta Lett. 105, 250503 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.250503

[28] Ying Li, Sean D. Barrett, Thomas M. Stace, dan Simon C. Benjamin. “Perhitungan kuantum yang toleran terhadap kesalahan dengan gerbang nondeterministik”. Fis. Pendeta Lett. 105, 250502 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.250502

[29] H. Jeong, M. S. Kim, dan Jinhyoung Lee. “Pemrosesan informasi kuantum untuk keadaan superposisi yang koheren melalui saluran koheren yang terjerat campuran”. Fis. Pdt.A 64, 052308 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.052308

[30] H.Jeong dan M.S.Kim. “Perhitungan kuantum yang efisien menggunakan keadaan koheren”. Fis. Pdt.A 65, 042305 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.65.042305

[31] Srikrishna Omkar, Yong Siah Teo, dan Hyunseok Jeong. “Perhitungan kuantum toleran kesalahan topologi yang hemat sumber daya dengan keterikatan cahaya hibrid”. Fis. Pendeta Lett. 125, 060501 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.060501

[32] Srikrishna Omkar, Y. S. Teo, Seung-Woo Lee, dan Hyunseok Jeong. “Komputasi kuantum yang sangat toleran terhadap kehilangan foton menggunakan qubit hibrid”. Fis. Pdt.A 103, 032602 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.032602

[33] Shuntaro Takeda, Takahiro Mizuta, Maria Fuwa, Peter Van Loock, dan Akira Furusawa. “Teleportasi kuantum deterministik dari bit kuantum fotonik dengan teknik hibrid”. Alam 500, 315–318 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature12366

[34] Hussain A. Zaidi dan Peter van Loock. “Mengalahkan setengah batas pengukuran Bell optik linier bebas ancilla”. Fis. Pendeta Lett. 110, 260501 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.260501

[35] Seok-Hyung Lee, Srikrishna Omkar, Yong Siah Teo, dan Hyunseok Jeong. “Komputasi kuantum berbasis pengkodean paritas dengan pelacakan kesalahan Bayesian”. npj Inf Kuantum. 9, 39 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41534-023-00705-9

[36] Gerald Gilbert, Michael Hamrick, dan Yaakov S. Weinstein. “Konstruksi kluster komputasi kuantum fotonik yang efisien”. Fis. Pdt.A 73, 064303 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.73.064303

[37] Konrad Kieling, David Gross, dan Jens Eisert. “Sumber daya minimal untuk komputasi satu arah optik linier”. J.Pilihan. sosial. Saya. B 24, 184–188 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1364 / JOSAB.24.000184

[38] Maarten Van den Nest, Jeroen Dehaene, dan Bart De Moor. “Deskripsi grafis dari tindakan transformasi Clifford lokal pada keadaan grafik”. Fis. Pdt.A 69, 022316 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.69.022316

[39] Srikrishna Omkar, Seok-Hyung Lee, Yong Siah Teo, Seung-Woo Lee, dan Hyunseok Jeong. “Arsitektur serba fotonik untuk komputasi kuantum terukur dengan status greenberger-horne-zeilinger”. PRX Kuantum 3, 030309 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.030309

[40] Michael Varnava, Daniel E. Browne, dan Terry Rudolph. "Toleransi kerugian dalam perhitungan kuantum satu arah melalui koreksi kesalahan kontrafaktual". Fisika. Pendeta Lett. 97, 120501 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.97.120501

[41] N. Lütkenhaus, J. Calsamiglia, dan K.-A. Suominen. “Pengukuran lonceng untuk teleportasi”. Fis. Pendeta A 59, 3295–3300 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.59.3295

[42] Michael Varnava, Daniel E. Browne, dan Terry Rudolph. “Seberapa baguskah sumber dan detektor foton tunggal untuk komputasi kuantum optik linier yang efisien?”. Fis. Pendeta Lett. 100, 060502 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.060502

[43] C. Schön, E. Solano, F. Verstraete, J. I. Cirac, dan M. M. Wolf. “Generasi berurutan dari status multiqubit terjerat”. Fis. Pendeta Lett. 95, 110503 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.95.110503

[44] Netanel H. Lindner dan Terry Rudolph. "Proposal untuk sumber on-demand dari string status gugus fotonik". Fisika. Pendeta Lett. 103, 113602 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.113602

[45] I. Schwartz, D. Cogan, E. R. Schmidgall, Y. Don, L. Gantz, O. Kenneth, N. H. Lindner, dan D. Gershoni. “Generasi deterministik dari keadaan cluster foton terjerat”. Sains 354, 434–437 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aah4758

[46] Shuntaro Takeda, Kan Takase, dan Akira Furusawa. “Sintesis keterjeratan fotonik sesuai permintaan”. Kemajuan Sains 5, eaaw4530 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw4530

[47] Philip Thomas, Leonardo Ruscio, Olivier Morin, dan Gerhard Rempe. “Pembuatan keadaan grafik multifoton terjerat yang efisien dari satu atom”. Alam 608, 677–681 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04987-5

[48] John W. Moon dan Leo Moser. “Pada klik dalam grafik”. Isr. J.Matematika. 3, 23–28 (1965).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02760024

[49] Eugene L. Lawler, Jan Karel Lenstra, dan A. H. G. Rinnooy Kan. “Menghasilkan semua himpunan independen maksimal: algoritma kekerasan NP dan waktu polinomial”. SIAM J. Komputasi. 9, 558–565 (1980).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 0209042

[50] Shuji Tsukiyama, Mikio Ide, Hiromu Ariyoshi, dan Isao Shirakawa. “Algoritme baru untuk menghasilkan semua himpunan independen maksimal”. SIAM J. Komputasi. 6, 505–517 (1977).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 0206036

[51] Gabor Csardi dan Tamas Nepusz. “Paket perangkat lunak igraph untuk penelitian jaringan yang kompleks”. Sistem Kompleks Antar Jurnal, 1695 (2006). url: https:///igraph.org.
https:///igraph.org

[52] David Eppstein, Maarten Löffler, dan Darren Strash. “Mendaftar semua klik maksimal dalam grafik jarang dalam waktu yang mendekati optimal”. Dalam Simposium Internasional tentang Algoritma dan Komputasi. Halaman 403–414. Pegas (2010).
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1006.5440

[53] Aric A. Hagberg, Daniel A. Schult, dan Pieter J. Swart. “Menjelajahi struktur, dinamika, dan fungsi jaringan menggunakan NetworkX”. Dalam Gäel Varoquaux, Travis Vaught, dan Jarrod Millman, editor, Proceedings of the 7th Python in Science Conference (SciPy2008). Halaman 11–15. Pasadena, CA AS (2008). url: https:///www.osti.gov/biblio/960616.
https://www.osti.gov/biblio/960616

[54] Zvi Galil. “Algoritma yang efisien untuk menemukan kecocokan maksimum dalam grafik”. Komputasi ACM. Bertahan. 18, 23–38 (1986).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 6462.6502

[55] Paul Erdős dan Alfréd Rényi. “Pada graf acak I”. Publikasi mathematicae 6, 290–297 (1959).
https:///doi.org/10.5486/PMD.1959.6.3-4.12

[56] T.C.Ralph, A.J.F. Hayes, dan Alexei Gilchrist. “Qubit optik yang toleran terhadap kerugian”. Fis. Pendeta Lett. 95, 100501 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.95.100501

[57] Sean D. Barrett dan Thomas M. Stace. "Komputasi kuantum toleran kesalahan dengan ambang batas yang sangat tinggi untuk kesalahan kerugian". Fisika. Pendeta Lett. 105, 200502 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.200502

[58] James M. Auger, Hussain Anwar, Mercedes Gimeno-Segovia, Thomas M. Stace, dan Dan E. Browne. “Perhitungan kuantum yang toleran terhadap kesalahan dengan gerbang keterjeratan nondeterministik”. Fis. Pdt.A 97, 030301 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.030301

[59] G. B. Arfken, H. J. Weber, dan F. E. Harris. “Metode matematika untuk fisikawan: Panduan komprehensif”. Sains Elsevier. (2011). url: https:///books.google.co.kr/books?id=JOpHkJF-qcwC.
https:///books.google.co.kr/books?id=JOpHkJF-qcwC

[60] Maarten Van den Nest, Jeroen Dehaene, dan Bart De Moor. “Algoritme yang efisien untuk mengenali kesetaraan clifford lokal dari status grafik”. Fis. Pdt.A 70, 034302 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.034302

[61] Axel Dahlberg dan Stephanie Wehner. “Mengubah status grafik menggunakan operasi qubit tunggal”. Filsafat. T.Roy. sosial. A 376, 20170325 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rsta.2017.0325

[62] M. Hein, J. Eisert, dan HJ Briegel. "Keterikatan multipartai dalam status grafik". Fisika. Pdt. A 69, 062311 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.69.062311

Dikutip oleh

[1] Brendan Pankovich, Alex Neville, Angus Kan, Srikrishna Omkar, Kwok Ho Wan, dan Kamil Brádler, “Generasi negara terjerat yang fleksibel dalam optik linier”, arXiv: 2310.06832, (2023).

Kutipan di atas berasal dari SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2023-12-20 14:43:35). Daftar ini mungkin tidak lengkap karena tidak semua penerbit menyediakan data kutipan yang cocok dan lengkap.

Tidak dapat mengambil Crossref dikutip oleh data selama upaya terakhir 2023-12-20 14:43:34: Tidak dapat mengambil data yang dikutip oleh untuk 10.22331 / q-2023-12-20-1212 dari Crossref. Ini normal jika DOI terdaftar baru-baru ini.

Makalah ini diterbitkan dalam Quantum di bawah Creative Commons Attribution 4.0 Internasional (CC BY 4.0) lisensi. Hak cipta tetap berada pada pemegang hak cipta asli seperti penulis atau lembaganya.