קרב הקיוביטים הנקיים והמלוכלכים בעידן תיקון השגיאות החלקי

קרב הקיוביטים הנקיים והמלוכלכים בעידן תיקון השגיאות החלקי

דניאל בולטריני1,2, שמשון וואנג1,3, פיוטר צ'ארניק1,4, מקס האנטר גורדון1,5, מ 'סרזו6,7, פטריק ג'יי קולס1,7, ולוקאש צ'ינסיו1,7

1החטיבה התיאורטית, המעבדה הלאומית לוס אלמוס, לוס אלמוס, NM 87545, ארה"ב
2Theoretische Chemie, Physikalisch-Chemisches Institut, Universität Heidelberg, INF 229, D-69120 Heidelberg, Germany
3אימפריאל קולג' לונדון, לונדון, בריטניה
4המכון לפיזיקה תיאורטית, אוניברסיטת Jagiellonian, קרקוב, פולין.
5Instituto de Física Teórica, UAM/CSIC, Universidad Autónoma de Madrid, מדריד 28049, ספרד
6מדעי המידע, המעבדה הלאומית של לוס אלמוס, לוס אלמוס, NM 87545, ארה"ב
7Quantum Science Center, Oak Ridge, TN 37931, ארה"ב

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

תַקצִיר

כאשר תיקון שגיאות יתאפשר יהיה צורך להקדיש מספר רב של קיוביטים פיזיים לכל קיוביט לוגי. תיקון שגיאות מאפשר להפעיל מעגלים עמוקים יותר, אך כל קיוביט פיזי נוסף יכול לתרום פוטנציאל לגידול אקספוננציאלי במרחב החישובי, כך שקיים פשרה בין שימוש בקיוביטים לתיקון שגיאות או שימוש בהם כקיוביטים רועשים. בעבודה זו אנו מסתכלים על ההשפעות של שימוש בקיוביטים רועשים בשילוב עם קיוביטים חסרי רעש (מודל אידאלי לקיוביטים מתוקנים בשגיאות), שאנו מכנים את ההגדרה "נקי ומלוכלך". אנו משתמשים במודלים אנליטיים וסימולציות מספריות כדי לאפיין מערך זה. מבחינה מספרית אנו מראים את המראה של רמות עקרה המושרות על ידי רעש (NIBPs), כלומר, ריכוז אקספוננציאלי של נצפים הנגרם על ידי רעש, במעגל אנזזז וריאציוני של דגם Ising. אנו רואים זאת גם אם רק קיוביט בודד רועש וניתן לו מעגל עמוק מספיק, דבר המצביע על כך שלא ניתן להתגבר על NIBPs באופן מלא פשוט על ידי תיקון שגיאות של תת-קבוצה של הקיוביטים. בצד החיובי, אנו מוצאים שלכל קיוביט חסר רעש במעגל, יש דיכוי מעריכי בריכוז של נקודות צפייה בשיפוע, המראה את היתרון של תיקון שגיאות חלקי. לבסוף, המודלים האנליטיים שלנו מאששים את הממצאים הללו על ידי כך שהם מראים שהנתונים הניתנים לצפייה מתרכזים עם קנה מידה במעריך הקשור ליחס בין קיוביטים מלוכלכים לסך הכל.

בעתיד עם מחשבים קוונטיים עמידי תקלות, ייפתח עולם חדש של אלגוריתמים קוונטיים שעשוי להציע יתרון על פני אלגוריתמים קלאסיים רבים. זה לא יבוא בלי הקרבה מסוימת - מספר הקיוביטים הנדרשים לקידוד קיוביט מתוקן (או לוגי) של שגיאה יהיה גדול. הוספת קיוביט בודד למערכת מכפילה את שטח החישוב הזמין של המכונה, אז במאמר זה אנו שואלים את השאלה: האם ניתן לשלב קיוביטים מתוקנים עם קיוביטים פיזיים? מכיוון שרעש מפריע מאוד לאלגוריתמים קוונטיים, אולי שילוב היתרונות של תיקון שגיאות עם המרחב הנוסף של הילברט שמעניק קיוביטים פיזיים שאינם מתוקנים שגיאות עשוי להיות מועיל עבור מחלקות מסוימות של אלגוריתמים. אנו ניגשים לשאלה זו באמצעות קירוב שבו קיוביטים חסרי רעש תופסים את מקומם של קיוביטים מתוקנים בשגיאה, שאנו קוראים להם נקיים; והם מחוברים לקיוביטים פיזיים רועשים, שאנו קוראים להם מלוכלכים. אנו מראים בצורה אנליטית ומספרית ששגיאות במדידת ערכי תוחלת מדוכאות אקספוננציאלית עבור כל קיוביט רועש שמוחלף בקיוביט נקי, וכי התנהגות זו עוקבת מקרוב אחר מה שהמכונה הייתה עושה לו היית מפחית את שיעור השגיאות של מכונה רועשת אחידה ביחס של קיוביטים מלוכלכים לסך כל הקיוביטים.

► נתוני BibTeX

► הפניות

[1] ריצ'רד פ. פיינמן. "הדמיית פיזיקה עם מחשבים". International Journal of Theoretical Physics 21, 467–488 (1982).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02650179

[2] Laird Egan, Dripto M Debroy, Crystal Noel, Andrew Risinger, Daiwei Zhu, Debopriyo Biswas, Michael Newman, Muyuan Li, Kenneth R Brown, Marko Cetina, et al. "שליטה סובלנית לתקלות של קיוביט מתוקן שגיאות". טבע 598, 281–286 (2021).
https: / doi.org/â € ‹10.1038 / s41586-021-03928-y

[3] פיטר וו שור. "אלגוריתמים לחישוב קוונטי: לוגריתמים נפרדים ופירוק פקטור". ב-Proceedings סימפוזיון שנתי 35 על יסודות מדעי המחשב. עמודים 124–134. Ieee (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

[4] ארם וו הארו, אבינתן חסידים וסת לויד. "אלגוריתם קוונטי למערכות ליניאריות של משוואות". מכתבי סקירה פיזית 103, 150502 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[5] ג'ון פרסקיל. "מחשוב קוונטי בעידן NISQ ומעבר לו". Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[6] מ. סרזו, אנדרו אראסמית', ריאן באבוש, סיימון סי בנג'מין, סוגורו אנדו, קייסוקה פוג'י, ג'רוד אר מקלין, קוסוקה מיטראי, שיאו יואן, לוקאש צ'ינסיו ופטריק ג'יי קולס. "אלגוריתמים קוונטיים וריאציוניים". Nature Reviews Physics 3, 625–644 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9

[7] Kishor Bharti, Alba Cervera-Lierta, Thi Ha Kyaw, Tobias Haug, Sumner Alperin-Lea, Abhinav Anand, Matthias Degroote, Hermanni Heimonen, Jakob S Kottmann, Tim Menke, et al. "אלגוריתמים קוונטיים רועשים בקנה מידה בינוני". ביקורות על פיזיקה מודרנית 94, 015004 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.94.015004

[8] ג'ייקוב ביאמונטה, פיטר וויטק, ניקולה פנקוטי, פטריק רבנטרוסט, נתן ווייב וסת' לויד. "למידת מכונה קוונטית". טבע 549, 195–202 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23474

[9] מייקל א. נילסן ואייזק ל. צ'ואנג. "חישוב קוונטי ומידע קוונטי". הוצאת אוניברסיטת קיימברידג'. קיימברידג' (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[10] דורית אהרונוב, מייקל בן אור, ראסל אימפגליאצ'ו ונועם ניסן. "מגבלות של חישוב הפיך רועש" (1996). כתובת אתר: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189

[11] מיכאל בן אור, דניאל גוטסמן ואבינתן חסידים. "מקרר קוונטי" (2013). כתובת אתר: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1301.1995.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1301.1995

[12] דניאל סטילק פרנסה וראול גרסיה-פטרון. "מגבלות של אלגוריתמי אופטימיזציה במכשירים קוונטיים רועשים". טבע פיזיקה 17, 1221–1227 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-021-01356-3

[13] סמסון וואנג, אנריקו פונטנה, מ. סרזו, קונאל שארמה, אקירה סונה, לוקאש צ'ינסיו ופטריק ג'יי קולס. "רמות עקרה הנגרמות על ידי רעש באלגוריתמים קוונטיים וריאציות". תקשורת טבע 12, 1–11 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[14] ג'רוד אר מקלין, סרג'יו בוישו, ואדים נ' סמליאנסקי, ריאן בבוש והרטמוט נבן. "רמות עקרות בנופי אימון ברשת עצבית קוונטית". תקשורת טבע 9, 1–6 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-07090-4

[15] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cincio, פטריק ג'יי קולס. "רמות עקרה תלויות בתפקוד עלות במעגלים קוונטיים רדודים בפרמטרים". תקשורת טבע 12, 1–12 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-021-21728-w

[16] אנדרו אראסמית', זואי הולמס, מרקו סרזו ופטריק ג'יי קולס. "השקילות של רמות עקרה קוונטיות לריכוז עלות ונקיקים צרים". Quantum Science and Technology 7, 045015 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ac7d06

[17] אנדרו אראסמית', מ. סרזו, פיוטר צ'ארניק, לוקאש סינציו ופטריק ג'יי קולס. "השפעת רמות עקרה על אופטימיזציה נטולת שיפוע". Quantum 5, 558 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-05-558

[18] מ. סרזו ופטריק ג'יי קולס. "נגזרות מסדר גבוה יותר של רשתות עצביות קוונטיות עם רמות עקרה". Quantum Science and Technology 6, 035006 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / abf51a

[19] קרלוס אורטיז מררו, מאריה קיפרובה ונתן וויבה. "מישורים עקרים שנגרמו מהסתבכות". PRX Quantum 2, 040316 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040316

[20] מרטין לארוקה, פיוטר צ'ארניק, קונאל שארמה, גופיקרישנן מוראלדאראן, פטריק ג'יי קולס ומ. סרזו. "אבחון רמות עקרה עם כלים מבקרה אופטימלית קוונטית". Quantum 6, 824 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-09-29-824

[21] זואי הולמס, קונאל שארמה, מ. סרזו ופטריק ג'יי קולס. "חיבור של יכולת ביטוי אנזאצ'ית לגדלים שיפועים ורמות עקרה". PRX Quantum 3, 010313 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010313

[22] Supanut Thanasilp, Samson Wang, Nhat A Nghiem, Patrick J. Coles, and M. Cerezo. "דקויות ביכולת האימון של מודלים של למידת מכונות קוונטיות" (2021). כתובת אתר: https://​/​arxiv.org/​abs/​2110.14753.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s42484-023-00103-6
arXiv: 2110.14753

[23] סמסון וואנג, פיוטר צ'ארניק, אנדרו אראסמית', מ. סרזו, לוקאש סינציו ופטריק ג'יי קולס. "האם הפחתת שגיאות יכולה לשפר את יכולת האימון של אלגוריתמים קוונטיים וריאתיים רועשים?" (2021). כתובת אתר: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2109.01051.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2109.01051

[24] Ningping Cao, Junan Lin, David Kribs, Yiu-Tung Poon, Bei Zeng ו-Raymond Laflamme. "NISQ: תיקון שגיאות, הפחתת וסימולציית רעש" (2021). כתובת אתר: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2111.02345.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2111.02345

[25] אדם הולמס, מוחמד רזא ג'וקר, גאסם פסנדי, יונגשאן דינג, מסעוד פדרם ופרדריק ט צ'ונג. "NISQ+: הגברת כוח המחשוב הקוונטי על ידי תיקון שגיאות קוונטי בקירוב". בשנת 2020 ACM/​IEEE 47th Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA). עמודים 556–569. IEEE (2020). כתובת אתר: https://doi.org/​10.1109/​ISCA45697.2020.00053.
https://doi.org/​10.1109/​ISCA45697.2020.00053

[26] יאסונארי סוזוקי, Suguru Endo, Keisuke Fujii ו- Yuuki Tokunaga. "הפחתת שגיאות קוונטית כטכניקה אוניברסלית להפחתת שגיאות: יישומים מה-NISQ לעידן המחשוב הקוונטי עמיד לתקלות". PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010345

[27] עמנואל קניל וריימונד לאפלם. "כוח של פיסת מידע קוונטי אחד". Physical Review Letters 81, 5672 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.81.5672

[28] Keisuke Fujii, Hirotada Kobayashi, Tomoyuki Morimae, Harumichi Nishimura, Shuhei Tamate ו-Seiichiro Tani. "כוחו של חישוב קוונטי עם מעט קוויביטים נקיים". קולוקוויום בינלאומי 43 על אוטומטים, שפות ותכנות (ICALP 2016) 55, 13:1–13:14 (2016).
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.ICALP.2016.13

[29] Tomoyuki Morimae, Keisuke Fujii ו-Harumichi Nishimura. "כוח של קיוביט אחד לא נקי". סקירה פיזית א 95, 042336 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042336

[30] קרייג גידני. "פקטורינג עם n+2 קיוביטים נקיים ו-n-1 קיוביטים מלוכלכים" (2017). כתובת אתר: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1706.07884.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1706.07884

[31] Anirban N. Chowdhury, Rolando D. Somma, and Yiğit Subaşı. "מחיצת המחשוב פועלת במודל של קיוביט אחד נקי". סקירה פיזית A 103, 032422 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.032422

[32] Keisuke Fujii, Hirotada Kobayashi, Tomoyuki Morimae, Harumichi Nishimura, Shuhei Tamate ו-Seiichiro Tani. "חוסר אפשרות לדמות קלאסית של מודל קיוביט אחד נקי עם שגיאה מכפלת". מכתבי סקירה פיזית 120, 200502 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.200502

[33] ריימונד לאפלמה, סזאר מיקל, חואן פבלו פז, וויצ'ך הוברט זורק. "קוד תיקון שגיאות קוונטי מושלם". פיזי. הכומר לט. 77, 198–201 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.77.198

[34] דניאל גוטסמן. "מבוא לתיקון שגיאות קוונטי ולחישוב קוונטי סובלני לתקלות". מדע המידע הקוונטי ותרומתו למתמטיקה, Proceedings of Symposia in Applied Mathematics 63, 13–58 (2010).
https://doi.org/ 10.1090/psapm/068/2762145

[35] 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

[36] א יו קיטאיב. "חישובים קוונטיים: אלגוריתמים ותיקון שגיאות". Russian Mathematical Surveys 52, 1191 (1997).
https:/​/​doi.org/​10.1070/​RM1997v052n06ABEH002155

[37] כריס N Self, מרצ'לו בנדטי ודיוויד אמארו. "הגנה על מעגלים אקספרסיביים עם קוד זיהוי שגיאות קוונטי" (2022). כתובת אתר: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.06703.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.06703

[38] רולנדו ד סומה. "הערכת ערך עצמי קוונטי באמצעות ניתוח סדרות זמן". New Journal of Physics 21, 123025 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab5c60

[39] Vojtěch Havlíček, Antonio D Córcoles, Kristan Temme, Aram W Harrow, Abhinav Kandala, Jerry M Chow, and Jay M Gambetta. "למידה מפוקחת עם מרחבי תכונה משופרים קוונטיים". טבע 567, 209–212 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-0980-2

[40] אנדרו ג'י טאובה ורודני ג'יי בארטלט. "נקודות מבט חדשות על תיאוריית האשכולות המאוחדת". כתב העת הבינלאומי לכימיה קוונטית 106, 3393–3401 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qua.21198

[41] Sumeet Khatri, Ryan LaRose, Alexander Poremba, Lukasz Cincio, Andrew T Sornborger, פטריק ג'יי קולס. "הידור קוונטי בסיוע קוונטי". Quantum 3, 140 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-05-13-140

[42] קולין ג'יי טראוט, מויואן לי, מאוריסיו גוטיירז, יוקאי וו, שנג-טאו וואנג, לומינג דואן וקנת אר בראון. "הדמיית הביצועים של קוד משטח מרחק-3 במלכודת יונים ליניארית". New Journal of Physics 20, 043038 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aab341

[43] Lukasz Cincio, Yiğit Subaşı, Andrew T Sornborger ופטריק J Coles. "לימוד האלגוריתם הקוונטי לחפיפת מצבים". New Journal of Physics 20, 113022 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aae94a

[44] אדוארד פרחי, ג'פרי גולדסטון וסם גוטמן. "אלגוריתם אופטימיזציה קוונטי משוער" (2014). כתובת אתר: https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1411.4028.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1411.4028

[45] סטיוארט הדפילד, Zhihui Wang, בריאן או'גורמן, אלינור G Rieffel, Davide Venturelli, ו-Rupak Biswas. "מאלגוריתם האופטימיזציה הקוונטי המשוער לאופרטור מתחלף קוונטי". אלגוריתמים 12, 34 (2019).
https: / / doi.org/ 10.3390 / a12020034

[46] מריה שולד, ויל ברגהולם, כריסטיאן גוגולין, ג'וש איזאק ונתן קילורן. "הערכת גרדיאנטים אנליטיים על חומרה קוונטית". Physical Review A 99, 032331 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032331

[47] לוקאש סינציו, קנת רודינגר, מוהן סרובאר ופטריק ג'יי קולס. "למידה מכונה של מעגלים קוונטיים חסיני רעש". PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[48] Ryuji Takagi, Suguru Endo, Shintaro Minagawa, ומיל גו. "גבולות היסוד של הפחתת שגיאות קוונטיות". npj Quantum Information 8, 114 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-022-00618-z

[49] סרגיי דנילין, ניקולס נוג'נט ומרטין ויידס. "חישה קוונטית עם קיוביטים מוליכי-על הניתנים לכוונון: אופטימיזציה והאצה" (2022). כתובת אתר: https://​/​arxiv.org/​abs/​2211.08344.
arXiv: 2211.08344

[50] ניקולאי לאוק, ניל סינקלייר, שביר ברזנג'ה, ג'ייקוב פי קובי, מארק ספמן, מריה ספירופולו וכריסטוף סיימון. "פרספקטיבות על התמרה קוונטית". Quantum Science and Technology 5, 020501 (2020).
https://doi.org/ 10.1088/2058-9565/ab788a

[51] ברנהרד באומגרטנר. "אי שוויון לעקבות תוצרי מטריצה, תוך שימוש בערכים מוחלטים" (2011). כתובת אתר: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189

מצוטט על ידי

[1] מיקל גרסיה-דה-אנדואן, אלווארו סאיז, פדרו פרז-פרננדס, לוקאס לאמטה, איזסקון אורג'י ומיקל סאנז, "חישוב קוונטי דיגיטלי-אנלוגי עם המילטון שרירותיים בשני גופים", arXiv: 2307.00966, (2023).

[2] עבדאללה אש סאקי, אמארה קטאבארווה, סלוניק רש וג'ורג' אומברסקו, "בדיקת השערות למיתון שגיאות: כיצד להעריך הפחתת שגיאות", arXiv: 2301.02690, (2023).

[3] פטריק ג'יי קולס, קולין שצ'פנסקי, דניס מלנסון, קילן דונטלה, אנטוניו ג'יי מרטינז ופאריס סבאהי, "בינה מלאכותית תרמודינמית וגבול התנודות", arXiv: 2302.06584, (2023).

[4] M. Cerezo, Guillaume Verdon, Hsin-Yuan Huang, Lukasz Cincio, ו Patrick J. Coles, "אתגרים והזדמנויות בלמידת מכונות קוונטיות", arXiv: 2303.09491, (2023).

[5] ניקולאוס קוקולקידיס, סמסון וואנג, טום או'לירי, דניאל בולטריני, לוקאש צ'ינסיו ופיוטר צ'ארניק, "מסגרת של תיקון שגיאות חלקי עבור מחשבים קוונטיים בקנה מידה בינוני", arXiv: 2306.15531, (2023).

הציטוטים לעיל הם מ- מודעות SAO / NASA (עודכן לאחרונה בהצלחה 2023-07-13 15:21:51). 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 2023-07-13 15:21:50: לא ניתן היה להביא נתונים שהובאו עבור 10.22331 / q-2023-07-13-1060 מקרוסרף. זה נורמלי אם ה- DOI נרשם לאחרונה.

בול זמן:

עוד מ יומן קוונטים