Synergiczne łagodzenie błędów kwantowych poprzez randomizowaną kompilację i ekstrapolację zerowego szumu dla wariacyjnego kwantowego solwera własnego

Synergiczne łagodzenie błędów kwantowych poprzez randomizowaną kompilację i ekstrapolację zerowego szumu dla wariacyjnego kwantowego solwera własnego

Znacznik czasu: 20 listopada 2023 8:49

Tomochika Kurita1, Hammam Qassim2, Masatoshi Ishii1, Hirotaka Oshima1, Shintaro Sato1i Józefa Emersona2

1Laboratorium kwantowe, badania Fujitsu, Fujitsu Limited. 10-1 Morinosato-wakamiya, Atsugi, Kanagawa, Japonia 243-0197
2Keysight Technologies Canada, 137 Glasgow St, Kitchener, ON, Kanada, N2G 4X8

Czy ten artykuł jest interesujący czy chcesz dyskutować? Napisz lub zostaw komentarz do SciRate.

Abstrakcyjny

Proponujemy strategię łagodzenia błędów kwantowych dla algorytmu wariacyjnego kwantowego solwera własnego (VQE). Za pomocą symulacji numerycznej odkrywamy, że bardzo małe ilości spójnego szumu w VQE mogą powodować zasadniczo duże błędy, które trudno stłumić konwencjonalnymi metodami łagodzenia, a mimo to proponowana przez nas strategia łagodzenia jest w stanie znacząco zredukować te błędy. Proponowana strategia stanowi połączenie wcześniej opisanych technik, a mianowicie kompilacji losowej (RC) i ekstrapolacji zerowego szumu (ZNE). Intuicyjnie, randomizowana kompilacja zamienia spójne błędy w obwodzie w stochastyczne błędy Pauliego, co ułatwia ekstrapolację do granicy zerowego szumu podczas oceny funkcji kosztu. Nasza numeryczna symulacja VQE dla małych cząsteczek pokazuje, że proponowana strategia może złagodzić błędy energetyczne wywołane różnymi typami spójnego szumu nawet o dwa rzędy wielkości.

Synergiczne łagodzenie błędów kwantowych poprzez randomizowaną kompilację i ekstrapolację bez szumów dla wariacyjnego kwantowego rozwiązania własnego PlatoBlockchain Data Intelligence. Wyszukiwanie pionowe. AI.

Popularne podsumowanie

Kiedy wykonujemy obliczenia kwantowe, niezwykle ważne jest zminimalizowanie błędów obliczeniowych wywołanych szumem sprzętowym. W przypadku hałaśliwego sprzętu kwantowego średniej skali (NISQ) można zastosować techniki łagodzenia błędów kwantowych w celu ograniczenia takich błędów. Jednakże zajęcie się problemem spójnego szumu pozostaje poważnym wyzwaniem w zakresie łagodzenia błędów z dwóch powodów: (i) nawet niewielka ilość spójnego szumu może powodować znaczne błędy obliczeniowe oraz (ii) błędy te są trudne do złagodzenia przy użyciu istniejących technik.
W tej pracy proponujemy technikę łagodzenia błędów, która skutecznie redukuje błędy wywołane przez spójny szum. Technika ta wykorzystuje efekt synergii kompilacji losowej (RC) i ekstrapolacji zerowego szumu (ZNE). RC przekształca spójny szum w stochastyczny szum Pauliego, który można skutecznie złagodzić za pomocą ZNE. Nasze symulacje numeryczne wariacyjnych algorytmów kwantowego rozwiązywania problemów własnych pokazują, że proponowana przez nas technika łagodzenia wykazuje znaczny efekt tłumienia błędów w stosunku do spójnego szumu.

► Dane BibTeX

► Referencje

[1] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C. Benjamin i Xiao Yuan. „Kwantowa chemia obliczeniowa”. Recenzje 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 i Yuhua Duan. „Obliczenia kwantowe i symulacje w zastosowaniach energetycznych: przegląd i perspektywa”. 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 i Jeannette M Garcia. „Obliczenia kwantowe dominujących produktów w bateriach litowo-siarkowych”. The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068

[4] Austin G. Fowler, Matteo Mariantoni, John M. Martinis i Andrew N. Cleland. „Kody powierzchniowe: w kierunku praktycznych obliczeń kwantowych na dużą skalę”. Przegląd fizyczny 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 i Jeremy L O'brien. „Rozwiązywanie wariacyjnej wartości własnej na fotonicznym procesorze kwantowym”. Komunikaty natury 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[6] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush i Alán Aspuru-Guzik. „Teoria wariacyjnych hybrydowych algorytmów kwantowo-klasycznych”. Nowy Czasopismo Fizyki 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 i in. „Skalowalna symulacja kwantowa energii molekularnych”. Przegląd fizyczny X 6, 031007 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.031007

[8] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takata, Markus Brink, Jerry M. Chow i Jay M. Gambetta. „Wydajny sprzętowo wariacyjny kwantowy eigensolver dla małych cząsteczek i magnesów kwantowych”. Natura 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 i Irfan Siddiqi. „Obliczanie widm molekularnych na procesorze kwantowym za pomocą algorytmu odpornego na błędy”. Przegląd fizyczny 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 i Jay M. Gambetta. „Łagodzenie błędów zwiększa zasięg obliczeniowy hałaśliwego procesora kwantowego”. Natura 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 i Kihwan Kim. „Kwantowa implementacja unitarnego sprzężonego klastra do symulacji molekularnej struktury elektronowej”. Przegląd fizyczny 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 i in. „Oszacowanie energii stanu podstawowego cząsteczki wody na komputerze kwantowym z uwięzionymi jonami”. npj Informacje kwantowe 6, 33 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0259-3

[13] Jarrod R. McClean, Sergio Boixo, Vadim N. Smelyanskiy, Ryan Babbush i Hartmut Neven. „Jałowe płaskowyże w krajobrazach szkoleniowych kwantowych sieci neuronowych”. Komunikacja przyrodnicza 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 i in. „Wariacyjny kwantowy solver własny: przegląd metod i najlepszych praktyk”. Physics Reports 986, 1–128 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.08.003

[15] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C. Benjamin i Xiao Yuan. „Hybrydowe algorytmy kwantowo-klasyczne i łagodzenie błędów kwantowych”. Journal of the Physical Society of Japan 90, 032001 (2021).
https: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001

[16] Ying Li i Simon C. Benjamin. „Efektywny wariacyjny symulator kwantowy obejmujący aktywną minimalizację błędów”. Przegląd fizyczny X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[17] Kristan Temme, Sergey Bravyi i Jay M. Gambetta. „Łagodzenie błędów w obwodach kwantowych o małej głębokości”. Pisma dotyczące przeglądu fizycznego 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[18] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A de Jong i Christian W. Bauer. „Ekstrapolacja zerowego szumu w celu łagodzenia błędów bramki kwantowej za pomocą wstawek tożsamości”. Przegląd fizyczny 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 i Kihwan Kim. „Bramy kwantowe z ograniczeniem błędów przekraczające wierność fizyczną w systemie uwięzionych jonów”. Komunikacja przyrodnicza 11, 587 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[20] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter i Wibe A De Jong. „Hybrydowa hierarchia kwantowo-klasyczna do łagodzenia dekoherencji i wyznaczania stanów wzbudzonych”. Przegląd fizyczny A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[21] Joela J. Wallmana i Josepha Emersona. „Dopasowanie szumu do skalowalnych obliczeń kwantowych poprzez kompilację losową”. Przegląd fizyczny 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 i in. „Losowa kompilacja dla skalowalnych obliczeń kwantowych na hałaśliwym nadprzewodzącym procesorze kwantowym”. Przegląd fizyczny 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 i in. „Wykorzystanie randomizowanej kompilacji dla kwantowego algorytmu ewolucji w czasie wyobrażeniowym”. Badania przeglądu fizycznego 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 i Abhinav Kandala. „Skalowalne łagodzenie błędów w zaszumionych obwodach kwantowych zapewnia konkurencyjne wartości oczekiwane”. Fizyka przyrody 19, 752–759 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[25] Chao Song, Jing Cui, H. Wang, J. Hao, H. Feng i Ying Li. „Obliczenia kwantowe z uniwersalną eliminacją błędów na nadprzewodzącym procesorze kwantowym”. Nauka postępuje 5, eaaw5686 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[26] Matthew Ware, Guilhem Ribeill, Diego Riste, Colm A Ryan, Blake Johnson i Marcus P Da Silva. „Eksperymentalna randomizacja ramek Pauliego na kubicie nadprzewodzącym”. Przegląd fizyczny 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 i Joel J. Wallman. „Efektywna poprawa wydajności hałaśliwych komputerów kwantowych” (2022). arXiv:2201.10672.
arXiv: 2201.10672

[28] Nick S. Blunt, Laura Caune, Róbert Izsák, Earl T. Campbell i Nicole Holzmann. „Statystyczne oszacowanie fazy i ograniczenie błędów w nadprzewodzącym procesorze kwantowym” (2023). arXiv:2304.05126.
arXiv: 2304.05126

[29] Samson Wang, Enrico Fontana, Marco Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Łukasz Cincio i Patrick J. Coles. „Wywołane hałasem jałowe płaskowyże w wariacyjnych algorytmach kwantowych”. Komunikacja przyrodnicza 12, 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] Michaela Nielsena i Isaaca Chuanga. „Obliczenia kwantowe i informacja kwantowa”. Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. (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 i in. „Ocena dowodów na wykładniczą przewagę kwantową w chemii kwantowej stanu podstawowego”. Komunikacja przyrodnicza 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 i Jhonathan Romero. „Pomiary jako przeszkoda do krótkoterminowej praktycznej przewagi kwantowej w chemii: analiza zasobów”. Badania przeglądu fizycznego 4, 033154 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033154

[33] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell i Stephen Brierley. „Wydajny pomiar kwantowy operatorów Pauliego w obecności skończonego błędu próbkowania”. Kwant 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[34] Tomochika Kurita, Mikio Morita, Hirotaka Oshima i Shintaro Sato. „Algorytm podziału strun Pauliego z modelem Isinga do pomiaru jednoczesnego”. The 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 i in. „Oprogramowanie True-Q. Technologie Keysight”. adres 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 i in. „SciPy 1.0: Podstawowe algorytmy obliczeń naukowych w Pythonie”. Metody natury 17, 261–272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] Michaela JD Powella. „Algorytm BOBYQA dla optymalizacji z ograniczeniami związanymi bez pochodnych”. Raport techniczny. Uniwersytet Cambridge, Cambridge (2009). adres 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 i in. „OpenFermion: Pakiet struktury elektronicznej dla komputerów kwantowych” (2017). arXiv:1710.07629.
arXiv: 1710.07629

[39] Ewout van den Berg, Zlatko K Minev, Abhinav Kandala i Kristan Temme. „Probabilistyczne anulowanie błędów z rzadkimi modelami Pauliego-Lindblada na hałaśliwych procesorach kwantowych”. Fizyka przyrody 19, 1116–1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

Cytowany przez

[1] Ritajit Majumdar, Pedro Rivero, Friederike Metz, Areeq Hasan i Derek S Wang, „Najlepsze praktyki w zakresie łagodzenia błędów kwantowych za pomocą cyfrowej ekstrapolacji zerowego szumu”, arXiv: 2307.05203, (2023).

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

[3] Hugo Perrin, Thibault Scoquart, Alexander Shnirman, Jörg Schmalian i Kyrylo Snizhko, „Łagodzenie błędów przesłuchu poprzez randomizowaną kompilację: Symulacja modelu BCS na nadprzewodzącym komputerze kwantowym”, arXiv: 2305.02345, (2023).

[4] ChangWon Lee i Daniel K. Park, „Skalowalne łagodzenie błędów pomiaru kwantowego poprzez warunkową niezależność i uczenie się transferu”, arXiv: 2308.00320, (2023).

Powyższe cytaty pochodzą z Reklamy SAO / NASA (ostatnia aktualizacja pomyślnie 2023-11-20 13:58:16). Lista może być niekompletna, ponieważ nie wszyscy wydawcy podają odpowiednie i pełne dane cytowania.

Nie można pobrać Przywołane przez Crossref dane podczas ostatniej próby 2023-11-20 13:58:14: Nie można pobrać cytowanych danych dla 10.22331 / q-2023-11-20-1184 z Crossref. Jest to normalne, jeśli DOI zostało niedawno zarejestrowane.

Niniejszy artykuł opublikowano w Quantum pod Creative Commons Uznanie autorstwa 4.0 Międzynarodowe (CC BY 4.0) licencja. Prawa autorskie należą do pierwotnych właścicieli praw autorskich, takich jak autorzy lub ich instytucje.

Znak czasu:

Więcej z Dziennik kwantowy