אופטימיזציה תיאורטית גרפית של יצירת מצב גרף מבוסס היתוך

אופטימיזציה תיאורטית גרפית של יצירת מצב גרף מבוסס היתוך

סאוק-היונג לי1,2 והיונסוק ג'ונג1

1המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה, האוניברסיטה הלאומית של סיאול, סיאול 08826, הרפובליקה של קוריאה
2המרכז למערכות קוונטיות מהונדסות, בית הספר לפיזיקה, אוניברסיטת סידני, סידני, NSW 2006, אוסטרליה

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

תַקצִיר

מצבי גרף הם משאבים מגוונים למשימות שונות של עיבוד מידע קוונטי, כולל מחשוב קוונטי מבוסס מדידה ומשחזרים קוונטיים. למרות ששער היתוך מסוג II מאפשר יצירה אופטית של מצבי גרף על ידי שילוב מצבי גרף קטנים, האופי הלא-דטרמיניסטי שלו מפריע ליצירה יעילה של מצבי גרף גדולים. בעבודה זו, אנו מציגים אסטרטגיה תיאורטית של גרפים למיטוב יעיל של יצירה מבוססת היתוך של כל מצב גרף נתון, יחד עם חבילת Python OptGraphState. האסטרטגיה שלנו כוללת שלושה שלבים: פישוט מצב גרף היעד, בניית רשת היתוך וקביעת סדר ההיתוכים. באמצעות שיטה מוצעת זו, אנו מעריכים את תקורה המשאבים של גרפים אקראיים וגרפים ידועים שונים. בנוסף, אנו חוקרים את הסתברות ההצלחה של יצירת מצב גרף בהינתן מספר מוגבל של מצבי משאבים זמינים. אנו מצפים שהאסטרטגיה והתוכנה שלנו יסייעו לחוקרים בפיתוח והערכת תוכניות קיימא ניסיוני המשתמשות במצבי גרף פוטוניים.

מצבי גרף, שהם מצבים קוונטיים שבהם קיוביטים מסתבכים בצורה המורה על ידי מבנה גרף, הם מצבי משאבים מגוונים עבור מחשוב קוונטי ותקשורת. בפרט, מצבי גרף במערכות פוטוניות יכולים לשמש עבור מחשוב קוונטי מבוסס מדידה ומחשוב קוונטי מבוסס היתוך, שהם מועמדים מבטיחים למחשוב קוונטי סובלני לתקלות בטווח הקרוב. בעבודה זו, אנו מציעים שיטה לבניית מצבי גרף פוטוניים שרירותיים ממצבי משאב בסיסיים ראשוניים של שלושה פוטונים. זה מושג באמצעות סדרה של פעולות "היתוך", שבהן מצבי גרף קטנים יותר מתמזגים באופן הסתברותי לגדולים יותר באמצעות מדידות פוטון ספציפיות. הליבה של האסטרטגיה שלנו היא מסגרת תיאורטית גרפית שנועדה למזער את דרישות המשאבים של תהליך זה, תוך שיפור היעילות וההיתכנות.

► נתוני BibTeX

► הפניות

[1] M. Hein, W. Dür, J. Eisert, R. Raussendorf, M. Van den Nest, and H.-J. בריגל. "הסתבכות במצבי גרף ויישומיו". במחשבים קוונטיים, אלגוריתמים וכאוס. עמודים 115–218. IOS Press (2006).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​0602096
arXiv: quant-ph / 0602096

[2] רוברט ראוסנדורף והנס ג'יי בריגל. "מחשב קוונטי חד כיווני". פיזי. הכומר לט. 86, 5188–5191 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.86.5188

[3] רוברט ראוסנדורף, דניאל אי בראון והנס ג'יי בריגל. "חישוב קוונטי מבוסס מדידה על מצבי אשכול". פיזי. ר' א 68, 022312 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.68.022312

[4] R. Raussendorf, J. Harrington, and K. Goyal. "מחשב קוונטי חד כיווני חסין תקלות". אן. פיזי. 321, 2242–2270 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2006.01.012

[5] R. Raussendorf, J. Harrington, and K. Goyal. "סבילות לתקלות טופולוגית בחישוב קוונטי של מצב אשכולות". חדש J. Phys. 9, 199 (2007).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​9/​6/​199

[6] שרה ברטולוצ'י, פטריק בירצ'ל, הקטור בומבין, הוגו קייבל, כריס דוסון, מרסדס גימנו-סגוביה, אריק ג'ונסטון, קונרד קילינג, נעמי ניקרסון, מיהיר פאנט ועוד. "חישוב קוונטי מבוסס היתוך". נאט. Commun. 14, 912 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-023-36493-1

[7] ד' שלינגמן ו-RF ורנר. "קודים לתיקון שגיאות קוונטיים הקשורים לגרפים". פיזי. ר' א 65, 012308 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.65.012308

[8] A. Pirker, J. Wallnöfer, HJ Briegel, and W. Dür. "בניית משאבים אופטימליים לפרוטוקולים קוונטיים משורשרים". פיזי. ר' א 95, 062332 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.062332

[9] דמיאן מרקהאם ובארי סי סנדרס. "מצבי גרף לשיתוף סודות קוונטי". פיזי. ר' א 78, 042309 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.042309

[10] BA Bell, Damian Markham, DA Herrera-Martí, Anne Marin, WJ Wadsworth, JG Rarity, ו-MS Tame. "הדגמה נסיונית של שיתוף סוד קוונטי של מצב גרף". נאט. Commun. 5, 5480 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms6480

[11] M. Zwerger, W. Dür, and HJ Briegel. "חוזרים קוונטיים מבוססי מדידה". פיזי. ר' א 85, 062326 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.062326

[12] M. Zwerger, HJ Briegel, and W. Dür. "ספי שגיאה אוניברסליים ואופטימליים לטיהור הסתבכות מבוסס מדידה". פיזי. הכומר לט. 110, 260503 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.260503

[13] קוג'י אזומה, קיושי טמאקי והוי-קווונג לו. "חוזרים קוונטיים כל-פוטוניים". נאט. Commun. 6, 6787 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms7787

[14] J. Wallnöfer, M. Zwerger, C. Muschik, N. Sangouard, and W. Dür. "חוזרים קוונטיים דו מימדיים". פיזי. ר' א 94, 052307 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.052307

[15] נתן שטל ודמיאן מרקהאם. "מצבי גרף כמשאב למטרולוגיה קוונטית". פיזי. הכומר לט. 124, 110502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.110502

[16] מייקל א. נילסן. "חישוב קוונטי אופטי באמצעות מצבי אשכול". פיזי. הכומר לט. 93, 040503 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.93.040503

[17] דניאל אי בראון וטרי רודולף. "חישוב קוונטי ליניארי אופטי חסכוני במשאבים". פיזי. הכומר לט. 95, 010501 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.95.010501

[18] ג'רמי סי אדקוק, סם מורלי-שורט, ג'ושוע ו. סילברסטון ומארק ג'י תומפסון. "מגבלות קשות על יכולת הבחירה לאחר מצבי גרף אופטי". Quantum Sci. טכנול. 4, 015010 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / aae950

[19] הולגר פ. הופמן ושיגקי טאקוצ'י. "שער פאזה קוונטי עבור קיוביטים פוטוניים באמצעות מפצלי אלומה בלבד ו-postselection". פיזי. ר' א 66, 024308 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.024308

[20] TC Ralph, NK Langford, TB Bell ו-AG White. "שער אופטי לינארי מבוקר-NOT בבסיס צירוף המקרים". פיזי. ר' א 65, 062324 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.65.062324

[21] יינג לי, פיטר סי האמפריז, גבריאל ג'יי מנדוזה וסיימון סי בנג'מין. "עלויות משאבים עבור מחשוב קוונטי לינארי אופטי עמיד לתקלות". פיזי. Rev' ​​X 5, 041007 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.5.041007

[22] שמואל ל' בראונשטיין וא' מאן. "מדידה של מפעיל הפעמון וטלפורטציה קוונטית". פיזי. Rev. A 51, R1727–R1730 (1995).
https: / doi.org/â € ‹10.1103 / PhysRevA.51.R1727

[23] WP Grice. "השלמה באופן שרירותי מדידת מצב פעמון תוך שימוש רק באלמנטים אופטיים ליניאריים". פיזי. ר' א 84, 042331 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.84.042331

[24] פביאן אוורט ופיטר ואן לוק. "מדידת פעמון יעילה ב-$3/​4$ עם אופטיקה ליניארית פסיבית וסיבים לא מסובכים". פיזי. הכומר לט. 113, 140403 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.113.140403

[25] סונג-וו לי, קימין פארק, טימותי סי ראלף והיונסוק ג'ונג. "מדידת פעמון כמעט דטרמיניסטית עם הסתבכות מולטיפוטונים לעיבוד מידע קוונטי יעיל". פיזי. ר' א 92, 052324 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.92.052324

[26] סונג-וו לי, טימותי סי ראלף והיונסוק ג'ונג. "אבן בניין בסיסי עבור רשתות קוונטיות הניתנות להרחבה אופטית". פיזי. Rev. A 100, 052303 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052303

[27] Keisuke Fujii ו- Yuuki Tokunaga. "חישוב קוונטי חד כיווני טופולוגי סובלני לתקלות עם שערים הסתברותיים של שני קיוביט". פיזי. הכומר לט. 105, 250503 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.250503

[28] יינג לי, שון ד' בארט, תומס מ' סטייס וסימון סי בנג'מין. "חישוב קוונטי סובלני לתקלות עם שערים לא דטרמיניסטים". פיזי. הכומר לט. 105, 250502 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.250502

[29] ה. ג'ונג, MS Kim, וג'ינהיונג לי. "עיבוד מידע קוונטי עבור מצב סופרפוזיציה קוהרנטי באמצעות ערוץ קוהרנטי מעורבב". פיזי. ר' א 64, 052308 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.052308

[30] ה. ג'ונג ומ.ס קים. "חישוב קוונטי יעיל באמצעות מצבים קוהרנטיים". פיזי. ר' א 65, 042305 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.65.042305

[31] Srikrishna Omkar, Yong Siah Teo, Hyunseok Jeong. "חישוב קוונטי חסכוני במשאבים טופולוגי סובלני תקלות עם הסתבכות היברידית של אור". פיזי. הכומר לט. 125, 060501 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.060501

[32] Srikrishna Omkar, YS Teo, Seung-Woo Lee, Hyunseok Jeong. "מחשוב קוונטי בעל סובלנות גבוהה לאובדן פוטון באמצעות קיוביטים היברידיים". פיזי. ר' א 103, 032602 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.032602

[33] Shuntaro Takeda, Takahiro Mizuta, Maria Fuwa, Peter Van Loock, Akira Furusawa. "טלפורטציה קוונטית דטרמיניסטית של סיביות קוונטיות פוטוניות על ידי טכניקה היברידית". טבע 500, 315–318 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature12366

[34] חוסיין א' זיידי ופיטר ואן לוק. "מנצח את חצי הגבול של אופטיקה ליניארית נטולת אנציליות של מדידות פעמון". פיזי. הכומר לט. 110, 260501 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.260501

[35] Seok-Hyung Lee, Srikrishna Omkar, Yong Siah Teo, Hyunseok Jeong. "מחשוב קוונטי מבוסס קידוד זוגיות עם מעקב שגיאות בייסיאני". npj Quantum Inf. 9, 39 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-023-00705-9

[36] ג'רלד גילברט, מייקל המריק, ויעקב ש' וינשטיין. "בנייה יעילה של צבירים קוונטיים-חישוביים פוטוניים". פיזי. ר' א 73, 064303 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.73.064303

[37] קונרד קילינג, דיוויד גרוס וג'נס אייזרט. "משאבים מינימליים עבור מחשוב אופטי ליניארי חד כיווני". J. Opt. Soc. אמ. ב 24, 184–188 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1364 / JOSAB.24.000184

[38] מארטן ואן דן נסט, ג'רואן דהאן ובארט דה מור. "תיאור גרפי של הפעולה של טרנספורמציות מקומיות של קליפורד על מצבי גרף". פיזי. ר' א 69, 022316 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.69.022316

[39] Srikrishna Omkar, Seok-Hyung Lee, Yong Siah Teo, Seung-Woo Lee, Hyunseok Jeong. "ארכיטקטורה כל-פוטונית עבור מחשוב קוונטי ניתן להרחבה עם מצבי גרינברגר-הורן-זיילינגר". PRX Quantum 3, 030309 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.030309

[40] מייקל ורנבה, דניאל אי. בראון וטרי רודולף. "סובלנות לאובדן בחישוב קוונטי חד כיווני באמצעות תיקון שגיאות נגד עובדתיות". פיזי. הכומר לט. 97, 120501 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.97.120501

[41] N. Lütkenhaus, J. Calsamiglia, and K.-A. Suominen. "מדידות פעמונים לטלפורטציה". פיזי. Rev. A 59, 3295–3300 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.59.3295

[42] מייקל ורנבה, דניאל אי. בראון וטרי רודולף. "כמה טובים צריכים להיות מקורות פוטון בודדים וגלאים עבור חישוב קוונטי אופטי ליניארי יעיל?". פיזי. הכומר לט. 100, 060502 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.060502

[43] C. Schön, E. Solano, F. Verstraete, JI Cirac, ו-MM Wolf. "דור רציף של מצבי מולטיקווביט מסובכים". פיזי. הכומר לט. 95, 110503 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.95.110503

[44] נתנאל ה' לינדנר וטרי רודולף. "הצעה למקורות פועמים לפי דרישה של מחרוזות מצב אשכול פוטוניים". פיזי. הכומר לט. 103, 113602 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.113602

[45] I. Schwartz, D. Cogan, ER Schmidgall, Y. Don, L. Gantz, O. Kenneth, NH Lindner, and D. Gershoni. "יצירה דטרמיניסטית של מצב צביר של פוטונים מסובכים". מדע 354, 434–437 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aah4758

[46] Shuntaro Takeda, Kan Takase, ו-Akira Furusawa. "סינתיסייזר להסתבכות פוטוניים לפי דרישה". Science Advances 5, eaaw4530 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw4530

[47] פיליפ תומאס, לאונרדו רוסיו, אוליבייה מורין וגרהרד רמפה. "יצירה יעילה של מצבי גרף רב-פוטונים סבוכים מאטום בודד". טבע 608, 677–681 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-04987-5

[48] ג'ון וו. מון וליאו מוזר. "על קליקות בגרפים". ישר. J. Math. 3, 23–28 (1965).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02760024

[49] יוג'ין ל. לולר, יאן קארל לנסטרה ו-AHG Rinnoy Kan. "יצירת כל הקבוצות העצמאיות המקסימליות: אלגוריתמים של NP-קשיות ואלגוריתמים של זמן פולינומי". SIAM J. Comput. 9, 558–565 (1980).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 0209042

[50] שוג'י צוקיאמה, מיקיו איד, הירומו אריושי ואיסאו שיראקאווה. "אלגוריתם חדש להפקת כל הסטים העצמאיים המקסימליים". SIAM J. Comput. 6, 505–517 (1977).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 0206036

[51] גאבור צ'ארדי ותמאס נפוש. "חבילת התוכנה igraph לחקר רשתות מורכבות". InterJournal Complex Systems, 1695 (2006). כתובת אתר: https://igraph.org.
https://igraph.org

[52] דיוויד אפשטיין, מרטן לופלר ודארן סטראש. "רישום כל הקליקים המקסימליים בגרפים דלילים בזמן כמעט אופטימלי". בסימפוזיון בינלאומי על אלגוריתמים וחישובים. עמודים 403–414. ספרינגר (2010).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1006.5440

[53] אריק א. הגברג, דניאל א. שולט, ופיטר ג'יי סוורט. "חקירת מבנה הרשת, הדינמיקה והתפקוד באמצעות NetworkX". ב-Gäel Varoquaux, Travis Vaught, וג'רוד מילמן, עורכים, Proceedings of the 7th Python in Science Conference (SciPy2008). עמודים 11–15. פסדינה, קליפורניה ארה"ב (2008). כתובת אתר: https://www.osti.gov/biblio/960616.
https:/​/​www.osti.gov/​biblio/​960616

[54] צבי גליל. "אלגוריתמים יעילים למציאת התאמה מקסימלית בגרפים". ACM Comput. Surv. 18, 23–38 (1986).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 6462.6502

[55] פול ארדס ואלפרד רני. "על גרפים אקראיים I". Publicationes mathematicae 6, 290–297 (1959).
https://doi.org/​10.5486/​PMD.1959.6.3-4.12

[56] TC Ralph, AJF Hayes ואלכסיי גילכריסט. "קיוביטים אופטיים עמידים לאובדן". פיזי. הכומר לט. 95, 100501 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.95.100501

[57] שון ד' בארט ותומס מ' סטייס. "חישוב קוונטי סובלני לתקלות עם סף גבוה מאוד לשגיאות אובדן". פיזי. הכומר לט. 105, 200502 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.200502

[58] ג'יימס מ' אוגר, חוסיין אנואר, מרסדס גימנו-סגוביה, תומאס מ' סטייס ודן אי בראון. "חישוב קוונטי סובלני לתקלות עם שערים מסתבכים לא דטרמיניסטים". פיזי. ר' א 97, 030301 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.030301

[59] GB Arfken, HJ Weber ו-FE Harris. "שיטות מתמטיות לפיזיקאים: מדריך מקיף". Elsevier Science. (2011). כתובת אתר: https://​/​books.google.co.kr/​books?id=JOpHkJF-qcwC.
https://​/​books.google.co.kr/​books?id=JOpHkJF-qcwC

[60] מארטן ואן דן נסט, ג'רואן דהאן ובארט דה מור. "אלגוריתם יעיל לזהות את השקילות הקליפורד המקומית של מצבי גרף". פיזי. ר' א 70, 034302 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.034302

[61] אקסל דאלברג וסטפני ווהנר. "המרת מצבי גרף באמצעות פעולות קיוביט בודדות". פילוס. טי רוי. Soc. א 376, 20170325 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rsta.2017.0325

[62] M. Hein, J. Eisert, and HJ Briegel. "הסתבכות מרובת מפלגות במצבי גרף". פיזי. ר' א 69, 062311 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.69.062311

מצוטט על ידי

[1] ברנדן פנקוביץ', אלכס נוויל, אנגוס קאן, סריקרישנה אומקר, קוווק הו וואן וקמיל בראדלר, "דור מדינה סבוך גמיש באופטיקה ליניארית", arXiv: 2310.06832, (2023).

הציטוטים לעיל הם מ- מודעות SAO / NASA (עודכן לאחרונה בהצלחה 2023-12-20 14:43:35). 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 2023-12-20 14:43:34: לא ניתן היה להביא נתונים שהובאו עבור 10.22331 / q-2023-12-20-1212 מקרוסרף. זה נורמלי אם ה- DOI נרשם לאחרונה.

בול זמן:

עוד מ יומן קוונטים