Synergetische kwantumfoutbeperking door gerandomiseerde compilatie en nul-ruis-extrapolatie voor de variatiekwantum-eigensolver

Synergetische kwantumfoutbeperking door gerandomiseerde compilatie en nul-ruis-extrapolatie voor de variatiekwantum-eigensolver

Tijdstempel: 20 november 2023 8:49 uur

Tomochika Kurita1, Hammam Qassim2, Masatoshi Ishii1, Hirotaka Oshima1, Shintaro Sato1en Joseph Emerson2

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

Vind je dit artikel interessant of wil je het bespreken? Scite of laat een reactie achter op SciRate.

Abstract

We stellen een strategie voor het beperken van kwantumfouten voor voor het variatie-kwantum-eigensolver-algoritme (VQE). Via numerieke simulatie ontdekken we dat zeer kleine hoeveelheden coherente ruis in VQE substantieel grote fouten kunnen veroorzaken die moeilijk te onderdrukken zijn met conventionele mitigatiemethoden, en toch is onze voorgestelde mitigatiestrategie in staat deze fouten aanzienlijk te verminderen. De voorgestelde strategie is een combinatie van eerder gerapporteerde technieken, namelijk gerandomiseerde compilatie (RC) en zero-noise extrapolatie (ZNE). Intuรฏtief verandert gerandomiseerd compileren coherente fouten in het circuit in stochastische Pauli-fouten, wat extrapolatie naar de nul-ruislimiet vergemakkelijkt bij het evalueren van de kostenfunctie. Onze numerieke simulatie van VQE voor kleine moleculen laat zien dat de voorgestelde strategie energiefouten veroorzaakt door verschillende soorten coherente ruis tot twee ordes van grootte kan verminderen.

Synergetische kwantumfoutbeperking door gerandomiseerde compilatie en nul-ruis-extrapolatie voor de variatiekwantum-eigensolver PlatoBlockchain Data Intelligence. Verticaal zoeken. Ai.

Populaire samenvatting

Wanneer we kwantumberekeningen uitvoeren, is het van cruciaal belang om rekenfouten veroorzaakt door hardwareruis tot een minimum te beperken. Voor luidruchtige middenschaal kwantumhardware (NISQ) kunnen kwantumfoutbeperkingstechnieken worden gebruikt om dergelijke fouten te verminderen. Het aanpakken van coherente ruis blijft echter een aanzienlijke uitdaging bij het beperken van fouten vanwege twee redenen: (i) zelfs een kleine hoeveelheid coherente ruis kan resulteren in aanzienlijke rekenfouten, en (ii) deze fouten zijn moeilijk te beperken met behulp van bestaande technieken.
In dit werk stellen we een foutbeperkende techniek voor die op effectieve wijze fouten vermindert die worden veroorzaakt door coherente ruis. Deze techniek maakt gebruik van het synergetische effect van gerandomiseerde compilatie (RC) en zero-noise extrapolatie (ZNE). RC zet coherente ruis om in stochastische Pauli-ruis, die effectief kan worden verzacht met behulp van ZNE. Onze numerieke simulaties van variatie-kwantum-eigensolver-algoritmen tonen aan dat onze voorgestelde mitigatietechniek een aanzienlijk foutonderdrukkend effect vertoont op coherente ruis.

โ–บ BibTeX-gegevens

โ–บ Referenties

[1] Sam McArdle, Suguru Endo, Alรกn Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin en Xiao Yuan. "Kwantumcomputationele chemie". Recensies van Moderne Natuurkunde 92, 015003 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003

[2] Hari Paudel, Madhava Syamlal, Scott E Crawford, Yueh-Lin Lee, Roman A Shugayev, Ping Lu, Paul R Ohodnicki, Darren Mollot en Yuhua Duan. "Kwantumcomputing en simulaties voor energietoepassingen: overzicht en perspectief". ACS Engineering 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 en Jeannette M Garcia. "Kwantumberekening van dominante producten in lithium-zwavelbatterijen". The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068

[4] Austin G Fowler, Matteo Mariantoni, John M Martinis en Andrew N Cleland. "Oppervlaktecodes: op weg naar praktische grootschalige kwantumberekeningen". Fysieke beoordeling 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 en Jeremy L O'brien. "Een variatie-eigenwaarde-oplosser op een fotonische kwantumprocessor". Natuurcommunicatie 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[6] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush en Alan Aspuru-Guzik. "De theorie van variatiehybride kwantum-klassieke algoritmen". New Journal of Physics 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, et al. "Schaalbare kwantumsimulatie van moleculaire energieรซn". Fysieke beoordeling 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 en Jay M Gambetta. "Hardware-efficiรซnte variatiekwantum eigensolver voor kleine moleculen en kwantummagneten". Natuur 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 en Irfan Siddiqi. โ€˜Berekening van moleculaire spectra op een kwantumprocessor met een foutbestendig algoritmeโ€™. Fysieke beoordeling 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 en Jay M Gambetta. "Foutbeperking vergroot het rekenbereik van een luidruchtige kwantumprocessor". Natuur 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 en Kihwan Kim. "Kwantumimplementatie van de unitair gekoppelde cluster voor het simuleren van de moleculaire elektronische structuur". Fysieke beoordeling 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. "Ground-state energieschatting van het watermolecuul op een kwantumcomputer met gevangen ionen". npj Quantuminformatie 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 en Hartmut Neven. "Onvruchtbare plateaus in trainingslandschappen voor kwantumneurale netwerken". Natuurcommunicatie 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, et al. "De Variationele Quantum Eigensolver: een overzicht van methoden en best practices". Natuurkunderapporten 986, 1โ€“128 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.08.003

[15] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin en Xiao Yuan. "Hybride kwantum-klassieke algoritmen en kwantumfoutbeperking". Tijdschrift van de Physical Society of Japan 90, 032001 (2021).
https: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001

[16] Ying Li en Simon C Benjamin. "Efficiรซnte Variationele Quantum Simulator met actieve foutminimalisatie". Fysieke beoordeling X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[17] Kristan Temme, Sergey Bravyi en Jay M Gambetta. "Foutbeperking voor kwantumcircuits met korte diepte". Fysieke beoordelingsbrieven 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[18] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A de Jong en Christian W Bauer. "Extrapolatie zonder ruis voor het beperken van kwantumpoortfouten met identiteitsinvoegingen". Fysieke beoordeling 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 en Kihwan Kim. "Foutgematigde kwantumpoorten die de fysieke betrouwbaarheid in een gevangen-ionsysteem overschrijden". Natuurcommunicatie 11, 587 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[20] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter en Wibe A De Jong. "Hybride kwantum-klassieke hiรซrarchie voor het verminderen van decoherentie en bepaling van aangeslagen toestanden". Fysieke beoordeling A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[21] Joel J Wallman en Joseph Emerson. "Ruisafstemming voor schaalbare kwantumberekeningen via gerandomiseerde compilatie". Fysieke beoordeling 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, et al. "Gerandomiseerde compilatie voor schaalbare kwantumcomputers op een luidruchtige supergeleidende kwantumprocessor". Fysieke beoordeling 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, et al. "Gebruik maken van gerandomiseerde compilatie voor het quantum imaginaire-tijd-evolutie-algoritme". Fysisch beoordelingsonderzoek 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 en Abhinav Kandala. "Schaalbare foutbeperking voor luidruchtige kwantumcircuits levert concurrerende verwachtingswaarden op". Natuurfysica 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 en Ying Li. "Kwantumberekening met universele foutbeperking op een supergeleidende kwantumprocessor". De wetenschap gaat vooruit 5, eaaw5686 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[26] Matthew Ware, Guilhem Ribeill, Diego Riste, Colm A Ryan, Blake Johnson en Marcus P Da Silva. "Experimentele Pauli-frame-randomisatie op een supergeleidende qubit". Fysieke beoordeling 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 en Joel J Wallman. โ€œHet efficiรซnt verbeteren van de prestaties van luidruchtige kwantumcomputersโ€ (2022). arXiv:2201.10672.
arXiv: 2201.10672

[28] Nick S Blunt, Laura Caune, Rรณbert Izsรกk, Earl T Campbell en Nicole Holzmann. โ€œStatistische faseschatting en foutbeperking op een supergeleidende kwantumprocessorโ€ (2023). arXiv:2304.05126.
arXiv: 2304.05126

[29] Samson Wang, Enrico Fontana, Marco Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio en Patrick J Coles. โ€˜Door lawaai veroorzaakte kale plateaus in variatiekwantumalgoritmenโ€™. Natuurcommunicatie 12, 6961 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41467-021-27045-6

[30] Michael A Nielsen en Isaac Chuang. "Kwantumcomputer en kwantuminformatie". Cambridge University Press. (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, et al. "Evaluatie van het bewijs voor exponentieel kwantumvoordeel in de kwantumchemie in de grondtoestand". Natuurcommunicatie 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 en Jhonathan Romero. "Metingen als wegversperring naar praktisch kwantumvoordeel op korte termijn in de chemie: hulpbronnenanalyse". Fysisch beoordelingsonderzoek 4, 033154 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033154

[33] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell en Stephen Brierley. "Efficiรซnte kwantummeting van Pauli-operators in aanwezigheid van eindige bemonsteringsfout". Kwantum 5, 385 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2021-01-20-385

[34] Tomochika Kurita, Mikio Morita, Hirotaka Oshima en Shintaro Sato. "Pauli String Partitioning Algorithm met het Ising-model voor gelijktijdige metingen". Het Journal of Physical Chemistry 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, et al. โ€œTrue-Q-software. Keysight-technologieรซnโ€. 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, et al. โ€œSciPy 1.0: fundamentele algoritmen voor wetenschappelijk computergebruik in Pythonโ€. Natuurmethoden 17, 261โ€“272 (2020).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41592-019-0686-2

[37] Michaรซl JD Powell. "Het BOBYQA-algoritme voor gebonden beperkte optimalisatie zonder afgeleiden". Technisch rapport. Universiteit van 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/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 Hรคner, Vojtฤ•ch Havlรญฤek, Zhang Jiang, Matthew Neeley, et al. "OpenFermion: het elektronische structuurpakket voor kwantumcomputers" (2017). arXiv:1710.07629.
arXiv: 1710.07629

[39] Ewout van den Berg, Zlatko K Minev, Abhinav Kandala en Kristan Temme. "Probabilistische foutannulering met schaarse Pauli-Lindblad-modellen op luidruchtige kwantumprocessors". Natuurfysica 19, 1116โ€“1121 (2023).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41567-023-02042-2

Geciteerd door

[1] Ritajit Majumdar, Pedro Rivero, Friederike Metz, Areeq Hasan en Derek S Wang, "Beste praktijken voor het beperken van kwantumfouten met digitale nul-ruis-extrapolatie", arXiv: 2307.05203, (2023).

[2] Arnaud Carignan-Dugas, Shashank Kumar Ranu en Patrick Dreher, "Coherente bijdragen aan het foutenprofiel schatten met behulp van cyclusfoutreconstructie", arXiv: 2303.09945, (2023).

[3] Hugo Perrin, Thibault Scoquart, Alexander Shnirman, Jรถrg Schmalian en Kyrylo Snizhko, "Overspraakfouten beperken door gerandomiseerde compilatie: simulatie van het BCS-model op een supergeleidende kwantumcomputer", arXiv: 2305.02345, (2023).

[4] ChangWon Lee en Daniel K. Park, "Schaalbare beperking van kwantummeetfouten via voorwaardelijke onafhankelijkheid en transfer learning", arXiv: 2308.00320, (2023).

Bovenstaande citaten zijn afkomstig van SAO / NASA ADS (laatst bijgewerkt met succes 2023-11-20 13:58:16). De lijst is mogelijk onvolledig omdat niet alle uitgevers geschikte en volledige citatiegegevens verstrekken.

Kon niet ophalen Door Crossref geciteerde gegevens tijdens laatste poging 2023-11-20 13:58:14: kon niet geciteerde gegevens voor 10.22331 / q-2023-11-20-1184 niet ophalen van Crossref. Dit is normaal als de DOI recent is geregistreerd.

Dit artikel is gepubliceerd in Quantum onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationaal (CC BY 4.0) licentie. Het auteursrecht blijft berusten bij de oorspronkelijke houders van auteursrechten, zoals de auteurs of hun instellingen.

Tijdstempel:

Meer van Quantum Journaal