Atenuarea sinergetică a erorilor cuantice prin compilare aleatorie și extrapolare fără zgomot pentru soluția proprie cuantică variațională

Atenuarea sinergetică a erorilor cuantice prin compilare aleatorie și extrapolare fără zgomot pentru soluția proprie cuantică variațională

Marca temporală: 20 noiembrie 2023, ora 8:49

Tomochika Kurita1, Hammam Qassim2, Masatoshi Ishii1, Hirotaka Oshima1, Shintaro Sato1și Joseph Emerson2

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

Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.

Abstract

Propunem o strategie de atenuare a erorilor cuantice pentru algoritmul variațional cuantic eigensolver (VQE). Găsim, prin simulare numerică, că cantități foarte mici de zgomot coerent în VQE pot cauza erori substanțial mari, care sunt greu de suprimat prin metode convenționale de atenuare, și totuși strategia noastră de atenuare propusă este capabilă să reducă semnificativ aceste erori. Strategia propusă este o combinație de tehnici raportate anterior, și anume compilarea randomizată (RC) și extrapolarea zero-zgomot (ZNE). În mod intuitiv, compilarea randomizată transformă erorile coerente din circuit în erori Pauli stocastice, ceea ce facilitează extrapolarea la limita zero-zgomot atunci când se evaluează funcția de cost. Simularea noastră numerică a VQE pentru molecule mici arată că strategia propusă poate atenua erorile energetice induse de diferite tipuri de zgomot coerent cu până la două ordine de mărime.

Atenuarea sinergetică a erorilor cuantice prin compilare aleatorie și extrapolare fără zgomot pentru soluția proprie cuantică variațională PlatoBlockchain Data Intelligence. Căutare verticală. Ai.

Rezumat popular

Când executăm calcule cuantice, este crucial să minimizăm erorile de calcul induse de zgomotul hardware. Pentru hardware-ul cuantic la scară intermediară zgomotoasă (NISQ), tehnicile de atenuare a erorilor cuantice pot fi folosite pentru a reduce astfel de erori. Abordarea zgomotului coerent, totuși, rămâne o provocare semnificativă în atenuarea erorilor din două motive: (i) chiar și o cantitate mică de zgomot coerent poate duce la erori de calcul substanțiale și (ii) aceste erori sunt dificil de atenuat folosind tehnicile existente.
În această lucrare, propunem o tehnică de atenuare a erorilor care reduce în mod eficient erorile induse de zgomotul coerent. Această tehnică utilizează efectul sinergetic al compilării aleatorii (RC) și al extrapolării zero-zgomot (ZNE). RC convertește zgomotul coerent în zgomot Pauli stocastic, care poate fi atenuat eficient folosind ZNE. Simulările noastre numerice privind algoritmii cuantici variaționali de soluție proprie demonstrează că tehnica noastră de atenuare propusă prezintă un efect semnificativ de suprimare a erorilor împotriva zgomotului coerent.

► Date BibTeX

► Referințe

[1] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin și Xiao Yuan. „Chimie computațională cuantică”. Reviews of 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 și Yuhua Duan. „Calcul cuantic și simulări pentru aplicații energetice: revizuire și perspectivă”. 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 și Jeannette M Garcia. „Calcul cuantic al produselor dominante în bateriile cu litiu-sulf”. The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068

[4] Austin G Fowler, Matteo Mariantoni, John M Martinis și Andrew N Cleland. „Coduri de suprafață: către calcule cuantice practice la scară largă”. 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 și Jeremy L O'brien. „Un rezolvator de valori proprii variaționale pe un procesor cuantic fotonic”. Nature communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[6] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush și Alán Aspuru-Guzik. „Teoria algoritmilor hibrizi variaționali cuantic-clasici”. 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 și colab. „Simularea cuantică scalabilă a energiilor moleculare”. Physical Review 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 și Jay M Gambetta. „Rezolvare proprie cuantică variațională eficientă din punct de vedere hardware pentru molecule mici și magneți cuantici”. 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 și Irfan Siddiqi. „Calculul spectrelor moleculare pe un procesor cuantic cu un algoritm rezistent la erori”. Physical Review 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 și Jay M Gambetta. „Atenuarea erorilor extinde capacitatea de calcul a unui procesor cuantic zgomotos”. 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 și Kihwan Kim. „Implementarea cuantică a clusterului unitar cuplat pentru simularea structurii electronice moleculare”. Physical Review 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 și colab. „Estimarea energiei în starea fundamentală a moleculei de apă pe un computer cuantic cu ioni prinși”. 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 și Hartmut Neven. „Plașuri sterile în peisajele de antrenament al rețelelor neuronale cuantice”. Nature communications 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 și colab. „Rezolvarea proprie cuantică variațională: o revizuire a metodelor și a celor mai bune practici”. Rapoarte de fizică 986, 1–128 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.08.003

[15] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin și Xiao Yuan. „Algoritmi hibrizi cuantic-clasici și atenuarea erorilor cuantice”. Journal of the Physical Society of Japan 90, 032001 (2021).
https: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001

[16] Ying Li și Simon C Benjamin. „Simulator cuantic variațional eficient care încorporează minimizarea erorilor active”. Physical Review X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[17] Kristan Temme, Sergey Bravyi și Jay M Gambetta. „Atenuarea erorilor pentru circuitele cuantice de scurtă adâncime”. Scrisorile de revizuire fizică 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[18] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A de Jong și Christian W Bauer. „Extrapolare cu zero zgomot pentru atenuarea erorilor de poartă cuantică cu inserții de identitate”. 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 și Kihwan Kim. „Porți cuantice atenuate de erori care depășesc fidelitățile fizice într-un sistem cu ioni prinși”. Nature communications 11, 587 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[20] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter și Wibe A De Jong. „Ierarhie hibridă cuantică-clasică pentru atenuarea decoerenței și determinarea stărilor excitate”. Physical Review A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[21] Joel J Wallman și Joseph Emerson. „Adaptarea zgomotului pentru calcul cuantic scalabil prin compilare aleatorie”. 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. „Compilare aleatorie pentru calculul cuantic scalabil pe un procesor cuantic supraconductor zgomotos”. Physical Review 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 și colab. „Folosirea compilării aleatorii pentru algoritmul cuantic de evoluție în timp imaginar”. 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 și Abhinav Kandala. „Atenuarea scalabilă a erorilor pentru circuitele cuantice zgomotoase produce valori de așteptare competitive”. Fizica naturii 19, 752–759 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[25] Chao Song, Jing Cui, H Wang, J Hao, H Feng și Ying Li. „Calcul cuantic cu atenuarea universală a erorilor pe un procesor cuantic supraconductor”. Science advances 5, eaaw5686 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[26] Matthew Ware, Guilhem Ribeill, Diego Riste, Colm A Ryan, Blake Johnson și Marcus P Da Silva. „Randomizare experimentală cu cadru Pauli pe un qubit supraconductor”. 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 și Joel J Wallman. „Îmbunătățirea eficientă a performanței calculatoarelor cuantice zgomotoase” (2022). arXiv:2201.10672.
arXiv: 2201.10672

[28] Nick S Blunt, Laura Caune, Róbert Izsák, Earl T Campbell și Nicole Holzmann. „Estimarea fazei statistice și atenuarea erorilor pe un procesor cuantic supraconductor” (2023). arXiv:2304.05126.
arXiv: 2304.05126

[29] Samson Wang, Enrico Fontana, Marco Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cicio și Patrick J Coles. „Plașuri sterile induse de zgomot în algoritmi cuantici variaționali”. Nature communications 12, 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] Michael A Nielsen și Isaac Chuang. „Calcul cuantic și informații cuantice”. 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 și colab. „Evaluarea dovezilor pentru avantajul cuantic exponențial în chimia cuantică a stării fundamentale”. Nature communications 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 și Jhonathan Romero. „Măsurătorile ca obstacol către avantajul cuantic practic pe termen scurt în chimie: analiza resurselor”. 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 și Stephen Brierley. „Măsurarea cuantică eficientă a operatorilor Pauli în prezența unei erori finite de eșantionare”. Quantum 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[34] Tomochika Kurita, Mikio Morita, Hirotaka Oshima și Shintaro Sato. „Algoritmul de partiționare a șirurilor Pauli cu modelul Ising pentru măsurarea simultană”. 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 și colab. „Software True-Q. 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 și colab. „SciPy 1.0: algoritmi fundamentali pentru calculul științific în Python”. Nature Methods 17, 261–272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] Michael JD Powell. „Algoritmul BOBYQA pentru optimizarea constrânsă legată fără derivate”. Raportul tehnic. Universitatea din 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 și colab. „OpenFermion: Pachetul de structură electronică pentru calculatoarele cuantice” (2017). arXiv:1710.07629.
arXiv: 1710.07629

[39] Ewout van den Berg, Zlatko K Minev, Abhinav Kandala și Kristan Temme. „Anularea erorilor probabilistice cu modele rare Pauli-Lindblad pe procesoare cuantice zgomotoase”. Fizica naturii 19, 1116–1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

Citat de

[1] Ritajit Majumdar, Pedro Rivero, Friederike Metz, Areeq Hasan și Derek S Wang, „Bone practices for quantum error mitigation with digital zero-noise extrapolation”, arXiv: 2307.05203, (2023).

[2] Arnaud Carignan-Dugas, Shashank Kumar Ranu și Patrick Dreher, „Estimarea contribuțiilor coerente la profilul de eroare folosind reconstrucția erorilor de ciclu”, arXiv: 2303.09945, (2023).

[3] Hugo Perrin, Thibault Scoquart, Alexander Shnirman, Jörg Schmalian și Kyrylo Snizhko, „Mitigating crosstalk errors by randomized compiling: Simulation of the BCS model on a superconducting quantum computer”, arXiv: 2305.02345, (2023).

[4] ChangWon Lee și Daniel K. Park, „Scalable quantum measurement error mitigation via conditional independence and transfer learning”, arXiv: 2308.00320, (2023).

Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2023-11-20 13:58:16). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.

Nu a putut să aducă Date citate încrucișate în ultima încercare 2023-11-20 13:58:14: Nu s-au putut prelua date citate pentru 10.22331 / q-2023-11-20-1184 de la Crossref. Acest lucru este normal dacă DOI a fost înregistrat recent.

Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Jurnalul cuantic