Bătălia Qubits curați și murdari în epoca corectării parțiale a erorilor

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Daniel Bultrini^1,2, Samson Wang^1,3, Piotr Czarnik^1,4, Max Hunter Gordon^1,5, M. Cerezo^6,7, Patrick J. Coles^1,7, și Lukasz Cicio^1,7

¹Divizia teoretică, Laboratorul Național Los Alamos, Los Alamos, NM 87545, SUA
²Theoretische Chemie, Physikalisch-Chemisches Institut, Universität Heidelberg, INF 229, D-69120 Heidelberg, Germania
³Colegiul Imperial din Londra, Londra, Marea Britanie
⁴Institutul de Fizică Teoretică, Universitatea Jagiellonian, Cracovia, Polonia.
⁵Instituto de Física Teórica, UAM/CSIC, Universidad Autónoma de Madrid, Madrid 28049, Spania
⁶Științe informaționale, Laboratorul Național Los Alamos, Los Alamos, NM 87545, SUA
⁷Quantum Science Center, Oak Ridge, TN 37931, SUA

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

Abstract

Când corectarea erorilor devine posibilă, va fi necesar să se dedice un număr mare de qubiți fizici fiecărui qubit logic. Corectarea erorilor permite rularea unor circuite mai profunde, dar fiecare qubit fizic suplimentar poate contribui la o creștere exponențială a spațiului de calcul, deci există un compromis între utilizarea qubiților pentru corectarea erorilor sau folosirea lor ca qubiți zgomotoși. În această lucrare, ne uităm la efectele utilizării qubiților zgomotoși în combinație cu qubiții fără zgomot (un model ideal pentru qubiții corectați de erori), pe care îi numim configurația „curată și murdară”. Folosim modele analitice și simulări numerice pentru a caracteriza această configurație. Din punct de vedere numeric, arătăm apariția podișurilor sterile induse de zgomot (NIBP), adică o concentrație exponențială de observabile cauzate de zgomot, într-un circuit ansatz variațional hamiltonian model Ising. Observăm acest lucru chiar dacă doar un singur qubit este zgomotos și are un circuit suficient de profund, ceea ce sugerează că NIBP-urile nu pot fi depășite pe deplin prin simpla corectare a erorilor unui subset de qubits. Pe partea pozitivă, constatăm că pentru fiecare qubit fără zgomot din circuit, există o suprimare exponențială a concentrației observabilelor de gradient, arătând beneficiul corecției parțiale a erorilor. În cele din urmă, modelele noastre analitice coroborează aceste constatări arătând că observabilele se concentrează cu o scalare în exponent legată de raportul qubiților murdari la total.

Bătălia qubiților curați și murdari în era corectării parțiale a erorilor PlatoBlockchain Data Intelligence. Căutare verticală. Ai.

Imagine prezentată: În stânga, există o diagramă care arată magnitudinea medie a gradienților circuitului în interiorul adâncimii circuitului cu linii diferite pentru diferitele numere de qubiți murdari (zgomotoși) și curați (fără zgomot) din sistemul simulat. Există o decădere exponențială clară a mărimii medii a gradienților pe adâncimea circuitului, care este maximă atunci când toți qubiții sunt zgomotoși. În dreapta, există o diagramă de circuit a modului în care canalele de zgomot $(mathcal N)$ sunt distribuite în jurul porților $(U)$ în configurația curată și murdară.

Rezumat popular

Într-un viitor cu calculatoare cuantice tolerante la erori, se va deschide o lume cu totul nouă a algoritmilor cuantici, care ar putea oferi avantaje față de mulți algoritmi clasici. Acest lucru nu va veni fără un anumit sacrificiu – numărul de qubiți necesar pentru a codifica un qubit corectat (sau logic) de eroare va fi mare. Adăugarea unui singur qubit la un sistem dublează spațiul de calcul disponibil al mașinii, așa că în această lucrare ne punem întrebarea: puteți combina qubiții corectați de eroare cu qubiții fizici? Deoarece zgomotul împiedică foarte mult algoritmii cuantici, poate că combinarea beneficiilor corecției erorilor cu spațiul Hilbert suplimentar oferit de qubiții fizici necorectați în eroare poate fi benefică pentru unele clase de algoritmi. Abordăm această întrebare folosind o aproximare în care qubiții fără zgomot iau locul qubiților corectați de eroare, pe care îi numim curați; și sunt cuplati cu qubiți fizici zgomotoși, pe care îi numim murdari. Arătăm analitic și numeric că erorile în măsurarea valorilor așteptărilor sunt suprimate exponențial pentru fiecare qubit zgomotos care este înlocuit cu un qubit curat și că acest comportament urmează îndeaproape ceea ce ar face mașina dacă ați reduce rata de eroare a unei mașini uniform zgomotoase. prin raportul dintre qubiții murdari și qubiții totali.

► Date BibTeX

@articol{Bultrini2023battleofcleandirty, doi = {10.22331/q-2023-07-13-1060}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-07-13-1060}, title = {Bătălia de qubits curați și murdari în era corectării parțiale a erorilor}, autor = {Bultrini, Daniel și Wang, Samson și Czarnik, Piotr și Gordon, Max Hunter și Cerezo, M. și Coles, Patrick J. și Cicio, Lukasz}, jurnal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, editor = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volum = {7}, pagini = {1060 }, luna = iul, anul = {2023} }

► Referințe

[1] Richard P. Feynman. „Simularea fizicii cu computerele”. Jurnalul Internațional de Fizică Teoretică 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 și colab. „Controlul tolerant la erori al unui qubit corectat la erori”. Nature 598, 281–286 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03928-y

[3] Peter W Shor. „Algoritmi pentru calculul cuantic: logaritmi discreti și factoring”. In Proceedings Cel de-al 35-lea simpozion anual despre fundamentele informaticii. Paginile 124–134. Ieee (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

[4] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim și Seth Lloyd. „Algoritm cuantic pentru sisteme liniare de ecuații”. Physical Review Letters 103, 150502 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[5] John Preskill. „Calcul cuantic în era NISQ și nu numai”. Quantum 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, Lukasz Cicio și Patrick J. Coles. „Algoritmi cuantici variaționali”. Nature Reviews Physics 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, et al. „Algoritmi cuantici zgomotoși la scară intermediară”. Reviews of Modern Physics 94, 015004 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.94.015004

[8] Jacob Biamonte, Peter Wittek, Nicola Pancotti, Patrick Rebentrost, Nathan Wiebe și Seth Lloyd. „Învățare automată cuantică”. Natura 549, 195–202 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23474

[9] Michael A. Nielsen și Isaac L. Chuang. „Calcul cuantic și informații cuantice”. Cambridge University Press. Cambridge (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[10] Dorit Aharonov, Michael Ben-Or, Russell Impagliazzo și Noam Nisan. „Limitările calculelor reversibile zgomotoase” (1996). url: https:///doi.org/10.48550/arXiv.1106.6189.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1106.6189

[11] Michael Ben-Or, Daniel Gottesman și Avinatan Hassidim. „Frigider cuantic” (2013). url: https:///doi.org/10.48550/arXiv.1301.1995.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1301.1995

[12] Daniel Stilck França și Raul Garcia-Patron. „Limitări ale algoritmilor de optimizare pe dispozitivele cuantice zgomotoase”. Fizica naturii 17, 1221–1227 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41567-021-01356-3

[13] Samson Wang, Enrico Fontana, M. Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cicio și Patrick J Coles. „Plașuri sterile induse de zgomot în algoritmi cuantici variaționali”. Nature Communications 12, 1–11 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-27045-6

[14] 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, 1–6 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41467-018-07090-4

[15] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cicio și Patrick J Coles. „Platuri sterile dependente de funcția de cost în circuite cuantice parametrizate superficiale”. Nature Communications 12, 1–12 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-021-21728-w

[16] Andrew Arrasmith, Zoë Holmes, Marco Cerezo și Patrick J Coles. „Echivalența platourilor cuantice sterile cu concentrarea costurilor și cheile înguste”. Quantum Science and Technology 7, 045015 (2022).
https://doi.org/10.1088/2058-9565/ac7d06

[17] Andrew Arrasmith, M. Cerezo, Piotr Czarnik, Lukasz Cicio și Patrick J Coles. „Efectul platourilor sterile asupra optimizării fără gradient”. Quantum 5, 558 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-05-558

[18] M. Cerezo și Patrick J Coles. „Derivate de ordin superior ale rețelelor neuronale cuantice cu platouri sterile”. Quantum Science and Technology 6, 035006 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / abf51a

[19] Carlos Ortiz Marrero, Mária Kieferová și Nathan Wiebe. „Podisurile sterile induse de încurcare”. 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 și M. Cerezo. „Diagnosticarea platourilor sterile cu instrumente de la Quantum Optimal Control”. Quantum 6, 824 (2022).
https://doi.org/10.22331/q-2022-09-29-824

[21] Zoë Holmes, Kunal Sharma, M. Cerezo și Patrick J Coles. „Conectarea expresibilității ansatz la magnitudini de gradient și platouri sterile”. PRX Quantum 3, 010313 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010313

[22] Supanut Thanasilp, Samson Wang, Nhat A Nghiem, Patrick J. Coles și M. Cerezo. „Subtilități în formabilitatea modelelor de învățare automată cuantică” (2021). 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, Lukasz Cicio și Patrick J Coles. „Poate atenuarea erorilor să îmbunătățească capacitatea de antrenament a algoritmilor cuantici variaționali zgomotoși?” (2021). 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 și Raymond Laflamme. „NISQ: Corectarea erorilor, atenuarea și simularea zgomotului” (2021). 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 și Frederic T Chong. „NISQ+: Creșterea puterii de calcul cuantic prin aproximarea corecției erorilor cuantice”. În 2020, cel de-al 47-lea simpozion internațional anual ACM/IEEE privind arhitectura calculatoarelor (ISCA). Paginile 556–569. IEEE (2020). url: https:///doi.org/10.1109/ISCA45697.2020.00053.
https:///doi.org/10.1109/ISCA45697.2020.00053

[26] Yasunari Suzuki, Suguru Endo, Keisuke Fujii și Yuuki Tokunaga. „Atenuarea erorilor cuantice ca tehnică universală de reducere a erorilor: aplicații de la NISQ la epocile de calcul cuantic tolerant la erori”. PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010345

[27] Emanuel Knill și Raymond Laflamme. „Puterea unui bit de informație cuantică”. 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 și Seiichiro Tani. „Puterea calculului cuantic cu puțini Qubits curați”. Al 43-lea Colocviu Internațional despre Automate, Limbaje și Programare (ICALP 2016) 55, 13:1–13:14 (2016).
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.ICALP.2016.13

[29] Tomoyuki Morimae, Keisuke Fujii și Harumichi Nishimura. „Puterea unui qubit necurat”. Physical Review A 95, 042336 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042336

[30] Craig Gidney. „Factorizarea cu n+2 qubiți curați și n-1 qubiți murdari” (2017). url: https:///doi.org/10.48550/arXiv.1706.07884.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1706.07884

[31] Anirban N. Chowdhury, Rolando D. Somma și Yiğit Subaşı. „Computarea funcțiilor de partiție în modelul one-clean-qubit”. Physical Review A 103, 032422 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.032422

[32] Keisuke Fujii, Hirotada Kobayashi, Tomoyuki Morimae, Harumichi Nishimura, Shuhei Tamate și Seiichiro Tani. „Imposibilitatea simulării clasice a modelului cu un qubit curat cu eroare multiplicativă”. Physical Review Letters 120, 200502 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.200502

[33] Raymond Laflamme, Cesar Miquel, Juan Pablo Paz și Wojciech Hubert Zurek. „Cod perfect de corectare a erorilor cuantice”. Fiz. Rev. Lett. 77, 198–201 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.77.198

[34] Daniel Gottesman. „O introducere în corectarea erorilor cuantice și calculul cuantic tolerant la erori”. Știința informației cuantice și contribuțiile sale la matematică, Proceedings of Symposias in Applied Mathematics 63, 13–58 (2010).
https:///doi.org/10.1090/psapm/068/2762145

[35] 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

[36] Un Yu Kitaev. „Calcule cuantice: algoritmi și corectarea erorilor”. Russian Mathematical Surveys 52, 1191 (1997).
https://doi.org/10.1070/RM1997v052n06ABEH002155

[37] Chris N Self, Marcello Benedetti și David Amaro. „Protejarea circuitelor expresive cu un cod de detectare a erorilor cuantice” (2022). url: https:///doi.org/10.48550/arXiv.2211.06703.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2211.06703

[38] Rolando D Somma. „Estimarea valorilor proprii cuantice prin analiza serii temporale”. New Journal of Physics 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 și Jay M Gambetta. „Învățare supravegheată cu spații de caracteristici îmbunătățite cuantic”. Nature 567, 209–212 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-0980-2

[40] Andrew G Taube și Rodney J Bartlett. „Noi perspective asupra teoriei unitare a clusterelor cuplate”. Jurnalul internațional de chimie cuantică 106, 3393–3401 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qua.21198

[41] Sumeet Khatri, Ryan LaRose, Alexander Poremba, Lukasz Cicio, Andrew T Sornborger și Patrick J Coles. „Compilarea cuantică asistată de cuantum”. Quantum 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 și Kenneth R Brown. „Simularea performanței unui cod de suprafață de distanță 3 într-o capcană de ioni liniară”. New Journal of Physics 20, 043038 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aab341

[43] Lukasz Cicio, Yiğit Subaşı, Andrew T Sornborger și Patrick J Coles. „Învățarea algoritmului cuantic pentru suprapunerea stărilor”. New Journal of Physics 20, 113022 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aae94a

[44] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone și Sam Gutmann. „Un algoritm de optimizare cuantică aproximativă” (2014). 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 și Rupak Biswas. „De la algoritmul de optimizare cuantică aproximativă la un operator cuantic alternativ ansatz”. Algoritmi 12, 34 (2019).
https: / / doi.org/ 10.3390 / a12020034

[46] Maria Schuld, Ville Bergholm, Christian Gogolin, Josh Izaac și Nathan Killoran. „Evaluarea gradienților analitici pe hardware-ul cuantic”. Physical Review A 99, 032331 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032331

[47] Lukasz Cicio, Kenneth Rudinger, Mohan Sarovar și Patrick J. Coles. „Învățare automată a circuitelor cuantice rezistente la zgomot”. PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[48] Ryuji Takagi, Suguru Endo, Shintaro Minagawa și Mile Gu. „Limitele fundamentale ale atenuării erorilor cuantice”. npj Quantum Information 8, 114 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-022-00618-z

[49] Sergey Danilin, Nicholas Nugent și Martin Weides. „Detecție cuantică cu qubiți supraconductori reglabili: optimizare și accelerare” (2022). url: https:///arxiv.org/abs/2211.08344.
arXiv: 2211.08344

[50] Nikolai Lauk, Neil Sinclair, Shabir Barzanjeh, Jacob P Covey, Mark Saffman, Maria Spiropulu și Christoph Simon. „Perspective asupra transducției cuantice”. Quantum Science and Technology 5, 020501 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ab788a

[51] Bernhard Baumgartner. „O inegalitate pentru urma produselor matriceale, folosind valori absolute” (2011). url: https:///doi.org/10.48550/arXiv.1106.6189.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1106.6189

Citat de

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

[2] Abdullah Ash Saki, Amara Katabarwa, Salonik Resch și George Umbrarescu, „Hypothesis Testing for Error Mitigation: How to Evaluate Error Mitigation”, arXiv: 2301.02690, (2023).

[3] Patrick J. Coles, Collin Szczepanski, Denis Melanson, Kaelan Donatella, Antonio J. Martinez și Faris Sbahi, „Thermodynamic AI and the fluctuation frontier”, arXiv: 2302.06584, (2023).

[4] M. Cerezo, Guillaume Verdon, Hsin-Yuan Huang, Lukasz Cicio și Patrick J. Coles, „Challenges and Opportunities in Quantum Machine Learning”, arXiv: 2303.09491, (2023).

[5] Nikolaos Koukoulekidis, Samson Wang, Tom O'Leary, Daniel Bultrini, Lukasz Cicio și Piotr Czarnik, „A framework of partial error correction for intermediate-scale quantum computers”, arXiv: 2306.15531, (2023).

Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2023-07-13 15:21:51). 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 2023-07-13 15:21:50: Nu s-au putut prelua date citate pentru 10.22331 / q-2023-07-13-1060 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.

Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
PlatoESG. Automobile/VE-uri, carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
BlockOffsets. Modernizarea proprietății de compensare a mediului. Accesați Aici.
Sursa: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-07-13-1060/

Timestamp-ul: Iulie 13, 2023

Timestamp-ul: Septembrie 8, 2022

Republicat de Platon

Învățare automată cuantică eficientă cu puls

Mărturisirea dimensiunii mediului prin corelații temporale

O teoremă „intenționată” a prieteniei locale: un experiment prospectiv cu noi ipoteze care să se potrivească

Limite de deviație și inegalități de concentrare pentru zgomote cuantice

Determinarea capacității pentru calculul cuantic universal: testarea controlabilității prin expresivitate dimensională

Termometrie optimă de neechilibru în medii markoviane

Generarea de încrucișări de fotoni atomici cu o durată de viață în milisecunde printr-o cavitate multiplexată spațial

Limita de viteză cuantică a operatorului geometric, fluxul Hamiltonian Wegner și creșterea operatorului

Activarea mecanismului de programare multiplă pentru calculul cuantic în era NISQ

Estimarea adaptivă a observabilelor cuantice

Abordarea gradientului politicii pentru compilarea circuitelor cuantice variaționale

Despre noi

Căutare verticală și Ai

Platformă

Rămâneți conectat

Cont