Синергетическое уменьшение квантовых ошибок путем рандомизированной компиляции и экстраполяции с нулевым шумом для вариационного квантового собственного решателя

Синергетическое уменьшение квантовых ошибок путем рандомизированной компиляции и экстраполяции с нулевым шумом для вариационного квантового собственного решателя

Отметка времени: 20 ноября 2023 г., 8:49

Томочика Курита1, Хаммам Касим2, Масатоши Исии1, Хиротака Осима1, Синтаро Сато1и Джозеф Эмерсон2

1Квантовая лаборатория, Fujitsu Research, Fujitsu Limited. 10-1 Мориносато-вакамия, Ацуги, Канагава, Япония 243-0197
2Keysight Technologies Canada, 137 Glasgow St, Китченер, Онтарио, Канада, N2G 4X8

Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.

Абстрактные

Мы предлагаем стратегию уменьшения квантовых ошибок для алгоритма вариационного квантового собственного решателя (VQE). С помощью численного моделирования мы обнаружили, что очень небольшое количество когерентного шума в VQE может вызвать существенно большие ошибки, которые трудно подавить обычными методами подавления, и тем не менее наша предлагаемая стратегия подавления способна значительно уменьшить эти ошибки. Предлагаемая стратегия представляет собой комбинацию ранее описанных методов, а именно рандомизированной компиляции (RC) и экстраполяции с нулевым шумом (ZNE). Интуитивно понятно, что рандомизированная компиляция превращает когерентные ошибки в схеме в стохастические ошибки Паули, что облегчает экстраполяцию до предела нулевого шума при оценке функции стоимости. Наше численное моделирование VQE для малых молекул показывает, что предложенная стратегия может уменьшить энергетические ошибки, вызванные различными типами когерентного шума, на два порядка.

Синергетическое уменьшение квантовых ошибок путем рандомизированной компиляции и экстраполяции с нулевым шумом для вариационного квантового решателя собственных чисел PlatoBlockchain Data Intelligence. Вертикальный поиск. Ай.

Популярное резюме

Когда мы выполняем квантовые вычисления, крайне важно минимизировать вычислительные ошибки, вызванные аппаратным шумом. Для шумного квантового оборудования промежуточного масштаба (NISQ) для уменьшения таких ошибок можно использовать методы уменьшения квантовых ошибок. Однако решение проблемы когерентного шума остается серьезной проблемой в уменьшении ошибок по двум причинам: (i) даже небольшое количество когерентного шума может привести к существенным вычислительным ошибкам, и (ii) эти ошибки трудно уменьшить с помощью существующих методов.
В этой работе мы предлагаем метод устранения ошибок, который эффективно уменьшает ошибки, вызванные когерентным шумом. Этот метод использует синергетический эффект рандомизированной компиляции (RC) и экстраполяции с нулевым шумом (ZNE). RC преобразует когерентный шум в стохастический шум Паули, который можно эффективно уменьшить с помощью ZNE. Наше численное моделирование алгоритмов вариационного квантового собственного решателя показывает, что предлагаемый нами метод подавления демонстрирует значительный эффект подавления ошибок по отношению к когерентному шуму.

► Данные BibTeX

► Рекомендации

[1] Сэм МакАрдл, Сугуру Эндо, Алан Аспуру-Гузик, Саймон С. Бенджамин и Сяо Юань. «Квантовая вычислительная химия». Обзоры современной физики 92, 015003 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003

[2] Хари П. Паудел, Мадхава Сьямлал, Скотт Э. Кроуфорд, Юэ-Лин Ли, Роман А. Шугаев, Пинг Лу, Пол Р. Оходницки, Даррен Моллот и Юхуа Дуан. «Квантовые вычисления и моделирование для энергетических приложений: обзор и перспективы». ACS Engineering Au 2, 151–196 (2022).
https://doi.org/10.1021/acsengineeringau.1c00033

[3] Джулия Э. Райс, Танви П. Гуджарати, Марио Мотта, Тайлер И. Такешита, Ынсок Ли, Джозеф А. Латоне и Жаннетт М. Гарсия. «Квантовый расчет доминирующих продуктов в литий-серных батареях». Журнал химической физики 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068

[4] Остин Дж. Фаулер, Маттео Мариантони, Джон М. Мартинис и Эндрю Н. Клеланд. «Поверхностные коды: на пути к практическим крупномасштабным квантовым вычислениям». Физическое обозрение А 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[5] Альберто Перуццо, Джаррод МакКлин, Питер Шадболт, Ман-Хонг Юнг, Сяо-Ци Чжоу, Питер Дж. Лав, Алан Аспуру-Гузик и Джереми Л. О'Брайен. «Вариационный решатель собственных значений на фотонном квантовом процессоре». Связь с природой 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[6] Джаррод Р. МакКлин, Джонатан Ромеро, Райан Баббуш и Алан Аспуру-Гузик. «Теория вариационных гибридных квантово-классических алгоритмов». Новый журнал физики 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

[7] Питер Джей Джей О'Мэлли, Райан Бэббуш, Ян Д. Кивличан, Джонатан Ромеро, Джаррод Р. МакКлин, Рами Барендс, Джулиан Келли, Педрам Рушан, Эндрю Трантер, Нан Дин и др. «Масштабируемое квантовое моделирование молекулярных энергий». Физическое обозрение X 6, 031007 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.031007

[8] Абхинав Кандала, Антонио Меццакапо, Кристан Темме, Майка Такита, Маркус Бринк, Джерри М. Чоу и Джей М. Гамбетта. «Аппаратно-эффективный вариационный квантовый решатель для малых молекул и квантовых магнитов». Природа 549, 242–246 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879

[9] Джеймс I Коллесс, Винай В. Рамасеш, Дар Дален, Махиэль С. Блок, Молли Э. Кимчи-Шварц, Джаррод Р. МакКлин, Джонатан Картер, Вибе А де Йонг и Ирфан Сиддики. «Расчет молекулярных спектров на квантовом процессоре с помощью устойчивого к ошибкам алгоритма». Физическое обозрение X 8, 011021 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.011021

[10] Абхинав Кандала, Кристан Темме, Антонио Д. Корколес, Антонио Меццакапо, Джерри М. Чоу и Джей М. Гамбетта. «Уменьшение ошибок расширяет вычислительные возможности шумного квантового процессора». Природа 567, 491–495 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[11] Янчао Шен, Сян Чжан, Шуайнин Чжан, Цзин-Нин Чжан, Ман-Хун Юнг и Кихван Ким. «Квантовая реализация унитарного связанного кластера для моделирования электронной структуры молекул». Физическое обозрение А 95, 020501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.020501

[12] Юнсон Нам, Чжо-Си Чен, Нил С. Писенти, Кеннет Райт, Конор Делани, Дмитрий Маслов, Кеннет Р. Браун, Стюарт Аллен, Джейсон М. Амини, Джоэл Аписдорф и др. «Оценка энергии основного состояния молекулы воды на квантовом компьютере с захваченными ионами». npj Quantum Information 6, 33 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0259-3

[13] Джаррод Р. МакКлин, Серхио Бойшо, Вадим Н. Смелянский, Райан Баббуш и Хартмут Невен. «Бесплодные плато в ландшафтах обучения квантовых нейронных сетей». Связь с природой 9, 4812 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-07090-4

[14] Жюль Тилли, Хунсян Чен, Шусян Цао, Дарио Пикоцци, Канав Сетиа, Ин Ли, Эдвард Грант, Леонард Воссниг, Иван Рунггер, Джордж Х. Бут и др. «Вариационный квантовый решатель собственных чисел: обзор методов и лучших практик». Physics Reports 986, 1–128 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.08.003

[15] Сугуру Эндо, Чжэньюй Цай, Саймон С. Бенджамин и Сяо Юань. «Гибридные квантово-классические алгоритмы и уменьшение квантовых ошибок». Журнал Физического общества Японии 90, 032001 (2021).
https: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001

[16] Ин Ли и Саймон С. Бенджамин. «Эффективный вариационный квантовый симулятор, включающий активную минимизацию ошибок». Физическое обозрение X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[17] Кристан Темме, Сергей Бравый и Джей М. Гамбетта. «Уменьшение ошибок для квантовых схем малой глубины». Письма о физической экспертизе 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[18] Андре Хе, Бенджамин Нахман, Вибе А де Йонг и Кристиан В. Бауэр. «Экстраполяция с нулевым шумом для уменьшения ошибок квантовых вентилей с помощью вставки идентификаторов». Физическое обозрение А 102, 012426 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.012426

[19] Шуайнин Чжан, Яо Лу, Куан Чжан, Вэньтао Чен, Ин Ли, Цзин-Нин Чжан и Кихван Ким. «Квантовые ворота с уменьшенными ошибками, превосходящие физическую точность в системе с захваченными ионами». Природные коммуникации 11, 587 (2020).
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-г

[20] Джаррод Р. МакКлин, Молли Э. Кимчи-Шварц, Джонатан Картер и Вайб А. Де Йонг. «Гибридная квантово-классическая иерархия для смягчения декогеренции и определения возбужденных состояний». Физический обзор A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[21] Джоэл Дж. Уоллман и Джозеф Эмерсон. «Адаптация шума для масштабируемых квантовых вычислений посредством рандомизированной компиляции». Физическое обозрение А 94, 052325 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.052325

[22] Акель Хашим, Рави К. Найк, Алексис Морван, Жан-Лу Виль, Брэдли Митчелл, Джон Марк Крейкебаум, Марк Дэвис, Итан Смит, Костин Янку, Кевин П. О'Брайен и др. «Рандомизированная компиляция для масштабируемых квантовых вычислений на шумном сверхпроводящем квантовом процессоре». Физическое обозрение X 11, 041039 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.041039

[23] Жан-Лу Виль, Алексис Морван, Акель Хашим, Рави К. Найк, Мари Лу, Брэдли Митчелл, Джон-Марк Крейкебаум, Кевин П. О'Брайен, Джоэл Дж. Уоллман, Ян Хинкс и др. «Использование рандомизированной компиляции для квантового алгоритма эволюции во времени». Physical Review Research 4, 033140 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033140

[24] Ёнсок Ким, Кристофер Дж. Вуд, Теодор Дж. Йодер, Сет Т. Меркель, Джей М. Гамбетта, Кристан Темме и Абхинав Кандала. «Масштабируемое уменьшение ошибок для шумных квантовых схем дает конкурентоспособные значения ожидания». Физика природы 19, 752–759 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[25] Чао Сун, Цзин Цуй, Х. Ван, Дж. Хао, Х. Фэн и Ин Ли. «Квантовые вычисления с универсальным уменьшением ошибок на сверхпроводящем квантовом процессоре». Прогресс науки 5, eaaw5686 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[26] Мэтью Уэр, Гильем Рибей, Диего Ристе, Колм А. Райан, Блейк Джонсон и Маркус П. Да Силва. «Экспериментальная рандомизация системы Паули на сверхпроводящем кубите». Физическое обозрение А 103, 042604 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.042604

[27] Самуэль Феррасин, Акель Хашим, Жан-Лу Виль, Рави Найк, Арно Кариньян-Дюга, Хаммам Кассим, Алексис Морван, Давид I Сантьяго, Ирфан Сиддики и Джоэл Дж. Уоллман. «Эффективное повышение производительности шумных квантовых компьютеров» (2022 г.). arXiv:2201.10672.
Arxiv: 2201.10672

[28] Ник С. Блант, Лаура Кон, Роберт Ижак, Эрл Т. Кэмпбелл и Николь Хольцманн. «Статистическая оценка фазы и уменьшение ошибок в сверхпроводящем квантовом процессоре» (2023). arXiv: 2304.05126.
Arxiv: 2304.05126

[29] Самсон Ван, Энрико Фонтана, Марко Сересо, Кунал Шарма, Акира Соне, Лукаш Синсио и Патрик Дж. Коулз. «Вызванные шумом бесплодные плато в вариационных квантовых алгоритмах». Природные коммуникации 12, 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] Майкл Нильсен и Исаак Чуанг. «Квантовые вычисления и квантовая информация». Издательство Кембриджского университета. (2002).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[31] Сынхун Ли, Джунхо Ли, Хуанчен Чжай, Ю Тонг, Александр М. Далзелл, Ашутош Кумар, Филип Хелмс, Джонни Грей, Чжи-Хао Цуй, Вэньюань Лю и др. «Оценка доказательств экспоненциального квантового преимущества в квантовой химии основного состояния». Природные коммуникации 14, 1952 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-023-37587-6

[32] Жером Ф. Гонтье, Максвелл Д. Радин, Корнелиу Буда, Эрик Дж. Доскосил, Клена М. Абуан и Джонатан Ромеро. «Измерения как препятствие на пути к краткосрочному практическому квантовому преимуществу в химии: анализ ресурсов». Physical Review Research 4, 033154 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033154

[33] Офелия Кроуфорд, Барнаби ван Страатен, Даочен Ван, Томас Паркс, Эрл Кэмпбелл и Стивен Брайерли. «Эффективное квантовое измерение операторов Паули при наличии конечной ошибки выборки». Квант 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[34] Томочика Курита, Микио Морита, Хиротака Осима и Синтаро Сато. «Алгоритм разделения строк Паули с моделью Изинга для одновременного измерения». Журнал физической химии A 127, 1068–1080 (2023).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acs.jpca.2c06453

[35] Стефани Дж. Бил, Арно Кариньян-Дюга, Дар Дален, Джозеф Эмерсон, Ян Хинкс, Павитран Айер, Адитья Джайн, Дэвид Хуфнагель, Егор Оспадов, Хаммам Кассим и др. «Программное обеспечение True-Q. Кейсайт Технологии». URL: trueq.quantumbenchmark.com.
https://trueq.quantumbenchmark.com

[36] Паули Виртанен, Ральф Гоммерс, Трэвис Э. Олифант, Мэтт Хаберланд, Тайлер Редди, Дэвид Курнапо, Евгений Буровски, Перу Петерсон, Уоррен Векессер, Джонатан Брайт и др. «SciPy 1.0: Фундаментальные алгоритмы научных вычислений на Python». Nature Methods 17, 261–272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] Майкл Джей Ди Пауэлл. «Алгоритм BOBYQA для оптимизации с ограничениями без производных». Технический отчет. Кембриджский университет, Кембридж (2009 г.). 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] Джаррод Р. МакКлин, Ян Д. Кивличан, Дэмиан С. Стайгер, Юдонг Цао, Э. Шайлер Фрид, Крейг Гидни, Томас Ханер, Войтеч Гавличек, Чжан Цзян, Мэтью Нили и др. «OpenFermion: пакет электронной структуры для квантовых компьютеров» (2017). arXiv: 1710.07629.
Arxiv: 1710.07629

[39] Эвоут ван ден Берг, Златко К. Минев, Абхинав Кандала и Кристан Темме. «Вероятностное подавление ошибок с помощью разреженных моделей Паули-Линдблада на шумных квантовых процессорах». Физика природы 19, 1116–1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

Цитируется

[1] Ритаджит Маджумдар, Педро Риверо, Фридерика Мец, Арик Хасан и Дерек С. Ван, «Передовые методы уменьшения квантовых ошибок с помощью цифровой экстраполяции с нулевым шумом», Arxiv: 2307.05203, (2023).

[2] Арно Кариньян-Дюга, Шашанк Кумар Рану и Патрик Дреер, «Оценка согласованного вклада в профиль ошибок с использованием реконструкции циклических ошибок», Arxiv: 2303.09945, (2023).

[3] Хьюго Перрен, Тибо Скокар, Александр Шнирман, Йорг Шмалиан и Кирилл Снижко, «Уменьшение ошибок перекрестных помех путем рандомизированной компиляции: моделирование модели БКШ на сверхпроводящем квантовом компьютере», Arxiv: 2305.02345, (2023).

[4] ЧангВон Ли и Дэниел К. Парк, «Масштабируемое уменьшение ошибок квантовых измерений посредством условной независимости и трансферного обучения», Arxiv: 2308.00320, (2023).

Приведенные цитаты из САО / НАСА ADS (последнее обновление успешно 2023-11-20 13:58:16). Список может быть неполным, поскольку не все издатели предоставляют подходящие и полные данные о цитировании.

Не удалось получить Перекрестная ссылка на данные во время последней попытки 2023-11-20 13:58:14: Не удалось получить цитируемые данные для 10.22331 / q-2023-11-20-1184 от Crossref. Это нормально, если DOI был зарегистрирован недавно.

Эта статья опубликована в Quantum под Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) лицензия. Авторское право остается за первоначальными правообладателями, такими как авторы или их учреждения.

Отметка времени:

Больше от Квантовый журнал