A batalha de qubits limpos e sujos na era da correção parcial de erros

A batalha de qubits limpos e sujos na era da correção parcial de erros

Carimbo de data / hora: 13 de julho de 2023, 11h

Daniel Bultrini1,2, Sansão Wang1,3, Piotr Czarnik1,4,Max HunterGordon1,5, M. Cerezo6,7, Patrick J. Coles1,7, e Lukasz Cincio1,7

1Divisão Teórica, Laboratório Nacional de Los Alamos, Los Alamos, NM 87545, EUA
2Theoretische Chemie, Physikalisch-Chemisches Institut, Universität Heidelberg, INF 229, D-69120 Heidelberg, Alemanha
3Imperial College London, Londres, Reino Unido
4Instituto de Física Teórica, Universidade Jagiellonian, Cracóvia, Polônia.
5Instituto de Física Teórica, UAM/CSIC, Universidad Autónoma de Madrid, Madrid 28049, Espanha
6Ciências da Informação, Laboratório Nacional de Los Alamos, Los Alamos, NM 87545, EUA
7Centro de Ciência Quântica, Oak Ridge, TN 37931, EUA

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Sumário

Quando a correção de erros se tornar possível, será necessário dedicar um grande número de qubits físicos a cada qubit lógico. A correção de erros permite que circuitos mais profundos sejam executados, mas cada qubit físico adicional pode potencialmente contribuir com um aumento exponencial no espaço computacional, portanto, há uma troca entre usar qubits para correção de erros ou usá-los como qubits ruidosos. Neste trabalho, examinamos os efeitos do uso de qubits ruidosos em conjunto com qubits sem ruído (um modelo idealizado para qubits corrigidos por erros), que chamamos de configuração “limpa e suja”. Empregamos modelos analíticos e simulações numéricas para caracterizar esta configuração. Numericamente, mostramos o aparecimento de Barren Plateaus Induzidos por Ruído (NIBPs), ou seja, uma concentração exponencial de observáveis ​​causados ​​por ruído, em um circuito ansatz variacional hamiltoniano de modelo de Ising. Observamos isso mesmo que apenas um único qubit seja ruidoso e tenha um circuito profundo o suficiente, sugerindo que os NIBPs não podem ser totalmente superados simplesmente corrigindo um subconjunto dos qubits. Do lado positivo, descobrimos que para cada qubit sem ruído no circuito, há uma supressão exponencial na concentração de gradientes observáveis, mostrando o benefício da correção parcial de erros. Finalmente, nossos modelos analíticos corroboram essas descobertas, mostrando que os observáveis ​​se concentram com uma escala no expoente relacionado à proporção de qubits sujos para o total.

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Imagem em destaque: À esquerda, há um gráfico mostrando a magnitude média dos gradientes do circuito na inserção sobre a profundidade do circuito com diferentes linhas para os diferentes números de qubits sujos (ruidosos) e limpos (sem ruído) no sistema simulado. Há um claro decaimento exponencial da magnitude média dos gradientes sobre a profundidade do circuito, que é máxima quando todos os qubits são ruidosos. À direita, há um diagrama de circuito de como os canais de ruído $(mathcal N)$ são distribuídos pelas portas $(U)$ na configuração limpa e suja.

Resumo popular

Em um futuro com computadores quânticos tolerantes a falhas, um novo mundo de algoritmos quânticos se abrirá, o que pode oferecer vantagens sobre muitos algoritmos clássicos. Isso não virá sem algum sacrifício – o número de qubits necessários para codificar um qubit corrigido (ou lógico) com erro será grande. Adicionar um único qubit a um sistema dobra o espaço computacional disponível da máquina, portanto, neste artigo, fazemos a pergunta: você pode combinar qubits corrigidos de erro com qubits físicos? Como o ruído impede muito os algoritmos quânticos, talvez combinar os benefícios da correção de erros com o espaço de Hilbert adicional proporcionado por qubits físicos não corrigidos por erros possa ser benéfico para algumas classes de algoritmos. Abordamos essa questão usando uma aproximação em que os qubits sem ruído substituem os qubits corrigidos por erros, que chamamos de limpos; e eles são acoplados a qubits físicos ruidosos, que chamamos de sujos. Mostramos analiticamente e numericamente que os erros na medição dos valores esperados são suprimidos exponencialmente para cada qubit ruidoso que é substituído por um qubit limpo e que esse comportamento segue de perto o que a máquina faria se você reduzisse a taxa de erro de uma máquina uniformemente barulhenta pela proporção de qubits sujos para qubits totais.

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Citado por

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As citações acima são de SAO / NASA ADS (última atualização com êxito 2023-07-13 15:21:51). A lista pode estar incompleta, pois nem todos os editores fornecem dados de citação adequados e completos.

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