Mitigasi kesalahan kuantum sinergis dengan kompilasi acak dan ekstrapolasi zero-noise untuk pemecah eigen kuantum variasional

Mitigasi kesalahan kuantum sinergis dengan kompilasi acak dan ekstrapolasi zero-noise untuk pemecah eigen kuantum variasional

Stempel Waktu: 20 November 2023 8

Tomochika Kurita1, Hammam Qasim2, Masatoshi Ishii1, Hirotaka Oshima1, Shintaro Sato1, dan Joseph Emerson2

1Laboratorium Kuantum, Penelitian Fujitsu, Fujitsu Limited. 10-1 Morinosato-wakamiya, Atsugi, Kanagawa, Jepang 243-0197
2Keysight Technologies Kanada, 137 Glasgow St, Kitchener, ON, Kanada, N2G 4X8

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

Abstrak

Kami mengusulkan strategi mitigasi kesalahan kuantum untuk algoritma variasional quantum eigensolver (VQE). Kami menemukan, melalui simulasi numerik, bahwa sejumlah kecil kebisingan koheren di VQE dapat menyebabkan kesalahan yang sangat besar yang sulit untuk ditekan dengan metode mitigasi konvensional, namun strategi mitigasi yang kami usulkan mampu mengurangi kesalahan ini secara signifikan. Strategi yang diusulkan merupakan kombinasi teknik yang dilaporkan sebelumnya, yaitu randomized compiling (RC) dan zero-noise extrapolation (ZNE). Secara intuitif, kompilasi acak mengubah kesalahan koheren dalam rangkaian menjadi kesalahan stokastik Pauli, yang memfasilitasi ekstrapolasi ke batas nol-derau saat mengevaluasi fungsi biaya. Simulasi numerik VQE kami untuk molekul kecil menunjukkan bahwa strategi yang diusulkan dapat mengurangi kesalahan energi yang disebabkan oleh berbagai jenis kebisingan koheren hingga dua kali lipat.

Mitigasi kesalahan kuantum sinergis dengan kompilasi acak dan ekstrapolasi tanpa gangguan untuk pemecah eigen kuantum variasional PlatoBlockchain Data Intelligence. Pencarian Vertikal. Ai.

Ringkasan populer

Saat kita menjalankan komputasi kuantum, sangat penting untuk meminimalkan kesalahan komputasi yang disebabkan oleh gangguan perangkat keras. Untuk perangkat keras kuantum skala menengah (NISQ) yang berisik, teknik mitigasi kesalahan kuantum dapat digunakan untuk mengurangi kesalahan tersebut. Namun, mengatasi gangguan koheren masih menjadi tantangan yang signifikan dalam mitigasi kesalahan karena dua alasan: (i) bahkan sejumlah kecil kebisingan koheren dapat mengakibatkan kesalahan komputasi yang besar, dan (ii) kesalahan ini sulit untuk dimitigasi dengan menggunakan teknik yang ada.
Dalam karya ini, kami mengusulkan teknik mitigasi kesalahan yang secara efektif mengurangi kesalahan yang disebabkan oleh kebisingan koheren. Teknik ini memanfaatkan efek sinergis dari kompilasi acak (RC) dan ekstrapolasi zero-noise (ZNE). RC mengubah kebisingan koheren menjadi kebisingan Pauli stokastik, yang dapat dimitigasi secara efektif menggunakan ZNE. Simulasi numerik kami pada algoritme pemecah eigen kuantum variasional menunjukkan bahwa teknik mitigasi yang kami usulkan menunjukkan efek penekanan kesalahan yang signifikan terhadap kebisingan yang koheren.

โ–บ data BibTeX

โ–บ Referensi

[1] Sam McArdle, Suguru Endo, Alรกn Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin, dan Xiao Yuan. โ€œKimia komputasi kuantumโ€. Review Fisika Modern 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, dan Yuhua Duan. โ€œKomputasi Kuantum dan Simulasi Aplikasi Energi: Review dan Perspektifโ€. Teknik ACS Au 2, 151โ€“196 (2022).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1021/โ€‹acsengineeringau.1c00033

[3] Julia E Rice, Tanvi P Gujarati, Mario Motta, Tyler Y Takeshita, Eunseok Lee, Joseph A Latone, dan Jeannette M Garcia. "Komputasi kuantum produk dominan dalam baterai lithium-sulfur". Jurnal Fisika Kimia 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068

[4] Austin G Fowler, Matteo Mariantoni, John M Martinis, dan Andrew N Cleland. โ€œKode permukaan: Menuju komputasi kuantum skala besar yang praktisโ€. Tinjauan Fisik 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, Alรกn Aspuru-Guzik, dan Jeremy L O'brien. โ€œPemecah nilai eigen variasional pada prosesor kuantum fotonikโ€. Komunikasi alam 5, 4213 (2014).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹ncomms5213

[6] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush, dan Alan Aspuru-Guzik. "Teori algoritma kuantum-klasik hibrida variasi". Jurnal Fisika Baru 18, 023023 (2016).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹1367-2630/โ€‹18/โ€‹2/โ€‹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, dkk. โ€œSimulasi Kuantum Energi Molekuler yang Dapat Diskalakanโ€. Tinjauan Fisik 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, and Jay M Gambetta. โ€œEigensolver kuantum variasional yang efisien perangkat keras untuk molekul kecil dan magnet kuantumโ€. Alam 549, 242โ€“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, dan Irfan Siddiqi. โ€œPerhitungan Spektrum Molekuler pada Prosesor Kuantum dengan Algoritma Tahan Kesalahanโ€. Review Fisik X 8, 011021 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.011021

[10] Abhinav Kandala, Kristan Temme, Antonio D Cรณrcoles, Antonio Mezzacapo, Jerry M Chow, dan Jay M Gambetta. โ€œMitigasi kesalahan memperluas jangkauan komputasi prosesor kuantum yang berisikโ€. Alam 567, 491โ€“495 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41586-019-1040-7

[11] Yangchao Shen, Xiang Zhang, Shuaining Zhang, Jing-Ning Zhang, Man-Hong Yung, dan Kihwan Kim. โ€œImplementasi kuantum dari cluster berpasangan kesatuan untuk mensimulasikan struktur elektronik molekulโ€. Tinjauan Fisik 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, dkk. โ€œEstimasi energi keadaan dasar molekul air pada komputer kuantum ion yang terperangkapโ€. npj Informasi Kuantum 6, 33 (2020).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41534-020-0259-3

[13] Jarrod R McClean, Sergio Boixo, Vadim N Smelyanskiy, Ryan Babbush, dan Hartmut Neven. โ€œDataran tinggi tandus dalam lanskap pelatihan jaringan saraf kuantumโ€. Komunikasi alam 9, 4812 (2018).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹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, dkk. โ€œThe Variational Quantum Eigensolver: Tinjauan metode dan praktik terbaikโ€. Laporan Fisika 986, 1โ€“128 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.08.003

[15] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin, dan Xiao Yuan. โ€œAlgoritma Hibrid Kuantum-Klasik dan Mitigasi Kesalahan Kuantumโ€. Jurnal Masyarakat Fisik Jepang 90, 032001 (2021).
https: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001

[16] Ying Li dan Simon C Benjamin. โ€œSimulator Kuantum Variasi yang Efisien yang Menggabungkan Minimisasi Kesalahan Aktifโ€. Review Fisik X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[17] Kristan Temme, Sergey Bravyi, dan Jay M Gambetta. โ€œMitigasi Kesalahan untuk Sirkuit Kuantum Kedalaman Pendekโ€. Surat review fisik 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[18] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A de Jong, dan Christian W Bauer. โ€œEkstrapolasi tanpa gangguan untuk mitigasi kesalahan gerbang kuantum dengan penyisipan identitasโ€. Tinjauan Fisik 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, dan Kihwan Kim. โ€œGerbang kuantum yang dimitigasi kesalahan melebihi ketelitian fisik dalam sistem ion yang terperangkapโ€. Komunikasi alam 11, 587 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[20] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter, dan Wibe A De Jong. "Hibrida kuantum-klasik hibrida untuk mitigasi dekoherensi dan penentuan keadaan tereksitasi". Tinjauan Fisik A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[21] Joel J Wallman dan Joseph Emerson. โ€œPenyesuaian kebisingan untuk komputasi kuantum yang dapat diskalakan melalui kompilasi acakโ€. Tinjauan Fisik 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, dkk. โ€œKompilasi Acak untuk Komputasi Kuantum yang Dapat Diskalakan pada Prosesor Kuantum Superkonduktor Bisingโ€. Review Fisik 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, dkk. โ€œMemanfaatkan kompilasi acak untuk algoritma evolusi waktu imajiner kuantumโ€. Penelitian Tinjauan Fisik 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, dan Abhinav Kandala. โ€œMitigasi kesalahan yang dapat diskalakan untuk sirkuit kuantum yang berisik menghasilkan nilai ekspektasi yang kompetitifโ€. Fisika Alam 19, 752โ€“759 (2023).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41567-022-01914-3

[25] Chao Song, Jing Cui, H Wang, J Hao, H Feng, dan Ying Li. โ€œKomputasi kuantum dengan mitigasi kesalahan universal pada prosesor kuantum superkonduktorโ€. Kemajuan sains 5, eaaw5686 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[26] Matthew Ware, Guilhem Ribeill, Diego Riste, Colm A Ryan, Blake Johnson, dan Marcus P Da Silva. "Pengacakan bingkai Pauli eksperimental pada qubit superkonduktor". Tinjauan Fisik 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, dan Joel J Wallman. โ€œMeningkatkan kinerja komputer kuantum yang berisik secara efisienโ€ (2022). arXiv:2201.10672.
arXiv: 2201.10672

[28] Nick S Blunt, Laura Caune, Rรณbert Izsรกk, Earl T Campbell, dan Nicole Holzmann. โ€œEstimasi fase statistik dan mitigasi kesalahan pada prosesor kuantum superkonduktorโ€ (2023). arXiv:2304.05126.
arXiv: 2304.05126

[29] Samson Wang, Enrico Fontana, Marco Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio, dan Patrick J Coles. โ€œDataran tinggi tandus yang disebabkan oleh kebisingan dalam algoritma kuantum variasionalโ€. Komunikasi alam 12, 6961 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41467-021-27045-6

[30] Michael A Nielsen dan Isaac Chuang. โ€œKomputasi Kuantum dan Informasi Kuantumโ€. Pers Universitas Cambridge. (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, dkk. โ€œMengevaluasi bukti keunggulan kuantum eksponensial dalam kimia kuantum keadaan dasarโ€. Komunikasi alam 14, 1952 (2023).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41467-023-37587-6

[32] Jรฉrรดme F Gonthier, Maxwell D Radin, Corneliu Buda, Eric J Doskocil, Clena M Abuan, dan Jhonathan Romero. โ€œPengukuran sebagai penghalang menuju keuntungan kuantum praktis jangka pendek dalam kimia: Analisis sumber dayaโ€. Penelitian Tinjauan Fisik 4, 033154 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033154

[33] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell, dan Stephen Brierley. "Pengukuran kuantum yang efisien dari operator Pauli dengan adanya kesalahan pengambilan sampel yang terbatas". Kuantum 5, 385 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2021-01-20-385

[34] Tomochika Kurita, Mikio Morita, Hirotaka Oshima, dan Shintaro Sato. โ€œAlgoritma Pauli String Partitioning dengan Model Ising untuk Pengukuran Simultanโ€. Jurnal Kimia Fisika A 127, 1068โ€“1080 (2023).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1021/โ€‹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, dkk. โ€œPerangkat lunak True-Q. Teknologi Keysightโ€. url: trueq.quantumbenchmark.com.
https://โ€‹/โ€‹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, dkk. โ€œSciPy 1.0: Algoritma dasar untuk komputasi ilmiah dengan Pythonโ€. Metode Alam 17, 261โ€“272 (2020).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41592-019-0686-2

[37] Michael JD Powell. โ€œAlgoritma BOBYQA untuk optimasi terbatas terikat tanpa turunanโ€. Laporan teknikal. Universitas Cambridge, Cambridge (2009). url: www.damtp.cam.ac.uk/โ€‹user/โ€‹na/โ€‹NA_papers/โ€‹NA2009_06.pdf.
https://www.damtp.cam.ac.uk/โ€‹user/โ€‹na/โ€‹NA_papers/โ€‹NA2009_06.pdf

[38] Jarrod R. McClean, Ian D. Kivlichan, Damian S. Steiger, Yudong Cao, E. Schuyler Fried, Craig Gidney, Thomas Hรคner, Vojtฤ•ch Havlรญฤek, Zhang Jiang, Matthew Neeley, dkk. โ€œOpenFermion: Paket Struktur Elektronik untuk Komputer Kuantumโ€ (2017). arXiv:1710.07629.
arXiv: 1710.07629

[39] Ewout van den Berg, Zlatko K Minev, Abhinav Kandala, dan Kristan Temme. โ€œPembatalan kesalahan probabilistik dengan model Pauli-Lindblad yang jarang pada prosesor kuantum yang berisikโ€. Fisika Alam 19, 1116โ€“1121 (2023).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41567-023-02042-2

Dikutip oleh

[1] Ritajit Majumdar, Pedro Rivero, Friederike Metz, Areeq Hasan, dan Derek S Wang, โ€œPraktik terbaik untuk mitigasi kesalahan kuantum dengan ekstrapolasi zero-noise digitalโ€, arXiv: 2307.05203, (2023).

[2] Arnaud Carignan-Dugas, Shashank Kumar Ranu, dan Patrick Dreher, โ€œMemperkirakan Kontribusi yang Koheren terhadap Profil Kesalahan Menggunakan Rekonstruksi Kesalahan Siklusโ€, arXiv: 2303.09945, (2023).

[3] Hugo Perrin, Thibault Scoquart, Alexander Shnirman, Jรถrg Schmalian, dan Kyrylo Snizhko, โ€œMengurangi kesalahan crosstalk dengan kompilasi acak: Simulasi model BCS pada komputer kuantum superkonduktorโ€, arXiv: 2305.02345, (2023).

[4] ChangWon Lee dan Daniel K. Park, โ€œMitigasi kesalahan pengukuran kuantum yang dapat diskalakan melalui kemandirian bersyarat dan pembelajaran transferโ€, arXiv: 2308.00320, (2023).

Kutipan di atas berasal dari SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2023-11-20 13:58:16). 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 2023-11-20 13:58:14: Tidak dapat mengambil data yang dikutip oleh untuk 10.22331 / q-2023-11-20-1184 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.

Stempel Waktu:

Lebih dari Jurnal Kuantum