De strijd tussen schone en vuile qubits in het tijdperk van gedeeltelijke foutcorrectie

De strijd tussen schone en vuile qubits in het tijdperk van gedeeltelijke foutcorrectie

Daniรซl Bultrini1,2, Samson Wang1,3, Pjotr โ€‹โ€‹Czarnik1,4Max Hunter Gordon1,5, M. Cerezo6,7, Patrick J. Coles1,7en Lukasz Cincio1,7

1Theoretische afdeling, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, VS.
2Theoretische Chemie, Physikalisch-Chemisches Institut, Universitรคt Heidelberg, INF 229, D-69120 Heidelberg, Duitsland
3Imperial College Londen, Londen, Verenigd Koninkrijk
4Instituut voor Theoretische Fysica, Jagiellonische Universiteit, Krakau, Polen.
5Instituto de Fรญsica Teรณrica, UAM/CSIC, Universidad Autรณnoma de Madrid, Madrid 28049, Spanje
6Informatiewetenschappen, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, VS
7Quantum Science Center, Oak Ridge, TN 37931, VS

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

Abstract

Wanneer foutcorrectie mogelijk wordt, zal het nodig zijn om aan elke logische qubit een groot aantal fysieke qubits toe te wijzen. Door foutcorrectie kunnen diepere circuits worden uitgevoerd, maar elke extra fysieke qubit kan mogelijk bijdragen aan een exponentiรซle toename van de rekenruimte. Er is dus een afweging tussen het gebruik van qubits voor foutcorrectie of het gebruik ervan als qubits met veel ruis. In dit werk kijken we naar de effecten van het gebruik van luidruchtige qubits in combinatie met geruisloze qubits (een geรฏdealiseerd model voor foutgecorrigeerde qubits), die we de โ€˜schone en vuileโ€™ opstelling noemen. We gebruiken analytische modellen en numerieke simulaties om deze opstelling te karakteriseren. Numeriek laten we het verschijnen zien van Noise-Induced Barren Plateaus (NIBP's), dwz een exponentiรซle concentratie van waarneembare waarden veroorzaakt door ruis, in een Hamiltoniaans variatie-ansatz-circuit van het Ising-model. We nemen dit waar, zelfs als slechts รฉรฉn enkele qubit ruis bevat en een circuit krijgt dat diep genoeg is, wat suggereert dat NIBP's niet volledig kunnen worden overwonnen door simpelweg een subset van de qubits te corrigeren. Aan de positieve kant zien we dat er voor elke ruisloze qubit in het circuit een exponentiรซle onderdrukking is in de concentratie van waarneembare gradiรซnten, wat het voordeel van gedeeltelijke foutcorrectie aantoont. Ten slotte bevestigen onze analytische modellen deze bevindingen door aan te tonen dat waarneembare gegevens zich concentreren met een schaalvergroting in de exponent die verband houdt met de verhouding tussen vuile en totale qubits.

In een toekomst met fouttolerante kwantumcomputers zal er een hele nieuwe wereld van kwantumalgoritmen opengaan die voordelen kunnen bieden ten opzichte van veel klassieke algoritmen. Dit zal niet zonder enige opoffering gebeuren: het aantal qubits dat nodig is om een โ€‹โ€‹foutgecorrigeerde (of logische) qubit te coderen zal groot zijn. Door รฉรฉn enkele qubit aan een systeem toe te voegen, wordt de beschikbare rekenruimte van de machine verdubbeld. Daarom stellen we in dit artikel de vraag: kun je foutgecorrigeerde qubits combineren met fysieke qubits? Omdat ruis kwantumalgoritmen enorm belemmert, kan het combineren van de voordelen van foutcorrectie met de extra Hilbert-ruimte die wordt geboden door niet-foutgecorrigeerde fysieke qubits misschien gunstig zijn voor sommige klassen van algoritmen. We benaderen deze vraag met behulp van een benadering waarbij ruisloze qubits de plaats innemen van foutgecorrigeerde qubits, die we schoon noemen; en ze zijn gekoppeld aan luidruchtige fysieke qubits, die we vies noemen. We laten analytisch en numeriek zien dat fouten bij het meten van verwachtingswaarden exponentieel worden onderdrukt voor elke qubit met ruis die wordt vervangen door een schone qubit, en dat dit gedrag nauw aansluit bij wat de machine zou doen als je het foutenpercentage van een machine met uniforme ruis had verlaagd. door de verhouding tussen vuile qubits en totale qubits.

โ–บ BibTeX-gegevens

โ–บ Referenties

[1] Richard P. Feynman. "Fysica simuleren met computers". International Journal of Theoretische Fysica 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. "Fouttolerante controle van een foutgecorrigeerde qubit". Natuur 598, 281โ€“286 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03928-y

[3] Peter W. Shor. โ€˜Algoritmen voor kwantumberekeningen: discrete logaritmen en factoringโ€™. In Proceedings 35e jaarlijkse symposium over de fundamenten van de informatica. Pagina's 124โ€“134. Ieee (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

[4] Aram W. Harrow, Avinatan Hassidim en Seth Lloyd. โ€˜Kwantumalgoritme voor lineaire stelsels vergelijkingenโ€™. Fysieke beoordelingsbrieven 103, 150502 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[5] John Prekill. "Quantum computing in het NISQ-tijdperk en daarna". Kwantum 2, 79 (2018).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2018-08-06-79

[6] M. Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan, Lukasz Cincio en Patrick J. Coles. "Variationele kwantumalgoritmen". Natuurrecensies Natuurkunde 3, 625โ€“644 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹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. "Noisy kwantumalgoritmen op middelmatige schaal". Recensies van Moderne Natuurkunde 94, 015004 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.94.015004

[8] Jacob Biamonte, Peter Wittek, Nicola Pancotti, Patrick Rebentrost, Nathan Wiebe en Seth Lloyd. "Kwantummachine learning". Natuur 549, 195-202 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23474

[9] Michael A. Nielsen en Isaac L. Chuang. "Kwantumberekening en kwantuminformatie". Cambridge University Press. Cambridge (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[10] Dorit Aharonov, Michael Ben-Or, Russell Impagliazzo en Noam Nisan. "Beperkingen van luidruchtige omkeerbare berekeningen" (1996). url: https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.1106.6189.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.1106.6189

[11] Michael Ben-Or, Daniel Gottesman en Avinatan Hassidim. "Quantumkoelkast" (2013). url: https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.1301.1995.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.1301.1995

[12] Daniel Stilck Franรงa en Raul Garcia-Patron. "Beperkingen van optimalisatie-algoritmen op luidruchtige kwantumapparaten". Natuurfysica 17, 1221-1227 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41567-021-01356-3

[13] Samson Wang, Enrico Fontana, M. Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio en Patrick J Coles. โ€˜Door lawaai veroorzaakte kale plateaus in variatiekwantumalgoritmenโ€™. Natuurcommunicatie 12, 1โ€“11 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41467-021-27045-6

[14] Jarrod R McClean, Sergio Boixo, Vadim N Smelyanskiy, Ryan Babbush en Hartmut Neven. "Onvruchtbare plateaus in trainingslandschappen voor kwantumneurale netwerken". Natuurcommunicatie 9, 1โ€“6 (2018).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41467-018-07090-4

[15] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cincio en Patrick J Coles. "Kostenfunctie-afhankelijke kale plateaus in ondiepe geparametriseerde kwantumcircuits". Natuurcommunicatie 12, 1โ€“12 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-021-21728-w

[16] Andrew Arrasmith, Zoรซ Holmes, Marco Cerezo en Patrick J Coles. "Gelijkwaardigheid van kwantumonvruchtbare plateaus met kostenconcentratie en smalle kloven". Kwantumwetenschap en technologie 7, 045015 (2022).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹2058-9565/โ€‹ac7d06

[17] Andrew Arrasmith, M. Cerezo, Piotr Czarnik, Lukasz Cincio en Patrick J Coles. "Effect van kale plateaus op gradiรซntvrije optimalisatie". Kwantum 5, 558 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2021-10-05-558

[18] M. Cerezo en Patrick J Coles. "Hogere orde derivaten van kwantumneurale netwerken met kale plateaus". Kwantumwetenschap en technologie 6, 035006 (2021).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹2058-9565/โ€‹abf51a

[19] Carlos Ortiz Marrero, Mรกria Kieferovรก en Nathan Wiebe. "Door verstrengeling veroorzaakte onvruchtbare plateaus". PRX Quantum 2, 040316 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040316

[20] Martin Larocca, Piotr Czarnik, Kunal Sharma, Gopikrishnan Muraleedharan, Patrick J. Coles en M. Cerezo. "Diagnose van onvruchtbare plateaus met hulpmiddelen van Quantum Optimal Control". Kwantum 6, 824 (2022).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2022-09-29-824

[21] Zoรซ Holmes, Kunal Sharma, M. Cerezo en Patrick J Coles. โ€˜Ansatz-expressibiliteit verbinden met gradiรซntgroottes en dorre plateausโ€™. PRX Quantum 3, 010313 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010313

[22] Supanut Thanasilp, Samson Wang, Nhat A Nghiem, Patrick J. Coles en M. Cerezo. โ€œSubtiliteiten in de trainbaarheid van quantum machine learning-modellenโ€ (2021). url: https://โ€‹/โ€‹arxiv.org/โ€‹abs/โ€‹2110.14753.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1007/โ€‹s42484-023-00103-6
arXiv: 2110.14753

[23] Samson Wang, Piotr Czarnik, Andrew Arrasmith, M. Cerezo, Lukasz Cincio en Patrick J Coles. โ€œKan foutbeperking de trainbaarheid van luidruchtige variatiekwantumalgoritmen verbeteren?โ€ (2021). url: https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.2109.01051.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.2109.01051

[24] Ningping Cao, Junan Lin, David Kribs, Yiu-Tung Poon, Bei Zeng en Raymond Laflamme. โ€œNISQ: Foutcorrectie, mitigatie en geluidssimulatieโ€ (2021). url: https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.2111.02345.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.2111.02345

[25] Adam Holmes, Mohammad Reza Jokar, Ghasem Pasandi, Yongshan Ding, Massoud Pedram en Frederic T Chong. "NISQ+: het vergroten van de kwantumcomputerkracht door het benaderen van kwantumfoutcorrectie". In 2020 ACM/โ€‹IEEE 47e jaarlijkse internationale symposium over computerarchitectuur (ISCA). Pagina's 556-569. IEEE (2020). url: https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1109/โ€‹ISCA45697.2020.00053.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/10.1109/โ€‹ISCA45697.2020.00053

[26] Yasunari Suzuki, Suguru Endo, Keisuke Fujii en Yuuki Tokunaga. "Kwantumfoutbeperking als een universele techniek voor foutreductie: toepassingen van de NISQ tot de fouttolerante kwantumcomputertijdperken". PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010345

[27] Emanuel Knill en Raymond Laflamme. "Kracht van รฉรฉn bit kwantuminformatie". Fysieke recensiebrieven 81, 5672 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.81.5672

[28] Keisuke Fujii, Hirotada Kobayashi, Tomoyuki Morimae, Harumichi Nishimura, Shuhei Tamate en Seiichiro Tani. "Kracht van kwantumcomputers met weinig schone Qubits". 43e Internationaal colloquium over automaten, talen en programmeren (ICALP 2016) 55, 13: 1โ€“13: 14 (2016).
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.ICALP.2016.13

[29] Tomoyuki Morimae, Keisuke Fujii en Harumichi Nishimura. "Kracht van รฉรฉn niet-schone qubit". Fysieke beoordeling A 95, 042336 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042336

[30] Craig Gidney. โ€œFactoring met n+2 schone qubits en n-1 vuile qubitsโ€ (2017). url: https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.1706.07884.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.1706.07884

[31] Anirban N. Chowdhury, Rolando D. Somma en YiฤŸit SubaลŸฤฑ. "Computingpartitiefuncties in het one-clean-qubit-model". Fysieke beoordeling A 103, 032422 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.032422

[32] Keisuke Fujii, Hirotada Kobayashi, Tomoyuki Morimae, Harumichi Nishimura, Shuhei Tamate en Seiichiro Tani. "Onmogelijkheid om op klassieke wijze een one-clean-qubit-model met multiplicatieve fouten te simuleren". Fysieke beoordelingsbrieven 120, 200502 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.200502

[33] Raymond Laflamme, Cesar Miquel, Juan Pablo Paz en Wojciech Hubert Zurek. "Perfecte kwantumfoutcorrectiecode". Fysiek. Eerwaarde Lett. 77, 198-201 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.77.198

[34] Daniรซl Gottesman. "Een inleiding tot kwantumfoutcorrectie en fouttolerante kwantumberekening". Kwantuminformatiewetenschap en haar bijdragen aan de wiskunde, Proceedings of Symposia in Applied Mathematics 63, 13โ€“58 (2010).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1090/โ€‹psapm/โ€‹068/โ€‹2762145

[35] Austin G. Fowler, Matteo Mariantoni, John M. Martinis en Andrew N. Cleland. "Surface codes: Op weg naar praktische grootschalige kwantumberekening". Fysieke beoordeling A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[36] Een Yu Kitaev. "Kwantumberekeningen: algoritmen en foutcorrectie". Russische wiskundige enquรชtes 52, 1191 (1997).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1070/โ€‹RM1997v052n06ABEH002155

[37] Chris N Self, Marcello Benedetti en David Amaro. โ€œExpressieve circuits beschermen met een kwantumfoutdetectiecodeโ€ (2022). url: https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.2211.06703.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.2211.06703

[38] Rolando D Somma. "Quantum eigenwaarde schatting via tijdreeksanalyse". New Journal of Physics 21, 123025 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹1367-2630/โ€‹ab5c60

[39] Vojtฤ›ch Havlรญฤek, Antonio D Cรณrcoles, Kristan Temme, Aram W Harrow, Abhinav Kandala, Jerry M Chow en Jay M Gambetta. "Leren onder toezicht met kwantumverbeterde featureruimtes". Natuur 567, 209โ€“212 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41586-019-0980-2

[40] Andrew G Taube en Rodney J Bartlett. "Nieuwe perspectieven op unitaire gekoppelde clustertheorie". Internationaal tijdschrift voor kwantumchemie 106, 3393โ€“3401 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qua.21198

[41] Sumeet Khatri, Ryan LaRose, Alexander Poremba, Lukasz Cincio, Andrew T Sornborger en Patrick J Coles. "Kwantumondersteunde kwantumcompilatie". Kwantum 3, 140 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2019-05-13-140

[42] Colin J Trout, Muyuan Li, Mauricio Gutiรฉrrez, Yukai Wu, Sheng-Tao Wang, Luming Duan en Kenneth R Brown. "Het simuleren van de prestaties van een oppervlaktecode op afstand 3 in een lineaire ionenval". Nieuw Journal of Physics 20, 043038 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aab341

[43] Lukasz Cincio, YiฤŸit SubaลŸฤฑ, Andrew T Sornborger en Patrick J Coles. "Het kwantumalgoritme leren voor staatsoverlap". Nieuw Journal of Physics 20, 113022 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aae94a

[44] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone en Sam Gutmann. "Een kwantum-bij benadering optimalisatie-algoritme" (2014). url: https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.1411.4028.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.1411.4028

[45] Stuart Hadfield, Zhihui Wang, Bryan O'Gorman, Eleanor G Rieffel, Davide Venturelli en Rupak Biswas. "Van het kwantum-bij benadering optimalisatie-algoritme tot een kwantum-alternerende operator ansatz". Algoritmen 12, 34 (2019).
https: / / doi.org/ 10.3390 / a12020034

[46] Maria Schuld, Ville Bergholm, Christian Gogolin, Josh Izaac en Nathan Killoran. "Evaluatie van analytische gradiรซnten op kwantumhardware". Fysieke beoordeling A 99, 032331 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032331

[47] Lukasz Cincio, Kenneth Rudinger, Mohan Sarovar en Patrick J. Coles. โ€œMachine learning van geluidsbestendige kwantumcircuitsโ€. PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[48] Ryuji Takagi, Suguru Endo, Shintaro Minagawa en Mile Gu. "Fundamentele grenzen van de beperking van kwantumfouten". npj Quantuminformatie 8, 114 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-022-00618-z

[49] Sergey Danilin, Nicholas Nugent en Martin Weides. โ€œKwantumdetectie met afstembare supergeleidende qubits: optimalisatie en versnellingโ€ (2022). url: https://โ€‹/โ€‹arxiv.org/โ€‹abs/โ€‹2211.08344.
arXiv: 2211.08344

[50] Nikolai Lauk, Neil Sinclair, Shabir Barzanjeh, Jacob P Covey, Mark Saffman, Maria Spiropulu en Christoph Simon. โ€œPerspectieven op kwantumtransductieโ€. Kwantumwetenschap en technologie 5, 020501 (2020).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹2058-9565/โ€‹ab788a

[51] Bernhard Baumgartner. "Een ongelijkheid voor het spoor van matrixproducten, met behulp van absolute waarden" (2011). url: https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.1106.6189.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.1106.6189

Geciteerd door

[1] Mikel Garcia-de-Andoin, รlvaro Saiz, Pedro Pรฉrez-Fernรกndez, Lucas Lamata, Izaskun Oregi en Mikel Sanz, "Digitaal-analoge kwantumberekening met willekeurige Hamiltonianen met twee lichamen", arXiv: 2307.00966, (2023).

[2] Abdullah Ash Saki, Amara Katabarwa, Salonik Resch en George Umbrarescu, โ€œHypothesetesten voor foutmitigatie: hoe foutmitigatie te evaluerenโ€, arXiv: 2301.02690, (2023).

[3] Patrick J. Coles, Collin Szczepanski, Denis Melanson, Kaelan Donatella, Antonio J. Martinez en Faris Sbahi, "Thermodynamische AI โ€‹โ€‹en de fluctuatiegrens", arXiv: 2302.06584, (2023).

[4] M. Cerezo, Guillaume Verdon, Hsin-Yuan Huang, Lukasz Cincio en Patrick J. Coles, โ€œUitdagingen en kansen in Quantum Machine Learningโ€, arXiv: 2303.09491, (2023).

[5] Nikolaos Koukoulekidis, Samson Wang, Tom O'Leary, Daniel Bultrini, Lukasz Cincio en Piotr Czarnik, "Een raamwerk van gedeeltelijke foutcorrectie voor kwantumcomputers op gemiddelde schaal", arXiv: 2306.15531, (2023).

Bovenstaande citaten zijn afkomstig van SAO / NASA ADS (laatst bijgewerkt met succes 2023-07-13 15:21:51). De lijst is mogelijk onvolledig omdat niet alle uitgevers geschikte en volledige citatiegegevens verstrekken.

Kon niet ophalen Door Crossref geciteerde gegevens tijdens laatste poging 2023-07-13 15:21:50: kon niet geciteerde gegevens voor 10.22331 / q-2023-07-13-1060 niet ophalen van Crossref. Dit is normaal als de DOI recent is geregistreerd.

Tijdstempel:

Meer van Quantum Journaal