Synergetisk kvantefeilredusering ved randomisert kompilering og nullstøyekstrapolering for den variasjonelle kvanteegenløseren

Synergetisk kvantefeilredusering ved randomisert kompilering og nullstøyekstrapolering for den variasjonelle kvanteegenløseren

Tidsstempel: 20. november 2023, kl

Tomochika Kurita1, Hammam Qassim2, Masatoshi Ishii1, Hirotaka Oshima1, Shintaro Sato1, og Joseph Emerson2

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

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

Abstrakt

Vi foreslår en kvantefeilreduserende strategi for den variasjonelle kvanteegenløseralgoritmen (VQE). Vi finner, via numerisk simulering, at svært små mengder koherent støy i VQE kan forårsake betydelig store feil som er vanskelige å undertrykke med konvensjonelle avbøtende metoder, og likevel er vår foreslåtte avbøtningsstrategi i stand til å redusere disse feilene betydelig. Den foreslåtte strategien er en kombinasjon av tidligere rapporterte teknikker, nemlig randomisert kompilering (RC) og zero-noise extrapolation (ZNE). Intuitivt gjør randomisert kompilering koherente feil i kretsen til stokastiske Pauli-feil, noe som letter ekstrapolering til nullstøygrensen ved evaluering av kostnadsfunksjonen. Vår numeriske simulering av VQE for små molekyler viser at den foreslåtte strategien kan dempe energifeil indusert av ulike typer koherent støy med opptil to størrelsesordener.

Synergetisk kvantefeilredusering ved randomisert kompilering og nullstøyekstrapolering for den variasjonelle kvanteegenløseren PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikalt søk. Ai.

Populært sammendrag

Når vi utfører kvanteberegninger, er det avgjørende å minimere beregningsfeil indusert av maskinvarestøy. For støyende intermediate-scale quantum (NISQ) maskinvare, kan kvantefeilreduserende teknikker brukes for å redusere slike feil. Å adressere koherent støy er imidlertid fortsatt en betydelig utfordring i feilredusering på grunn av to årsaker: (i) selv en liten mengde koherent støy kan resultere i betydelige beregningsfeil, og (ii) disse feilene er vanskelige å dempe ved bruk av eksisterende teknikker.
I dette arbeidet foreslår vi en feilreduserende teknikk som effektivt reduserer feil indusert av koherent støy. Denne teknikken bruker synergetisk effekt av randomisert kompilering (RC) og null-støyekstrapolering (ZNE). RC konverterer koherent støy til stokastisk Pauli-støy, som effektivt kan dempes ved hjelp av ZNE. Våre numeriske simuleringer på variasjonskvanteegenløseralgoritmer viser at vår foreslåtte avbøtingsteknikk viser en betydelig feilundertrykkende effekt mot koherent støy.

► BibTeX-data

► Referanser

[1] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin og Xiao Yuan. "Kvanteberegningskjemi". Anmeldelser av Modern Physics 92, 015003 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003

[2] Hari P Paudel, Madhava Syamlal, Scott E Crawford, Yueh-Lin Lee, Roman A Shugayev, Ping Lu, Paul R Ohodnicki, Darren Mollot og Yuhua Duan. "Kvanteberegning og simuleringer for energiapplikasjoner: gjennomgang og perspektiv". ACS Engineering Au 2, 151–196 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acsengineeringau.1c00033

[3] Julia E Rice, Tanvi P Gujarati, Mario Motta, Tyler Y Takeshita, Eunseok Lee, Joseph A Latone og Jeannette M Garcia. "Kvanteberegning av dominerende produkter i litium-svovelbatterier". The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068

[4] Austin G Fowler, Matteo Mariantoni, John M Martinis og Andrew N Cleland. "Overflatekoder: Mot praktisk storskala kvanteberegning". Physical Review 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, Alán Aspuru-Guzik og Jeremy L O'brien. "En variasjonsegenverdiløser på en fotonisk kvanteprosessor". Naturformidling 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[6] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush og Alán Aspuru-Guzik. "Teorien om variasjonelle hybride kvante-klassiske algoritmer". New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​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. "Skalerbar kvantesimulering av molekylære energier". Fysisk gjennomgang 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 og Jay M Gambetta. "Maskinvareeffektiv variasjonskvanteegenløser for små molekyler og kvantemagneter". Nature 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 og Irfan Siddiqi. "Beregning av molekylære spektre på en kvanteprosessor med en feilresilient algoritme". Fysisk gjennomgang X 8, 011021 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.011021

[10] Abhinav Kandala, Kristan Temme, Antonio D Córcoles, Antonio Mezzacapo, Jerry M Chow og Jay M Gambetta. "Feilredusering utvider beregningsrekkevidden til en støyende kvanteprosessor". Nature 567, 491–495 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[11] Yangchao Shen, Xiang Zhang, Shuaining Zhang, Jing-Ning Zhang, Man-Hong Yung og Kihwan Kim. "Kvanteimplementering av den enhetlige koblede klyngen for simulering av molekylær elektronisk struktur". Fysisk gjennomgang 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. "Grunketilstand energiestimering av vannmolekylet på en fanget-ion kvantedatamaskin". npj Quantum Information 6, 33 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0259-3

[13] Jarrod R McClean, Sergio Boixo, Vadim N Smelyanskiy, Ryan Babbush og Hartmut Neven. "Ufruktbare platåer i treningslandskap for kvantenevrale nettverk". Naturkommunikasjon 9, 4812 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​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. "The Variational Quantum Eigensolver: En gjennomgang av metoder og beste praksis". Fysikkrapporter 986, 1–128 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.08.003

[15] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin og Xiao Yuan. "Hybride kvante-klassiske algoritmer og kvantefeilredusering". Journal of the Physical Society of Japan 90, 032001 (2021).
https: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001

[16] Ying Li og Simon C Benjamin. "Effektiv variasjonskvantesimulator som inkluderer aktiv feilminimering". Fysisk gjennomgang X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[17] Kristan Temme, Sergey Bravyi og Jay M Gambetta. "Feilredusering for kort-dybde kvantekretser". Fysisk vurderingsbrev 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[18] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A de Jong og Christian W Bauer. "Nullstøyekstrapolering for kvanteportfeilredusering med identitetsinnsettinger". Physical Review 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 og Kihwan Kim. "Feilreduserte kvanteporter som overgår fysisk troskap i et fanget ionsystem". Naturformidling 11, 587 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[20] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter og Wibe A De Jong. "Hybrid kvanteklassisk hierarki for å dempe dekoherens og bestemmelse av spente tilstander". Physical Review A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[21] Joel J Wallman og Joseph Emerson. "Støytilpasning for skalerbar kvanteberegning via randomisert kompilering". Physical Review 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. "Randomisert kompilering for skalerbar kvanteberegning på en støyende superledende kvanteprosessor". Fysisk gjennomgang 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. "Utnytte randomisert kompilering for kvante-imaginær-tids-evolusjonsalgoritmen". Physical Review Research 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 og Abhinav Kandala. "Skalerbar feilreduksjon for støyende kvantekretser produserer konkurransedyktige forventningsverdier". Nature Physics 19, 752–759 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[25] Chao Song, Jing Cui, H Wang, J Hao, H Feng og Ying Li. "Kvanteberegning med universell feilreduksjon på en superledende kvanteprosessor". Science advances 5, eaaw5686 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[26] Matthew Ware, Guilhem Ribeill, Diego Riste, Colm A Ryan, Blake Johnson og Marcus P Da Silva. "Eksperimentell Pauli-ramme randomisering på en superledende qubit". Physical Review 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 og Joel J Wallman. "Effektiv forbedring av ytelsen til støyende kvantedatamaskiner" (2022). arXiv:2201.10672.
arxiv: 2201.10672

[28] Nick S Blunt, Laura Caune, Róbert Izsák, Earl T Campbell og Nicole Holzmann. "Statistisk faseestimering og feilredusering på en superledende kvanteprosessor" (2023). arXiv:2304.05126.
arxiv: 2304.05126

[29] Samson Wang, Enrico Fontana, Marco Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio og Patrick J Coles. "Støyinduserte golde platåer i variasjonskvantealgoritmer". Naturkommunikasjon 12, 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] Michael A Nielsen og Isaac Chuang. "Kvanteberegning og kvanteinformasjon". 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. "Evaluering av bevisene for eksponentiell kvantefordel i grunntilstand kvantekjemi". Naturformidling 14, 1952 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-023-37587-6

[32] Jérôme F Gonthier, Maxwell D Radin, Corneliu Buda, Eric J Doskocil, Clena M Abuan og Jhonathan Romero. "Målinger som en veisperring for praktisk kvantefordel på kort sikt i kjemi: Ressursanalyse". Physical Review Research 4, 033154 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033154

[33] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell og Stephen Brierley. "Effektiv kvantemåling av Pauli-operatører i nærvær av endelig prøvetakingsfeil". Quantum 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[34] Tomochika Kurita, Mikio Morita, Hirotaka Oshima og Shintaro Sato. "Pauli String Partitioning Algoritme med Ising-modellen for samtidig måling". Journal of Physical Chemistry A 127, 1068–1080 (2023).
https://​/​doi.org/​10.1021/​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. "True-Q programvare. Keysight Technologies". url: trueq.quantumbenchmark.com.
https://​/​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. "SciPy 1.0: Grunnleggende algoritmer for vitenskapelig databehandling i Python". Nature Methods 17, 261–272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] Michael JD Powell. "BOBYQA-algoritmen for bundet begrenset optimalisering uten derivater". Teknisk rapport. University of Cambridge, Cambridge (2009). url: www.damtp.cam.ac.uk/​user/​na/​NA_papers/​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 Häner, Vojtĕch Havlíček, Zhang Jiang, Matthew Neeley, et al. "OpenFermion: The Electronic Structure Package for Quantum Computers" (2017). arXiv:1710.07629.
arxiv: 1710.07629

[39] Ewout van den Berg, Zlatko K Minev, Abhinav Kandala og Kristan Temme. "Sannsynlig feilkansellering med sparsomme Pauli-Lindblad-modeller på støyende kvanteprosessorer". Naturfysikk 19, 1116–1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

Sitert av

[1] Ritajit Majumdar, Pedro Rivero, Friederike Metz, Areeq Hasan og Derek S Wang, "Beste praksis for kvantefeilredusering med digital nullstøyekstrapolering", arxiv: 2307.05203, (2023).

[2] Arnaud Carignan-Dugas, Shashank Kumar Ranu og Patrick Dreher, "Estimating Coherent Contributions to the Error Profile Using Cycle Error Reconstruction", arxiv: 2303.09945, (2023).

[3] Hugo Perrin, Thibault Scoquart, Alexander Shnirman, Jörg Schmalian og Kyrylo Snizhko, "Begrense krysstalefeil ved randomisert kompilering: Simulering av BCS-modellen på en superledende kvantedatamaskin", arxiv: 2305.02345, (2023).

[4] ChangWon Lee og Daniel K. Park, "Skalerbar kvantemålingsfeilredusering via betinget uavhengighet og overføringslæring", arxiv: 2308.00320, (2023).

Sitatene ovenfor er fra SAO / NASA ADS (sist oppdatert vellykket 2023-11-20 13:58:16). Listen kan være ufullstendig fordi ikke alle utgivere gir passende og fullstendige sitasjonsdata.

Kunne ikke hente Crossref sitert av data under siste forsøk 2023-11-20 13:58:14: Kunne ikke hente siterte data for 10.22331 / q-2023-11-20-1184 fra Crossref. Dette er normalt hvis DOI nylig ble registrert.

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