La battaglia tra qubit puliti e sporchi nell'era della correzione parziale degli errori

La battaglia tra qubit puliti e sporchi nell'era della correzione parziale degli errori

Daniele Bultrini1,2, Sansone Wang1,3, Piotr Zarnik1,4, Max Hunter Gordon1,5, M.Cerezo6,7, Patrick J. Coles1,7, e Lukasz Cincio1,7

1Divisione Teorica, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA
2Theoretische Chemie, Physikalisch-Chemisches Institut, Universität Heidelberg, INF 229, D-69120 Heidelberg, Germania
3Imperial College di Londra, Londra, Regno Unito
4Istituto di Fisica Teorica, Università Jagellonica, Cracovia, Polonia.
5Instituto de Física Teórica, UAM/CSIC, Universidad Autónoma de Madrid, Madrid 28049, Spagna
6Scienze dell'informazione, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA
7Centro di scienza quantistica, Oak Ridge, TN 37931, Stati Uniti

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Astratto

Quando la correzione degli errori diventa possibile, sarà necessario dedicare un gran numero di qubit fisici a ciascun qubit logico. La correzione degli errori consente di eseguire circuiti più profondi, ma ogni qubit fisico aggiuntivo può potenzialmente contribuire a un aumento esponenziale dello spazio computazionale, quindi esiste un compromesso tra l'utilizzo dei qubit per la correzione degli errori o il loro utilizzo come qubit rumorosi. In questo lavoro esaminiamo gli effetti dell'utilizzo di qubit rumorosi in combinazione con qubit silenziosi (un modello idealizzato per qubit con correzione degli errori), che chiamiamo configurazione "pulita e sporca". Utilizziamo modelli analitici e simulazioni numeriche per caratterizzare questa configurazione. Numericamente mostriamo la comparsa di Noise-Induced Barren Plateaus (NIBPs), cioè una concentrazione esponenziale di osservabili causata dal rumore, in un circuito ansatz variazionale hamiltoniano del modello di Ising. Lo osserviamo anche se solo un singolo qubit è rumoroso e dotato di un circuito sufficientemente profondo, suggerendo che i NIBP non possono essere completamente superati semplicemente correggendo gli errori di un sottoinsieme dei qubit. Sul lato positivo, troviamo che per ogni qubit silenzioso nel circuito, c'è una soppressione esponenziale nella concentrazione degli osservabili del gradiente, mostrando il vantaggio della correzione parziale dell'errore. Infine, i nostri modelli analitici corroborano questi risultati mostrando che gli osservabili si concentrano con un ridimensionamento nell'esponente correlato al rapporto tra qubit sporchi e totali.

In un futuro con computer quantistici tolleranti ai guasti, si aprirà un intero nuovo mondo di algoritmi quantistici che potrebbero offrire vantaggi rispetto a molti algoritmi classici. Ciò non avverrà senza qualche sacrificio: il numero di qubit necessari per codificare un qubit corretto (o logico) sarà elevato. L'aggiunta di un singolo qubit a un sistema raddoppia lo spazio computazionale disponibile della macchina, quindi in questo documento poniamo la domanda: puoi combinare qubit con correzione degli errori con qubit fisici? Poiché il rumore ostacola notevolmente gli algoritmi quantistici, forse combinare i vantaggi della correzione degli errori con lo spazio di Hilbert aggiuntivo offerto dai qubit fisici non corretti dagli errori può essere vantaggioso per alcune classi di algoritmi. Affrontiamo questa domanda usando un'approssimazione in cui i qubit silenziosi prendono il posto dei qubit corretti dagli errori, che chiamiamo puliti; e sono accoppiati a qubit fisici rumorosi, che chiamiamo sporchi. Mostriamo analiticamente e numericamente che gli errori nella misurazione dei valori di aspettativa vengono soppressi in modo esponenziale per ogni qubit rumoroso che viene sostituito con un qubit pulito e che questo comportamento segue da vicino ciò che la macchina farebbe se si riducesse il tasso di errore di una macchina uniformemente rumorosa del rapporto tra qubit sporchi e qubit totali.

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► Riferimenti

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Citato da

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Le citazioni sopra sono di ANNUNCI SAO / NASA (ultimo aggiornamento riuscito 2023-07-13 15:21:51). L'elenco potrebbe essere incompleto poiché non tutti gli editori forniscono dati di citazione adeguati e completi.

Impossibile recuperare Crossref citato da dati durante l'ultimo tentativo 2023-07-13 15:21:50: Impossibile recuperare i dati citati per 10.22331 / q-2023-07-13-1060 da Crossref. Questo è normale se il DOI è stato registrato di recente.

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