הפחתת שגיאות קוונטיות סינרגטיות על ידי קומפילציה אקראית ואפס רעש עבור הפותר העצמי הקוונטי הווריאציוני

הפחתת שגיאות קוונטיות סינרגטיות על ידי קומפילציה אקראית ואפס רעש עבור הפותר העצמי הקוונטי הווריאציוני

חותמת זמן: 20 בנובמבר 2023 8:49

טומצ'יקה קוריטה1, חמאם קאסים2, Masatoshi Ishii1, הירוטאקה אושימה1, שינטארו סאטו1, וג'וזף אמרסון2

1מעבדת קוונטים, Fujitsu Research, Fujitsu Limited. 10-1 Morinosato-wakamiya, Atsugi, Kanagawa, יפן 243-0197
2Keysight Technologies Canada, 137 Glasgow St, Kitchener, ON, קנדה, N2G 4X8

מצא את העיתון הזה מעניין או רוצה לדון? סקייט או השאירו תגובה ב- SciRate.

תַקצִיר

אנו מציעים אסטרטגיית הפחתת שגיאות קוונטית עבור אלגוריתם הפתרון הקוונטי העצמי הווריאציוני (VQE). אנו מוצאים, באמצעות סימולציה מספרית, שכמויות קטנות מאוד של רעש קוהרנטי ב-VQE עלולות לגרום לשגיאות גדולות במידה ניכרת שקשה לדכא על ידי שיטות הפחתה קונבנציונליות, ובכל זאת אסטרטגיית ההפחתה המוצעת שלנו מסוגלת להפחית באופן משמעותי את השגיאות הללו. האסטרטגיה המוצעת היא שילוב של טכניקות שדווחו בעבר, כלומר קומפילציה אקראית (RC) ואפס-רעש אקסטרפולציה (ZNE). באופן אינטואיטיבי, קומפילציה אקראית הופך שגיאות קוהרנטיות במעגל לשגיאות פאולי סטוכסטיות, מה שמקל על אקסטרפולציה למגבלה של אפס רעש בעת הערכת פונקציית העלות. הסימולציה המספרית שלנו של VQE עבור מולקולות קטנות מראה שהאסטרטגיה המוצעת יכולה להפחית שגיאות אנרגיה הנגרמות על ידי סוגים שונים של רעש קוהרנטי בעד שני סדרי גודל.

הפחתת שגיאות קוונטית סינרגטית על-ידי קומפילציה אקראית ואפס-רעש עבור ה-PlatoBlockchain Data Intelligence הקוונטי המשתנה. חיפוש אנכי. איי.

סיכום פופולרי

כאשר אנו מבצעים חישובים קוונטיים, חיוני לצמצם למינימום שגיאות חישוביות שנגרמות מרעש חומרה. עבור חומרה קוונטית בקנה מידה בינוני (NISQ) רועש, ניתן להשתמש בטכניקות הפחתת שגיאות קוונטיות כדי להפחית שגיאות כאלה. טיפול ברעש קוהרנטי, לעומת זאת, נותר אתגר משמעותי בהפחתת שגיאות בשל שתי סיבות: (i) אפילו כמות קטנה של רעש קוהרנטי יכולה לגרום לשגיאות חישוביות משמעותיות, ו-(ii) שגיאות אלו קשה למתן באמצעות טכניקות קיימות.
בעבודה זו, אנו מציעים טכניקת הפחתת שגיאות המפחיתה ביעילות שגיאות הנגרמות על ידי רעש קוהרנטי. טכניקה זו משתמשת בהשפעה סינרגטית של קומפילציה אקראית (RC) ואפס-רעש אקסטרפולציה (ZNE). RC ממיר רעש קוהרנטי לרעש פאולי סטוכסטי, שניתן להפחית ביעילות באמצעות ZNE. ההדמיות המספריות שלנו על אלגוריתמים קוונטיים עצמיים וריאציות מוכיחות שטכניקת ההפחתה המוצעת שלנו מציגה אפקט משמעותי של דיכוי שגיאות כנגד רעש קוהרנטי.

► נתוני BibTeX

► הפניות

[1] סם מקארדל, סוגורו אנדו, אלן אספורו-גוזיק, סיימון סי בנג'מין ושיאו יואן. "כימיה חישובית קוונטית". ביקורות על פיזיקה מודרנית 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, Yuhua Duan. "מחשוב קוונטי וסימולציות ליישומי אנרגיה: סקירה ופרספקטיבה". ACS Engineering Au 2, 151–196 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1021/​acsengineeringau.1c00033

[3] ג'וליה אי רייס, Tanvi P Gujarati, Mario Motta, Tyler Y Takeshita, Eunseok Lee, Joseph A Latone, and Jeannette M Garcia. "חישוב קוונטי של מוצרים דומיננטיים בסוללות ליתיום-גופרית". The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068

[4] אוסטין ג'י פאולר, מתאו מריאנטוני, ג'ון מ' מרטניס ואנדרו נ' קללנד. "קודי שטח: לקראת חישוב קוונטי מעשי בקנה מידה גדול". סקירה פיזית א 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[5] אלברטו פרוצו, ג'רוד מקלין, פיטר שדבולט, מאן-הונג יונג, שיאו-צ'י ז'ו, פיטר ג'יי לאב, אלן אספורו-גוזיק וג'רמי ל אובריאן. "פותר ערכים עצמיים וריאציות במעבד קוונטי פוטוני". תקשורת טבע 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[6] ג'רוד אר מקלין, ג'ונתן רומרו, ריאן בבוש ואלן אספורו-גוזיק. "התיאוריה של אלגוריתמים קוונטיים-קלאסיים היברידיים וריאציות". New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

[7] פיטר ג'יי ג'יי או'מאלי, ריאן בבוש, איאן ד' קיווליצ'ן, ג'ונתן רומרו, ג'רוד אר מקלין, רמי בארנדס, ג'וליאן קלי, פדרם רושן, אנדרו טרנטר, נאן דינג ועוד. "סימולציה קוונטית ניתנת להרחבה של אנרגיות מולקולריות". סקירה פיזית 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. "פותר עצמי קוונטי וריאציאלי יעיל בחומרה עבור מולקולות קטנות ומגנטים קוונטיים". טבע 549, 242–246 (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, and Irfan Siddiqi. "חישוב של ספקטרה מולקולרית על מעבד קוונטי עם אלגוריתם חסין שגיאות". סקירה פיזית X 8, 011021 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.011021

[10] Abhinav Kandala, Kristan Temme, Antonio D Córcoles, Antonio Mezzacapo, Jerry M Chow, and Jay M Gambetta. "הפחתת שגיאות מרחיבה את הטווח החישובי של מעבד קוונטי רועש". טבע 567, 491–495 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[11] יאנגצ'או שן, שיאנג ג'אנג, שואיינג ג'אנג, ג'ינג-נינג ג'אנג, מאן-הונג יונג וקיהוואן קים. "יישום קוונטי של האשכול המצמד היחיד להדמיית מבנה אלקטרוני מולקולרי". סקירה פיזית 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, et al. "הערכת אנרגיה במצב קרקע של מולקולת המים במחשב קוונטי לכודים". npj Quantum Information 6, 33 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0259-3

[13] ג'רוד אר מקלין, סרג'יו בוישו, ואדים נ' סמליאנסקי, ריאן בבוש והרטמוט נבן. "רמות עקרות בנופי אימון ברשת עצבית קוונטית". תקשורת הטבע 9, 4812 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-07090-4

[14] ג'ולס טילי, הונגשיאנג צ'ן, שושיאנג קאו, דריו פיקוצי, קאנאב סטייה, יינג לי, אדוארד גרנט, לאונרד ווסניג, איבן רונגר, ג'ורג' ה. בות' ועוד. "The Variational Quantum Eigensolver: סקירה של שיטות ושיטות עבודה מומלצות". דוחות פיזיקה 986, 1–128 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.08.003

[15] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin ושיאו יואן. "אלגוריתמים קוונטיים-קלאסיים היברידיים והפחתת שגיאות קוונטיות". Journal of the Physical Society of Japan 90, 032001 (2021).
https: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001

[16] יינג לי וסימון סי בנג'מין. "סימולטור קוונטי וריאציוני יעיל המשלב מזעור שגיאות אקטיבי". סקירה פיזית X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[17] קריסטן טמה, סרגיי בראווי וג'יי מ' גמבטה. "הפחתת שגיאות עבור מעגלים קוונטיים קצרי עומק". מכתבי סקירה פיזית 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[18] אנדרה ה, בנימין נחמן, וייב א דה יונג וכריסטיאן וו באואר. "אקסטרפולציה של רעש אפס להפחתת שגיאות שער קוונטי עם הכנסת זהות". Physical Review A 102, 012426 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.012426

[19] שואיינג ג'אנג, יאו לו, קואן ג'אנג, וונטאו צ'ן, יינג לי, ג'ינג-נינג ג'אנג וקיהוואן קים. "שערים קוונטיים מופחתים שגיאות העולים על נאמנות פיזית במערכת יונים לכודים". תקשורת טבע 11, 587 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[20] ג'רוד אר מקלין, מולי אי קמחי-שוורץ, ג'ונתן קרטר, ווייב א דה יונג. "היררכיה קוונטית-קלאסית היברידית להפחתת דה-קוהרנטיות וקביעה של מצבים נרגשים". סקירה פיזית A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[21] ג'ואל ג'יי וולמן וג'וזף אמרסון. "תפירת רעש עבור חישוב קוונטי ניתן להרחבה באמצעות קומפילציה אקראית". סקירה פיזית א 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, ועוד. "קומפילציה אקראית עבור מחשוב קוונטי ניתן להרחבה על מעבד קוונטי רועש מוליך-על". סקירה פיזית 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, ועוד. "מינוף קומפילציה אקראית עבור האלגוריתם הדמיוני-זמן-אבולוציה הקוונטי". Physical Review Research 4, 033140 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033140

[24] יאנגסוק קים, כריסטופר ג'יי ווד, תיאודור ג'יי יודר, סת' מרקל, ג'יי מ' גמבטה, קריסטן טמה ואבהינב קנדלה. "הפחתת שגיאות ניתנת להרחבה עבור מעגלים קוונטיים רועשים מייצרת ערכי ציפיות תחרותיות". טבע פיזיקה 19, 752–759 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[25] Chao Song, Jing Cui, H Wang, J Hao, H Feng ו-Ying Li. "חישוב קוונטי עם הפחתת שגיאות אוניברסלית במעבד קוונטי מוליך-על". Science advances 5, eaaw5686 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[26] מת'יו וור, גילהם ריביל, דייגו ריסט, קולם א' ראיין, בלייק ג'ונסון ומרקוס פ דה סילבה. "אקראיות של מסגרת פאולי בניסוי על קיוביט מוליך-על". סקירה פיזית A 103, 042604 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.042604

[27] סמואל פראסין, אקל ​​האשים, ז'אן-לופ וויל, ראווי נאיק, ארנו קריניאן-דוגאס, חמאם קאסים, אלכסיס מורבן, דייוויד סנטיאגו, אירפן סידיקי וג'ואל ג'יי וולמן. "שיפור יעיל בביצועים של מחשבים קוונטיים רועשים" (2022). arXiv:2201.10672.
arXiv: 2201.10672

[28] ניק ס בלאנט, לורה קאון, רוברט איזסק, ארל טי קמפבל וניקול הולצמן. "הערכת שלב סטטיסטית והפחתת שגיאות במעבד קוונטי מוליך-על" (2023). arXiv:2304.05126.
arXiv: 2304.05126

[29] סמסון וואנג, אנריקו פונטנה, מרקו סרזו, קונאל שארמה, אקירה סונה, לוקאש צ'ינסיו ופטריק ג'יי קולס. "רמות עקרה הנגרמות על ידי רעש באלגוריתמים קוונטיים וריאציות". תקשורת הטבע 12, 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] מייקל א נילסן ואייזק צ'ואנג. "חישוב קוונטי ומידע קוונטי". הוצאת אוניברסיטת קיימברידג'. (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, ועוד. "הערכת העדויות ליתרון קוונטי אקספוננציאלי בכימיה קוונטית של מצב קרקע". תקשורת טבע 14, 1952 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-023-37587-6

[32] Jérôme F Gonthier, Maxwell D Radin, Corneliu Buda, Eric J Doskocil, Clena M Abuan, and Jhonathan Romero. "מדידות כמחסום ליתרון קוונטי מעשי בטווח הקרוב בכימיה: ניתוח משאבים". Physical Review Research 4, 033154 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033154

[33] אופליה קרופורד, ברנבי ואן סטראטן, דאוצ'ן וואנג, תומס פארקס, ארל קמפבל וסטיבן ברירלי. "מדידה קוונטית יעילה של אופרטורים פאולי בנוכחות טעות דגימה סופית". Quantum 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[34] טומצ'יקה קוריטה, מיקיו מוריטה, הירוטאקה אושימה ושינטארו סאטו. "אלגוריתם חלוקת מחרוזות של פאולי עם מודל Ising למדידה בו זמנית". The Journal of Physical Chemistry A 127, 1068–1080 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1021/​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 Kassim, et al. "תוכנת True-Q. Keysight Technologies". כתובת אתר: trueq.quantumbenchmark.com.
https://​/​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, ועוד. "SciPy 1.0: אלגוריתמים בסיסיים למחשוב מדעי ב-Python". שיטות הטבע 17, 261–272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] מייקל ג'יי.די פאוול. "אלגוריתם BOBYQA לאופטימיזציה מוגבלת מוגבלת ללא נגזרות". דו"ח טכני. אוניברסיטת קיימברידג', קיימברידג' (2009). כתובת אתר: www.damtp.cam.ac.uk/​user/​na/​NA_papers/​NA2009_06.pdf.
https://​/​www.damtp.cam.ac.uk/​user/​na/​NA_papers/​NA2009_06.pdf

[38] Jarrod R. McClean, Ian D. Kivlichan, Damian S. Steiger, Yudong Cao, E. Schuyler Fried, Craig Gidney, Thomas Häner, Vojtĕch Havlíček, Zhang Jiang, Matthew Neeley, ועוד. "OpenFermion: חבילת המבנה האלקטרוני למחשבים קוונטיים" (2017). arXiv:1710.07629.
arXiv: 1710.07629

[39] Ewout van den Berg, Zlatko K Minev, Abhinav Kandala, and Kristan Temme. "ביטול שגיאות הסתברותי עם דגמי פאולי-לינדבלד דלילים על מעבדים קוונטיים רועשים". טבע פיזיקה 19, 1116–1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

מצוטט על ידי

[1] Ritajit Majumdar, Pedro Rivero, Friederike Metz, Areeq Hasan, ודרק S Wang, "שיטות עבודה מומלצות להפחתת שגיאות קוונטיות עם אקסטרפולציה דיגיטלית של אפס רעש", arXiv: 2307.05203, (2023).

[2] ארנו קריניאן-דוגאס, שאשנק קומאר ראנו ופטריק דרהר, "הערכת תרומות קוהרנטיות לפרופיל השגיאה באמצעות שחזור שגיאות מחזוריות", arXiv: 2303.09945, (2023).

[3] הוגו פרין, Thibault Scoquart, אלכסנדר שנירמן, Jörg Schmalian, ו-Kyrylo Snizhko, "הפחתת שגיאות הצלבה על ידי קומפילציה אקראית: סימולציה של מודל BCS על מחשב קוונטי מוליך-על", arXiv: 2305.02345, (2023).

[4] ChangWon Lee ו-Daniel K. Park, "הפחתת שגיאות מדידה קוונטית ניתנת להרחבה באמצעות עצמאות מותנית ולמידת העברה", arXiv: 2308.00320, (2023).

הציטוטים לעיל הם מ- מודעות SAO / NASA (עודכן לאחרונה בהצלחה 2023-11-20 13:58:16). הרשימה עשויה להיות שלמה מכיוון שלא כל בעלי האתרים מספקים נתוני ציטוט ראויים ומלאים.

לא ניתן היה להביא נתונים מצוטטים על ידי קרוסרף במהלך ניסיון אחרון 2023-11-20 13:58:14: לא ניתן היה להביא נתונים שהובאו עבור 10.22331 / q-2023-11-20-1184 מקרוסרף. זה נורמלי אם ה- DOI נרשם לאחרונה.

מאמר זה מתפרסם בקוונטים תחת התקציב ייחוס Creative Commons 4.0 הבינלאומי (CC BY 4.0) רישיון. זכויות יוצרים נשארות עם בעלי זכויות היוצרים המקוריים כמו המחברים או מוסדותיהם.

בול זמן:

עוד מ יומן קוונטים