Bitwa czystych i brudnych kubitów w dobie częściowej korekcji błędów

Bitwa czystych i brudnych kubitów w dobie częściowej korekcji błędów

Daniela Bultriniego1,2, Samsona Wanga1,3Piotr Czarnik1,4, Maxa Huntera Gordona1,5, M. Cerezo6,7, Patrick J. Coles1,7i Łukasz Cincio1,7

1Wydział Teoretyczny, Laboratorium Narodowe Los Alamos, Los Alamos, NM 87545, USA
2Theoretische Chemie, Physikalisch-Chemisches Institut, Universität Heidelberg, INF 229, D-69120 Heidelberg, Niemcy
3Imperial College w Londynie, Londyn, Wielka Brytania
4Instytut Fizyki Teoretycznej, Uniwersytet Jagielloński, Kraków, Polska.
5Instituto de Física Teórica, UAM/CSIC, Universidad Autónoma de Madrid, Madryt 28049, Hiszpania
6Informatyka, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA
7Quantum Science Center, Oak Ridge, TN 37931, USA

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

Abstrakcyjny

Kiedy korekcja błędów stanie się możliwa, konieczne będzie przydzielenie dużej liczby kubitów fizycznych każdemu kubitowi logicznemu. Korekcja błędów pozwala na uruchamianie głębszych obwodów, ale każdy dodatkowy kubit fizyczny może potencjalnie przyczynić się do wykładniczego wzrostu przestrzeni obliczeniowej, więc istnieje kompromis między używaniem kubitów do korekcji błędów a używaniem ich jako kubitów z szumem. W tej pracy przyjrzymy się skutkom używania hałaśliwych kubitów w połączeniu z kubitami bezszumowymi (wyidealizowany model kubitów z korekcją błędów), które nazywamy konfiguracją „czyste i brudne”. Wykorzystujemy modele analityczne i symulacje numeryczne, aby scharakteryzować tę konfigurację. Liczbowo pokazujemy pojawianie się wywołanych szumem jałowych płaskowyżów (NIBP), tj. wykładniczą koncentrację obserwowalnych obiektów powodowanych przez szum, w hamiltonowskim wariacyjnym obwodzie ansatz modelu Isinga. Obserwujemy to, nawet jeśli tylko jeden kubit jest zaszumiony i ma wystarczająco głęboki obwód, co sugeruje, że NIBP nie można w pełni pokonać po prostu poprzez korekcję błędów podzbioru kubitów. Z drugiej strony stwierdzamy, że dla każdego bezszumowego kubitu w obwodzie następuje wykładnicze tłumienie koncentracji obserwowalnych gradientów, co pokazuje korzyści częściowej korekcji błędów. Wreszcie, nasze modele analityczne potwierdzają te odkrycia, pokazując, że obserwacje koncentrują się ze skalowaniem w wykładniku związanym ze stosunkiem kubitów brudnych do całkowitych.

W przyszłości z odpornymi na awarie komputerami kwantowymi otworzy się zupełnie nowy świat algorytmów kwantowych, które mogą oferować przewagę nad wieloma klasycznymi algorytmami. Nie obejdzie się to bez pewnych poświęceń – liczba kubitów potrzebnych do zakodowania kubitu z korekcją błędów (lub logicznego) będzie duża. Dodanie pojedynczego kubitu do systemu podwaja dostępną przestrzeń obliczeniową maszyny, dlatego w tym artykule zadajemy pytanie: czy można łączyć kubity z korekcją błędów z kubitami fizycznymi? Ponieważ szum znacznie utrudnia algorytmy kwantowe, być może połączenie korzyści z korekcji błędów z dodatkową przestrzenią Hilberta zapewnianą przez fizyczne kubity bez korekcji błędów może być korzystne dla niektórych klas algorytmów. Podchodzimy do tego pytania, stosując przybliżenie, w którym kubity bezszumowe zastępują kubity z korekcją błędów, które nazywamy czystymi; i są one połączone z hałaśliwymi kubitami fizycznymi, które nazywamy brudnymi. Pokazujemy analitycznie i numerycznie, że błędy w pomiarze wartości oczekiwanych są tłumione wykładniczo dla każdego zaszumionego kubitu, który jest zastępowany czystym kubitem, i że to zachowanie ściśle odpowiada temu, co zrobiłaby maszyna, gdybyś zmniejszył poziom błędów jednolicie hałaśliwej maszyny przez stosunek kubitów brudnych do kubitów ogółem.

► Dane BibTeX

► Referencje

[1] Richarda P. Feynmana. „Symulowanie fizyki za pomocą komputerów”. International Journal of Theoretical Physics 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 i in. „Odporna na błędy kontrola kubitu z korekcją błędów”. Przyroda 598, 281–286 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03928-y

[3] Piotr W Szor. „Algorytmy obliczeń kwantowych: dyskretne logarytmy i faktoring”. W Proceedings 35. doroczne sympozjum poświęcone podstawom informatyki. Strony 124–134. Iee (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

[4] Aram W. Harrow, Avinatan Hassidim i Seth Lloyd. „Algorytm kwantowy dla liniowych układów równań”. Listy przeglądu fizycznego 103, 150502 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[5] Johna Preskilla. „Obliczenia kwantowe w erze NISQ i poza nią”. Kwant 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​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, Łukasz Cincio i Patrick J. Coles. „Wariacyjne algorytmy kwantowe”. Nature Recenzje Fizyka 3, 625–644 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​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 i in. „Hałasowe algorytmy kwantowe o średniej skali”. Recenzje współczesnej fizyki 94, 015004 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.94.015004

[8] Jacob Biamonte, Peter Wittek, Nicola Pancotti, Patrick Rebentrost, Nathan Wiebe i Seth Lloyd. „Kwantowe uczenie maszynowe”. Przyroda 549, 195–202 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23474

[9] Michaela A. Nielsena i Isaaca L. Chuanga. „Obliczenia kwantowe i informacja kwantowa”. Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. Cambridge (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[10] Dorit Aharonov, Michael Ben-Or, Russell Impagliazzo i Noam Nisan. „Ograniczenia hałaśliwych obliczeń odwracalnych” (1996). adres URL: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189

[11] Michael Ben-Or, Daniel Gottesman i Avinatan chasydzi. „Lodówka kwantowa” (2013). adres URL: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1301.1995.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1301.1995

[12] Daniel Stilck França i Raul Garcia-Patron. „Ograniczenia algorytmów optymalizacyjnych na hałaśliwych urządzeniach kwantowych”. Fizyka przyrody 17, 1221–1227 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-021-01356-3

[13] Samson Wang, Enrico Fontana, M. Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Łukasz Cincio i Patrick J Coles. „Wywołane hałasem jałowe płaskowyże w wariacyjnych algorytmach kwantowych”. Komunikaty natury 12, 1–11 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[14] Jarrod R McClean, Sergio Boixo, Vadim N Smelyanskiy, Ryan Babbush i Hartmut Neven. „Jałowe płaskowyże w krajobrazach treningowych kwantowych sieci neuronowych”. Komunikaty natury 9, 1–6 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-07090-4

[15] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Łukasz Cincio i Patrick J Coles. „Jałowe płaskowyże zależne od funkcji kosztów w płytkich sparametryzowanych obwodach kwantowych”. Nature Communications 12, 1–12 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-021-21728-w

[16] Andrew Arrasmith, Zoë Holmes, Marco Cerezo i Patrick J Coles. „Równoważność jałowych płaskowyżów kwantowych z koncentracją kosztów i wąskimi wąwozami”. Nauka i technologia kwantowa 7, 045015 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ac7d06

[17] Andrew Arrasmith, M. Cerezo, Piotr Czarnik, Łukasz Cincio i Patrick J Coles. „Wpływ jałowych płaskowyżów na optymalizację bez gradientu”. Kwant 5, 558 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-05-558

[18] M. Cerezo i Patrick J. Coles. „Pochodne wyższego rzędu kwantowych sieci neuronowych z jałowymi płaskowyżami”. Nauka i technologia kwantowa 6, 035006 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​abf51a

[19] Carlos Ortiz Marrero, Mária Kieferová i Nathan Wiebe. „Jałowe płaskowyże wywołane splątaniem”. 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 i M. Cerezo. „Diagnozowanie jałowych płaskowyżów za pomocą narzędzi z Quantum Optimal Control”. Kwant 6, 824 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-09-29-824

[21] Zoë Holmes, Kunal Sharma, M. Cerezo i Patrick J Coles. „Łączenie wyrażalności ansatz z wielkościami gradientów i jałowymi płaskowyżami”. PRX Quantum 3, 010313 (2022).
https: // doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010313

[22] Supanut Thanasilp, Samson Wang, Nhat A Nghiem, Patrick J. Coles i M. Cerezo. „Subtelności w możliwości trenowania kwantowych modeli uczenia maszynowego” (2021). adres URL: https://​/​arxiv.org/​abs/​2110.14753.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s42484-023-00103-6
arXiv: 2110.14753

[23] Samson Wang, Piotr Czarnik, Andrew Arrasmith, M. Cerezo, Łukasz Cincio i Patrick J Coles. „Czy łagodzenie błędów może poprawić możliwości trenowania hałaśliwych wariacyjnych algorytmów kwantowych?” (2021). adres URL: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2109.01051.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2109.01051

[24] Ningping Cao, Junan Lin, David Kribs, Yiu-Tung Poon, Bei Zeng i Raymond Laflamme. „NISQ: Korekcja błędów, łagodzenie i symulacja szumów” (2021). adres URL: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2111.02345.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2111.02345

[25] Adam Holmes, Mohammad Reza Jokar, Ghasem Pasandi, Yongshan Ding, Massoud Pedram i Frederic T Chong. „NISQ+: Zwiększanie kwantowej mocy obliczeniowej poprzez zbliżenie kwantowej korekcji błędów”. W 2020 ACM/​IEEE 47th Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA). Strony 556–569. IEEE (2020). adres URL: https://​/​doi.org/​10.1109/​ISCA45697.2020.00053.
https://​/​doi.org/​10.1109/​ISCA45697.2020.00053

[26] Yasunari Suzuki, Suguru Endo, Keisuke Fujii i Yuuki Tokunaga. „Łagodzenie błędów kwantowych jako uniwersalna technika redukcji błędów: zastosowania od NISQ do odpornych na błędy epok komputerów kwantowych”. PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https: // doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010345

[27] Emanuel Knill i Raymond Laflamme. „Moc jednego bitu informacji kwantowej”. Physical Review Letters 81, 5672 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.81.5672

[28] Keisuke Fujii, Hirotada Kobayashi, Tomoyuki Morimae, Harumichi Nishimura, Shuhei Tamate i Seiichiro Tani. „Moc obliczeń kwantowych z kilkoma czystymi kubitami”. 43. międzynarodowe kolokwium na temat automatów, języków i programowania (ICALP 2016) 55, 13: 1–13: 14 (2016).
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.ICALP.2016.13

[29] Tomoyuki Morimae, Keisuke Fujii i Harumichi Nishimura. „Moc jednego nieczystego kubitu”. Przegląd fizyczny A 95, 042336 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042336

[30] Craiga Gidneya. „Faktoring z n+2 czystymi kubitami i n-1 brudnymi kubitami” (2017). adres URL: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1706.07884.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1706.07884

[31] Anirban N. Chowdhury, Rolando D. Somma i Yiğit Subaşı. „Obliczanie funkcji partycji w modelu jednego czystego kubitu”. Przegląd fizyczny A 103, 032422 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.032422

[32] Keisuke Fujii, Hirotada Kobayashi, Tomoyuki Morimae, Harumichi Nishimura, Shuhei Tamate i Seiichiro Tani. „Niemożność klasycznej symulacji modelu jednego czystego kubitu z błędem multiplikatywnym”. Listy przeglądu fizycznego 120, 200502 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.200502

[33] Raymond Laflamme, Cesar Miquel, Juan Pablo Paz i Wojciech Hubert Żurek. „Doskonały kod korygujący błędy kwantowe”. fizyka Wielebny Lett. 77, 198-201 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.77.198

[34] Daniela Gottesmana. „Wprowadzenie do kwantowej korekcji błędów i odpornych na uszkodzenia obliczeń kwantowych”. Informatyka kwantowa i jej wkład w matematykę, Proceedings of Symposia in Applied Mathematics 63, 13–58 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1090/​psapm/​068/​2762145

[35] 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

[36] Yu Kitajew. „Obliczenia kwantowe: algorytmy i korekcja błędów”. Rosyjskie badania matematyczne 52, 1191 (1997).
https:/​/​doi.org/​10.1070/​RM1997v052n06ABEH002155

[37] Chris N Self, Marcello Benedetti i David Amaro. „Ochrona obwodów ekspresyjnych za pomocą kodu wykrywania błędów kwantowych” (2022). adres URL: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.06703.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.06703

[38] Rolando D. Sommę. „Oszacowanie kwantowej wartości własnej za pomocą analizy szeregów czasowych”. Nowy Dziennik Fizyki 21, 123025 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab5c60

[39] Vojtěch Havlíček, Antonio D Córcoles, Kristan Temme, Aram W Harrow, Abhinav Kandala, Jerry M Chow i Jay M Gambetta. „Nadzorowane uczenie się za pomocą przestrzeni cech ulepszonych kwantowo”. Przyroda 567, 209–212 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-0980-2

[40] Andrew G. Taube i Rodney J. Bartlett. „Nowe perspektywy teorii unitarnych sprzężonych klastrów”. Międzynarodowe czasopismo chemii kwantowej 106, 3393–3401 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qua.21198

[41] Sumeet Khatri, Ryan LaRose, Alexander Poremba, Łukasz Cincio, Andrew T Sornborger i Patrick J Coles. „Kompilacja kwantowa wspomagana kwantowo”. Kwant 3, 140 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-05-13-140

[42] Colin J Trout, Muyuan Li, Mauricio Gutiérrez, Yukai Wu, Sheng-Tao Wang, Luming Duan i Kenneth R. Brown. „Symulowanie działania kodu powierzchniowego odległości 3 w liniowej pułapce jonowej”. New Journal of Physics 20, 043038 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aab341

[43] Łukasz Cincio, Yiğit Subaşı, Andrew T Sornborger i Patrick J Coles. „Nauka kwantowego algorytmu nakładania się stanów”. New Journal of Physics 20, 113022 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aae94a

[44] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone i Sam Gutmann. „Algorytm optymalizacji przybliżonej kwantowej” (2014). adres URL: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1411.4028.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1411.4028

[45] Stuart Hadfield, Zhihui Wang, Bryan O'Gorman, Eleanor G Rieffel, Davide Venturelli i Rupak Biswas. „Od przybliżonego algorytmu optymalizacji kwantowej do kwantowego operatora przemiennego ansatz”. Algorytmy 12, 34 (2019).
https: / / doi.org/ 10.3390 / a12020034

[46] Maria Schuld, Ville Bergholm, Christian Gogolin, Josh Izaac i Nathan Killoran. „Ocena gradientów analitycznych na sprzęcie kwantowym”. Przegląd fizyczny A 99, 032331 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032331

[47] Łukasz Cincio, Kenneth Rudinger, Mohan Sarovar i Patrick J. Coles. „Uczenie maszynowe odpornych na zakłócenia obwodów kwantowych”. PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: // doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[48] Ryuji Takagi, Suguru Endo, Shintaro Minagawa i Mile Gu. „Podstawowe ograniczenia łagodzenia błędów kwantowych”. npj Quantum Information 8, 114 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-022-00618-z

[49] Sergey Danilin, Nicholas Nugent i Martin Weides. „Wykrywanie kwantowe z przestrajalnymi kubitami nadprzewodzącymi: optymalizacja i przyspieszenie” (2022). adres URL: https://​/​arxiv.org/​abs/​2211.08344.
arXiv: 2211.08344

[50] Nikolai Lauk, Neil Sinclair, Shabir Barzanjeh, Jacob P Covey, Mark Saffman, Maria Spiropulu i Christoph Simon. „Perspektywy transdukcji kwantowej”. Nauka i technologia kwantowa 5, 020501 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ab788a

[51] Bernharda Baumgartnera. „Nierówność śladu iloczynów macierzowych z wykorzystaniem wartości bezwzględnych” (2011). adres URL: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189

Cytowany przez

[1] Mikel Garcia-de-Andoin, Álvaro Saiz, Pedro Pérez-Fernández, Lucas Lamata, Izaskun Oregi i Mikel Sanz, „Digital-Analog Quantum Computation with Arbitrary Two-Body Hamiltonians”, arXiv: 2307.00966, (2023).

[2] Abdullah Ash Saki, Amara Katabarwa, Salonik Resch i George Umbrarescu, „Testowanie hipotez w celu ograniczania błędów: jak oceniać ograniczanie błędów”, arXiv: 2301.02690, (2023).

[3] Patrick J. Coles, Collin Szczepanski, Denis Melanson, Kaelan Donatella, Antonio J. Martinez i Faris Sbahi, „Termodynamiczna sztuczna inteligencja i granica fluktuacji”, arXiv: 2302.06584, (2023).

[4] M. Cerezo, Guillaume Verdon, Hsin-Yuan Huang, Łukasz Cincio i Patrick J. Coles, „Wyzwania i możliwości w kwantowym uczeniu maszynowym”, arXiv: 2303.09491, (2023).

[5] Nikolaos Koukoulekidis, Samson Wang, Tom O'Leary, Daniel Bultrini, Łukasz Cincio i Piotr Czarnik, „Struktura częściowej korekcji błędów dla komputerów kwantowych o średniej skali”, arXiv: 2306.15531, (2023).

Powyższe cytaty pochodzą z Reklamy SAO / NASA (ostatnia aktualizacja pomyślnie 2023-07-13 15:21:51). Lista może być niekompletna, ponieważ nie wszyscy wydawcy podają odpowiednie i pełne dane cytowania.

Nie można pobrać Przywołane przez Crossref dane podczas ostatniej próby 2023-07-13 15:21:50: Nie można pobrać cytowanych danych dla 10.22331 / q-2023-07-13-1060 z Crossref. Jest to normalne, jeśli DOI zostało niedawno zarejestrowane.

Znak czasu:

Więcej z Dziennik kwantowy