Karakterisere og redusere koherente feil i en fanget ionekvanteprosessor ved å bruke skjulte inverser

Karakterisere og redusere koherente feil i en fanget ionekvanteprosessor ved å bruke skjulte inverser

Tidsstempel: 15. mai 2023 8:55

Swarnadeep Majumder1,2, Christopher G. Yale3, Titus D. Morris4, Daniel S. Lobser3, Ashlyn D. Burch3, Matthew NH Chow3,5,6, Melissa C. Revelle3, Susan M. Clark3, og Raphael C. Pooser4

1Duke Quantum Center, Duke University, Durham, NC 27701, USA
2Institutt for elektro- og datateknikk, Duke University, Durham, NC 27708 USA
3Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM 87123, USA
4Quantum Information Science Section, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN 37831, USA
5Institutt for fysikk og astronomi, University of New Mexico, Albuquerque, NM 87131, USA
6Center for Quantum Information and Control, University of New Mexico, Albuquerque, NM 87131, USA

Finn dette papiret interessant eller vil diskutere? Scite eller legg igjen en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Quantum computing testbeds viser kvantekontroll med høy kvalitet over små samlinger av qubits, noe som muliggjør ytelse av presise, repeterbare operasjoner etterfulgt av målinger. For tiden kan disse støyende enhetene i mellomskala støtte et tilstrekkelig antall sekvensielle operasjoner før dekoherens, slik at algoritmer på kort sikt kan utføres med umiddelbar nøyaktighet (som kjemisk nøyaktighet for kvantekjemiproblemer). Selv om resultatene av disse algoritmene er ufullkomne, kan disse ufullkommenhetene hjelpe oppstartsutviklingen av kvantedatamaskinens testbed. Demonstrasjoner av disse algoritmene de siste årene, kombinert med ideen om at ufullkommen algoritmeytelse kan være forårsaket av flere dominerende støykilder i kvanteprosessoren, som kan måles og kalibreres under algoritmekjøring eller i etterbehandling, har ført til at bruk av støydemping for å forbedre typiske beregningsresultater. Motsatt kan benchmarkalgoritmer kombinert med støydemping bidra til å diagnostisere støyens natur, enten det er systematisk eller rent tilfeldig. Her skisserer vi bruken av koherente støydempingsteknikker som et karakteriseringsverktøy i testbed med fanget ion. Vi utfører modelltilpasning av støyende data for å bestemme støykilden basert på realistiske fysikkfokuserte støymodeller og demonstrerer at systematisk støyforsterkning kombinert med feilreduserende ordninger gir nyttige data for støymodellfradrag. Videre, for å koble støymodelldetaljer på lavere nivå med applikasjonsspesifikk ytelse for nærtidsalgoritmer, konstruerer vi eksperimentelt tapslandskapet til en variasjonsalgoritme under forskjellige injiserte støykilder kombinert med feilreduserende teknikker. Denne typen tilkobling muliggjør applikasjonsbevisst maskinvare-samdesign, der de viktigste støykildene i spesifikke applikasjoner, som kvantekjemi, blir fokus for forbedring i påfølgende maskinvaregenerasjoner.

Karakterisering og redusering av sammenhengende feil i en fanget ionekvanteprosessor ved bruk av skjulte inverser PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikalt søk. Ai.

Utvalgt bilde: Faserompopulasjon (sannsynlighet for å måle $|0rangle$) etter bruk av [$H- X(Theta)- Z(Phi)- H^dolk$]$^{100}$ på $|0rangle$ som en funksjon av $Theta, Phi$ for simulering og eksperiment. Skjulte inverse protokoller kan tilby nøyaktig og billig enkelt qubit-karakterisering.

Populært sammendrag

Kvantedatamaskiner fra NISQ-tiden er etter deres definisjon støyende og ufullkomne, og krever metoder for å redusere feil for å forbedre kretsytelsen. I denne artikkelen demonstrerer vi at en teknikk kjent som skjulte inverser både kan fungere som en metode for feilredusering så vel som for feilkarakterisering. Skjulte inverser er avhengige av evnen til å konstruere kretser med ikke-innfødte sammensatte porter som er selvtilknyttede (som Hadamard eller kontrollert-NOT), noe som betyr at de kan konstrueres via en serie hardware-native porter eller de samme innfødte portene invertert i skilt- og tidsbestilling. Ved å bruke en fanget-ion kvantedatamaskin demonstrerer vi først et eksperiment der Hadamarden og dens invers veksles med små feilrotasjoner satt inn. Ved å tilpasse resultatene til en enkel modell, er vi i stand til å karakterisere sammenhengende feil i systemet, og se hvordan disse feilene driver over tid. Vi bruker deretter en kontrollert-NOT og dens inverse innenfor en variasjonskvanteegenløser. Gjennom tilsiktet feilinjeksjon viser vi at kretser konstruert via skjulte inverse protokoller utkonkurrerer en annen feilreduserende teknikk, randomisert kompilering. Vi undersøker videre feilreduksjon i dette systemet via matrikrensing med fermionisk tetthet, en etterbehandlingsmetodikk. Gjennom denne undersøkelsen finner vi at bruk av samme teknikk, nemlig skjulte inverser, for både å karakterisere feilkilder på maskinvare og deretter redusere via samme tilnærming er et kraftig verktøy for kvantedatamaskiner fra NISQ-tiden.

► BibTeX-data

► Referanser

[1] JJ Wallman og J. Emerson, Physical Review A 94, 052325 (2016), utgiver: American Physical Society.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.052325

[2] B. Zhang, S. Majumder, PH Leung, S. Crain, Y. Wang, C. Fang, DM Debroy, J. Kim og KR Brown, Phys. Rev. Søkt 17, 034074 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.17.034074

[3] L. Egan, DM Debroy, C. Noel, A. Risinger, D. Zhu, D. Biswas, M. Newman, M. Li, KR Brown, M. Cetina og C. Monroe, Nature 598, 281 (2021) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03928-y

[4] S. Krinner, N. Lacroix, A. Remm, A. Di Paolo, E. Genois, C. Leroux, C. Hellings, S. Lazar, F. Swiadek, J. Herrmann, GJ Norris, CK Andersen, M. Müller , A. Blais, C. Eichler og A. Wallraff, Nature 605, 669 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-04566-8

[5] C. Ryan-Anderson, J. Bohnet, K. Lee, D. Gresh, A. Hankin, J. Gaebler, D. Francois, A. Chernoguzov, D. Lucchetti, N. Brown, T. Gatterman, S. Halit, K. Gilmore, J. Gerber, B. Neyenhuis, D. Hayes og R. Stutz, Physical Review X 11, 041058 (2021), utgiver: American Physical Society.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.041058

[6] R. Blume-Kohout, JK Gamble, E. Nielsen, J. Mizrahi, JD Sterk og P. Maunz, arXiv preprint arXiv:1310.4492 (2013).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1310.4492
arxiv: 1310.4492

[7] BR Johnson, MP d. Silva, CA Ryan, S. Kimmel, JM Chow og TA Ohki, New Journal of Physics 17, 113019 (2015), utgiver: IOP Publishing.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​17/​11/​113019

[8] E. Nielsen, K. Rudinger, T. Proctor, K. Young og R. Blume-Kohout, New Journal of Physics 23, 093020 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ac20b9

[9] PD Nation, H. Kang, N. Sundaresan og JM Gambetta, PRX Quantum 2, 040326 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040326

[10] Y. Kim, CJ Wood, TJ Yoder, ST Merkel, JM Gambetta, K. Temme og A. Kandala, Nature Physics 10.1038/​s41567-022-01914-3 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[11] E. Peters, ACY Li og GN Perdue, arXiv:2105.08161 [quant-ph] (2021), arXiv: 2105.08161.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2105.08161
arxiv: 2105.08161

[12] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, SC Benjamin og Y. Li, PRX Quantum 2, 040330 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040330

[13] C. Piveteau, D. Sutter, S. Bravyi, JM Gambetta og K. Temme, Phys. Rev. Lett. 127, 200505 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.200505

[14] R. LaRose, A. Mari, S. Kaiser, PJ Karalekas, AA Alves, P. Czarnik, M. El Mandouh, MH Gordon, Y. Hindy, A. Robertson, P. Thakre, M. Wahl, D. Samuel, R. Mistri, M. Tremblay, N. Gardner, NT Stemen, N. Shammah og WJ Zeng, Quantum 6, 774 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-08-11-774

[15] S. Zhang, Y. Lu, K. Zhang, W. Chen, Y. Li, J.-N. Zhang og K. Kim, Nature Communications 11, 587 (2020), arXiv: 1905.10135.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[16] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles og L. Cincio, Quantum 5, 592 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-11-26-592

[17] Y. Suzuki, S. Endo, K. Fujii og Y. Tokunaga, PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010345

[18] K. Temme, S. Bravyi og JM Gambetta, Phys. Rev. Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[19] E. vd Berg, ZK Minev, A. Kandala og K. Temme, arXiv preprint arXiv:2201.09866 (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2201.09866
arxiv: 2201.09866

[20] V. Leyton-Ortega, S. Majumder og RC Pooser, Quantum Science and Technology 8, 014008 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​aca92d

[21] K. Yeter-Aydeniz, BT Gard, J. Jakowski, S. Majumder, GS Barron, G. Siopsis, TS Humble og RC Pooser, Advanced Quantum Technologies 4, 2100012 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qute.202100012

[22] SM Clark, D. Lobser, MC Revelle, CG Yale, D. Bossert, AD Burch, MN Chow, CW Hogle, M. Ivory, J. Pehr, B. Salzbrenner, D. Stick, W. Sweatt, JM Wilson, E Winrow og P. Maunz, IEEE Transactions on Quantum Engineering 2, 1 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2021.3096480

[23] S. Olmschenk, KC Younge, DL Moehring, DN Matsukevich, P. Maunz og C. Monroe, Phys. Rev. A 76, 052314 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.76.052314

[24] P. Maunz, Tech. Rep. SAND2016-0796R 10.2172/​1237003 (2016).
https: / / doi.org/ 10.2172 / 1237003

[25] D. Hayes, DN Matsukevich, P. Maunz, D. Hucul, Q. Quraishi, S. Olmschenk, W. Campbell, J. Mizrahi, C. Senko og C. Monroe, Phys. Rev. Lett. 104, 140501 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.140501

[26] S. Debnath, NM Linke, C. Figgatt, KA Landsman, K. Wright og C. Monroe, Nature 536, 63 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature18648

[27] PJ Lee, K.-A. Brickman, L. Deslauriers, PC Haljan, L.-M. Duan og C. Monroe, Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics 7, S371 (2005).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1464-4266/​7/​10/​025

[28] L. Deslauriers, PC Haljan, PJ Lee, K.-A. Brickman, BB Blinov, MJ Madsen og C. Monroe, Phys. Rev. A 70, 043408 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.043408

[29] BCA Morrison, AJ Landahl, DS Lobser, KM Rudinger, AE Russo, JW Van Der Wall og P. Maunz, i 2020 IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE) (2020) s. 402–408.
https: / / doi.org/ 10.1109 / QCE49297.2020.00056

[30] D. Lobser, J. Goldberg, A. Landahl, P. Maunz, B. Morrison, K. Rudinger, A. Russo, B. Ruzic, D. Stick, J. Van Der Wall og SM Clark, Jaqalpaw En guide til definere pulser og bølgeformer for jaqal (2021).
https://​/​www.sandia.gov/​app/​uploads/​sites/​174/​2023/​03/​JaqalPaw__A_Guide_to_Defining_Pulses_and_Waveforms_for_Jaqal2.pdf

[31] P. Virtanen, R. Gommers, TE Oliphant, M. Haberland, T. Reddy, D. Cournapeau, E. Burovski, P. Peterson, W. Weckesser, J. Bright, SJ van der Walt, M. Brett, J. Wilson, KJ Millman, N. Mayorov, ARJ Nelson, E. Jones, R. Kern, E. Larson, CJ Carey, İ. Polat, Y. Feng, EW Moore, J. VanderPlas, D. Laxalde, J. Perktold, R. Cimrman, I. Henriksen, EA Quintero, CR Harris, AM Archibald, AH Ribeiro, F. Pedregosa, P. van Mulbregt, og SciPy 1.0 Contributors, Nature Methods 17, 261 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[32] A. McCaskey, ZP Parks, J. Jakowski, SV Moore, TD Morris, TS Humble og RC Pooser, NPJ Quantum Inf 5, 99 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0209-0

[33] NC Rubin, R. Babbush og J. McClean, New Journal of Physics 20, 053020 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aab919

[34] DJ Wineland, C. Monroe, WM Itano, D. Leibfried, BE King og DM Meekhof, Journal of Research ved National Institute of Standards and Technology 103, 259 (1998).
https: / / doi.org/ 10.6028 / jres.103.019

Sitert av

[1] He-Liang Huang, Xiao-Yue Xu, Chu Guo, Guojing Tian, ​​Shi-Jie Wei, Xiaoming Sun, Wan-Su Bao og Gui-Lu Long, "Nærtids kvanteberegningsteknikker: Variasjonelle kvantealgoritmer, feilredusering, kretskompilering, benchmarking og klassisk simulering", Science China Physics, Mechanics and Astronomy 66 5, 250302 (2023).

[2] Zhubing Jia, Shilin Huang, Mingyu Kang, Ke Sun, Robert F. Spivey, Jungsang Kim og Kenneth R. Brown, "Vinkelrobuste to-qubit-porter i en lineær ionkrystall", Fysisk gjennomgang A 107 3, 032617 (2023).

[3] Gabriele Cenedese, Giuliano Benenti og Maria Bondani, "Correcting Coherent Errors by Random Operation on Actual Quantum Hardware", Entropi 25 2, 324 (2023).

[4] Mingyu Kang, Ye Wang, Chao Fang, Bichen Zhang, Omid Khosravani, Jungsang Kim og Kenneth R. Brown, "Designing Filter Functions of Frequency-Modulated Pulses for High-Fidelity Two-Qubit Gates in Ion Chains", Fysisk gjennomgang anvendt 19 1, 014014 (2023).

[5] Ashlyn D. Burch, Daniel S. Lobser, Christopher G. Yale, Jay W. Van Der Wall, Oliver G. Maupin, Joshua D. Goldberg, Matthew NH Chow, Melissa C. Revelle og Susan M. Clark, "Batching kretser for å redusere kompilering i kvantekontrollmaskinvare", arxiv: 2208.00076, (2022).

Sitatene ovenfor er fra SAO / NASA ADS (sist oppdatert vellykket 2023-05-16 13:02:44). Listen kan være ufullstendig fordi ikke alle utgivere gir passende og fullstendige sitasjonsdata.

On Crossrefs siterte tjeneste ingen data om sitering av verk ble funnet (siste forsøk 2023-05-16 13:02:43).

Denne artikkelen er utgitt i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) tillatelse. Opphavsrett forblir hos de opprinnelige rettighetshaverne som forfatterne eller institusjonene deres.

Tidstempel:

Mer fra Kvantejournal