Mengkarakterisasi dan mengurangi kesalahan yang koheren dalam prosesor kuantum ion yang terperangkap menggunakan invers tersembunyi

Mengkarakterisasi dan mengurangi kesalahan yang koheren dalam prosesor kuantum ion yang terperangkap menggunakan invers tersembunyi

Stempel Waktu: 15 Mei 2023 8

Swarnadeep Majumder1,2, Christopher G.Yale3, Titus D.Moris4, Daniel S.Lobser3, Ashlyn D. Burch3, Matius NH Chow3,5,6, Melissa C. Revelle3, Susan M.Clark3, dan Raphael C. Pooser4

1Duke Quantum Center, Universitas Duke, Durham, NC 27701, AS
2Departemen Teknik Elektro dan Komputer, Duke University, Durham, NC 27708 USA
3Laboratorium Nasional Sandia, Albuquerque, NM 87123, AS
4Bagian Ilmu Informasi Kuantum, Laboratorium Nasional Oak Ridge, Oak Ridge, TN 37831, AS
5Departemen Fisika dan Astronomi, Universitas New Mexico, Albuquerque, NM 87131, AS
6Pusat Informasi dan Kontrol Kuantum, Universitas New Mexico, Albuquerque, NM 87131, AS

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

Abstrak

Uji coba komputasi kuantum menunjukkan kontrol kuantum dengan ketelitian tinggi pada kumpulan kecil qubit, memungkinkan kinerja operasi yang presisi dan berulang yang diikuti dengan pengukuran. Saat ini, perangkat skala menengah yang berisik ini dapat mendukung sejumlah operasi sekuensial yang memadai sebelum dekoherensi sehingga algoritma jangka pendek dapat dilakukan dengan akurasi yang mendekati (seperti akurasi kimia untuk masalah kimia kuantum). Meskipun hasil dari algoritme ini tidak sempurna, ketidaksempurnaan ini dapat membantu melakukan bootstrap pengembangan pengujian komputer kuantum. Demonstrasi algoritma ini selama beberapa tahun terakhir, ditambah dengan gagasan bahwa kinerja algoritma yang tidak sempurna dapat disebabkan oleh beberapa sumber kebisingan dominan dalam prosesor kuantum, yang dapat diukur dan dikalibrasi selama eksekusi algoritma atau pasca-pemrosesan, telah menyebabkan penggunaan mitigasi kebisingan untuk meningkatkan hasil komputasi yang khas. Sebaliknya, algoritme benchmark yang dipadukan dengan mitigasi kebisingan dapat membantu mendiagnosis sifat kebisingan, baik sistematis maupun acak murni. Di sini, kami menguraikan penggunaan teknik mitigasi kebisingan yang koheren sebagai alat karakterisasi dalam pengujian ion yang terperangkap. Kami melakukan penyesuaian model pada data kebisingan untuk menentukan sumber kebisingan berdasarkan model kebisingan yang berfokus pada fisika realistis dan menunjukkan bahwa amplifikasi kebisingan sistematis ditambah dengan skema mitigasi kesalahan memberikan data yang berguna untuk pengurangan model kebisingan. Selanjutnya, untuk menghubungkan detail model kebisingan tingkat rendah dengan kinerja spesifik aplikasi algoritma jangka pendek, kami secara eksperimental membangun lanskap kerugian dari algoritma variasional di bawah berbagai sumber kebisingan yang disuntikkan ditambah dengan teknik mitigasi kesalahan. Jenis koneksi ini memungkinkan desain kode perangkat keras yang sadar aplikasi, di mana sumber kebisingan terpenting dalam aplikasi tertentu, seperti kimia kuantum, menjadi fokus perbaikan pada generasi perangkat keras berikutnya.

Mengkarakterisasi dan memitigasi kesalahan koheren dalam prosesor kuantum ion yang terperangkap menggunakan invers tersembunyi PlatoBlockchain Data Intelligence. Pencarian Vertikal. Ai.

Gambar unggulan: Populasi ruang fase (probabilitas pengukuran $|0rangle$) setelah menerapkan [$H- X(Theta)- Z(Phi)- H^dagger$]$^{100}$ pada $|0rangle$ sebagai fungsi dari $Theta, Phi$ untuk simulasi dan eksperimen. Protokol invers tersembunyi dapat menawarkan karakterisasi qubit tunggal yang akurat dan murah.

Ringkasan populer

Komputer kuantum era NISQ, menurut definisinya, berisik dan tidak sempurna, memerlukan metode mitigasi kesalahan untuk meningkatkan kinerja sirkuit. Dalam makalah ini, kami menunjukkan bahwa teknik yang dikenal sebagai invers tersembunyi dapat bertindak sebagai metode mitigasi kesalahan dan karakterisasi kesalahan. Pembalikan tersembunyi mengandalkan kemampuan untuk membangun sirkuit dengan gerbang komposit non-asli yang saling berdampingan (seperti Hadamard atau controlled-NOT), artinya sirkuit tersebut dapat dibangun melalui serangkaian gerbang perangkat keras-asli atau gerbang asli yang sama yang dibalik. dalam tanda dan waktu pemesanan. Dengan menggunakan komputer kuantum ion terperangkap, pertama-tama kami mendemonstrasikan eksperimen di mana Hadamard dan kebalikannya diselingi dengan memasukkan rotasi kesalahan kecil. Dengan menyesuaikan hasilnya ke model sederhana, kita kemudian dapat mengkarakterisasi kesalahan yang koheren dalam sistem, dan melihat bagaimana kesalahan tersebut berubah seiring berjalannya waktu. Kami kemudian menggunakan NOT terkontrol dan kebalikannya dalam pemecah eigen kuantum variasi. Melalui injeksi kesalahan yang disengaja, kami menunjukkan bahwa sirkuit yang dibangun melalui protokol invers tersembunyi mengungguli teknik mitigasi kesalahan lainnya, yaitu kompilasi acak. Kami selanjutnya memeriksa mitigasi kesalahan dalam sistem ini melalui pemurnian matriks kepadatan fermionik, sebuah metodologi pasca-pemrosesan. Melalui pemeriksaan ini, kami menemukan bahwa menggunakan teknik yang sama, yaitu invers tersembunyi, untuk mengkarakterisasi sumber kesalahan pada perangkat keras dan kemudian melakukan mitigasi melalui pendekatan yang sama adalah alat yang ampuh untuk komputer kuantum era NISQ.

โ–บ data BibTeX

โ–บ Referensi

[1] JJ Wallman dan J. Emerson, Physical Review A 94, 052325 (2016), penerbit: American Physical Society.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.052325

[2] B. Zhang, S. Majumder, PH Leung, S. Crain, Y. Wang, C. Fang, DM Debroy, J. Kim, dan KR Brown, Phys. Pdt. Diterapkan 17, 034074 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.17.034074

[3] L. Egan, DM Debroy, C. Noel, A. Risinger, D. Zhu, D. Biswas, M. Newman, M. Li, KR Brown, M. Cetina, dan C. Monroe, Alam 598, 281 (2021) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03928-y

[4] S. Krinner, N. Lacroix, A. Remm, A. Di Paolo, E. Genois, C. Leroux, C. Hellings, S. Lazar, F. Swiadek, J. Herrmann, GJ Norris, CK Andersen, M. Mรผller , A. Blais, C. Eichler, dan A. Wallraff, Alam 605, 669 (2022).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41586-022-04566-8

[5] C. Ryan-Anderson, J. Bohnet, K. Lee, D. Gresh, A. Hankin, J. Gaebler, D. Francois, A. Chernoguzov, D. Lucchetti, N. Brown, T. Gatterman, S. Halit, K. Gilmore, J. Gerber, B. Neyenhuis, D. Hayes, dan R. Stutz, Physical Review X 11, 041058 (2021), penerbit: American Physical Society.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.041058

[6] R. Blume-Kohout, JK Gamble, E. Nielsen, J. Mizrahi, JD Sterk, dan P. Maunz, arXiv pracetak arXiv:1310.4492 (2013).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.1310.4492
arXiv: 1310.4492

[7] BR Johnson, MP d. Silva, CA Ryan, S. Kimmel, JM Chow, dan TA Ohki, Jurnal Fisika Baru 17, 113019 (2015), penerbit: IOP Publishing.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹1367-2630/โ€‹17/โ€‹11/โ€‹113019

[8] E. Nielsen, K. Rudinger, T. Proctor, K. Young, dan R. Blume-Kohout, Jurnal Fisika Baru 23, 093020 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹1367-2630/โ€‹ac20b9

[9] PD Nation, H.Kang, N. Sundaresan, dan JM Gambetta, PRX Quantum 2, 040326 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040326

[10] Y. Kim, CJ Wood, TJ Yoder, ST Merkel, JM Gambetta, K. Temme, dan A. Kandala, Fisika Alam 10.1038/โ€‹s41567-022-01914-3 (2023).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41567-022-01914-3

[11] E. Peters, ACY Li, dan GN Perdue, arXiv:2105.08161 [quant-ph] (2021), arXiv: 2105.08161.
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.2105.08161
arXiv: 2105.08161

[12] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, SC Benjamin, dan Y. Li, PRX Quantum 2, 040330 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040330

[13] C. Piveteau, D. Sutter, S. Bravyi, JM Gambetta, dan K. Temme, Phys. Pendeta Lett. 127, 200505 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.200505

[14] R. LaRose, A. Mari, S. Kaiser, PJ Karalekas, AA Alves, P. Czarnik, M. El Mandouh, MH Gordon, Y. Hindy, A. Robertson, P. Thakre, M. Wahl, D. Samuel, R. Mistri, M. Tremblay, N. Gardner, NT Stemen, N. Shammah, dan WJ Zeng, Quantum 6, 774 (2022).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2022-08-11-774

[15] S.Zhang, Y.Lu, K.Zhang, W.Chen, Y.Li, J.-N. Zhang, dan K. Kim, Komunikasi Alam 11, 587 (2020), arXiv: 1905.10135.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[16] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles, dan L. Cincio, Quantum 5, 592 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2021-11-26-592

[17] Y. Suzuki, S. Endo, K. Fujii, dan Y. Tokunaga, PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010345

[18] K. Temme, S. Bravyi, dan JM Gambetta, Phys. Pendeta Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[19] E.vd Berg, ZK Minev, A. Kandala, dan K. Temme, arXiv pracetak arXiv:2201.09866 (2022).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.2201.09866
arXiv: 2201.09866

[20] V. Leyton-Ortega, S. Majumder, dan RC Pooser, Sains dan Teknologi Quantum 8, 014008 (2022).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹2058-9565/โ€‹aca92d

[21] K. Yeter-Aydeniz, BT Gard, J. Jakowski, S. Majumder, GS Barron, G. Siopsis, TS Humble, dan RC Pooser, Advanced Quantum Technologies 4, 2100012 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qute.202100012

[22] SM Clark, D. Lobser, MC Revelle, CG Yale, D. Bossert, AD Burch, MN Chow, CW Hogle, M. Ivory, J. Pehr, B. Salzbrenner, D. Stick, W. Sweatt, JM Wilson, E Winrow, dan P. Maunz, Transaksi IEEE pada Rekayasa Kuantum 2, 1 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2021.3096480

[23] S. Olmschenk, KC Younge, DL Moehring, DN Matsukevich, P. Maunz, dan C. Monroe, Phys. Pdt.A 76, 052314 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.76.052314

[24] P.Maunz, Tek. Rep.SAND2016-0796R 10.2172/โ€‹1237003 (2016).
https: / / doi.org/ 10.2172 / 1237003

[25] D. Hayes, DN Matsukevich, P. Maunz, D. Hucul, Q. Quraishi, S. Olmschenk, W. Campbell, J. Mizrahi, C. Senko, dan C. Monroe, Phys. Pendeta Lett. 104, 140501 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.140501

[26] S. Debnath, NM Linke, C. Figgatt, KA Landsman, K. Wright, dan C. Monroe, Alam 536, 63 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature18648

[27] PJ Lee, K.-A. Brickman, L. Deslauriers, PC Haljan, L.-M. Duan, dan C. Monroe, Jurnal Optik B: Optik Kuantum dan Semiklasik 7, S371 (2005).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹1464-4266/โ€‹7/โ€‹10/โ€‹025

[28] L. Deslauriers, PC Haljan, PJ Lee, K.-A. Brickman, BB Blinov, MJ Madsen, dan C. Monroe, Phys. Pdt.A 70, 043408 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.043408

[29] BCA Morrison, AJ Landahl, DS Lobser, KM Rudinger, AE Russo, JW Van Der Wall, dan P. Maunz, pada IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE) 2020 (2020) hlm.402โ€“408.
https: / / doi.org/ 10.1109 / QCE49297.2020.00056

[30] D. Lobser, J. Goldberg, A. Landahl, P. Maunz, B. Morrison, K. Rudinger, A. Russo, B. Ruzic, D. Stick, J. Van Der Wall, dan SM Clark, Jaqalpaw Panduan untuk mendefinisikan pulsa dan bentuk gelombang untuk jaqal (2021).
https:/โ€‹/โ€‹www.sandia.gov/โ€‹app/โ€‹uploads/โ€‹sites/โ€‹174/โ€‹2023/โ€‹03/โ€‹JaqalPaw__A_Guide_to_Defining_Pulses_and_Waveforms_for_Jaqal2.pdf

[31] P. Virtanen, R. Gommers, TE Oliphant, M. Haberland, T. Reddy, D. Cournapeau, E. Burovski, P. Peterson, W. Weckesser, J. Bright, SJ van der Walt, M. Brett, J. Wilson, KJ Millman, N. Mayorov, ARJ Nelson, E. Jones, R. Kern, E. Larson, CJ Carey, ฤฐ. Polat, Y. Feng, EW Moore, J. VanderPlas, D. Laxalde, J. Perktold, R. Cimrman, I. Henriksen, EA Quintero, CR Harris, AM Archibald, AH Ribeiro, F. Pedregosa, P. van Mulbregt, dan Kontributor SciPy 1.0, Metode Alam 17, 261 (2020).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41592-019-0686-2

[32] A. McCaskey, ZP Parks, J. Jakowski, SV Moore, TD Morris, TS Humble, dan RC Pooser, NPJ Quantum Inf 5, 99 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41534-019-0209-0

[33] NC Rubin, R. Babbush, dan J. McClean, Jurnal Fisika Baru 20, 053020 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aab919

[34] DJ Wineland, C. Monroe, WM Itano, D. Leibfried, BE King, dan DM Meekhof, Jurnal Penelitian Institut Standar dan Teknologi Nasional 103, 259 (1998).
https: / / doi.org/ 10.6028 / jres.103.019

Dikutip oleh

[1] He-Liang Huang, Xiao-Yue Xu, Chu Guo, Guojing Tian, โ€‹โ€‹โ€‹โ€‹Shi-Jie Wei, Xiaoming Sun, Wan-Su Bao, dan Gui-Lu Long, โ€œTeknik komputasi kuantum jangka pendek: Algoritma kuantum variasional, mitigasi kesalahan, kompilasi sirkuit, pembandingan dan simulasi klasikโ€, Sains China Fisika, Mekanika, dan Astronomi 66 5, 250302 (2023).

[2] Zhubing Jia, Shilin Huang, Mingyu Kang, Ke Sun, Robert F. Spivey, Jungsang Kim, dan Kenneth R. Brown, โ€œGerbang dua qubit bersudut kuat dalam kristal ion linierโ€, Ulasan Fisik A 107 3, 032617 (2023).

[3] Gabriele Cenedese, Giuliano Benenti, dan Maria Bondani, โ€œMemperbaiki Kesalahan Koheren dengan Operasi Acak pada Perangkat Keras Kuantum Aktualโ€, Entropi 25 2, 324 (2023).

[4] Mingyu Kang, Ye Wang, Chao Fang, Bichen Zhang, Omid Khosravani, Jungsang Kim, dan Kenneth R. Brown, โ€œMerancang Fungsi Filter Pulsa Termodulasi Frekuensi untuk Gerbang Dua Qubit Ketelitian Tinggi dalam Rantai Ionโ€, Tinjauan Fisik Diterapkan 19 1, 014014 (2023).

[5] Ashlyn D. Burch, Daniel S. Lobser, Christopher G. Yale, Jay W. Van Der Wall, Oliver G. Maupin, Joshua D. Goldberg, Matthew NH Chow, Melissa C. Revelle, dan Susan M. Clark, โ€œSirkuit Batching untuk Mengurangi Kompilasi di Perangkat Keras Kontrol Kuantumโ€, arXiv: 2208.00076, (2022).

Kutipan di atas berasal dari SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2023-05-16 13:02:44). Daftar ini mungkin tidak lengkap karena tidak semua penerbit menyediakan data kutipan yang cocok dan lengkap.

On Layanan dikutip-oleh Crossref tidak ada data tentang karya mengutip ditemukan (upaya terakhir 2023-05-16 13:02:43).

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.

Stempel Waktu:

Lebih dari Jurnal Kuantum