Характеристика и уменьшение когерентных ошибок в квантовом процессоре с захваченными ионами с использованием скрытых инверсий

Характеристика и уменьшение когерентных ошибок в квантовом процессоре с захваченными ионами с использованием скрытых инверсий

Отметка времени: 15 мая 2023 г., 8:55

Сварнадип Маджумдер1,2, Кристофер Г. Йель3, Титус Д. Моррис4, Дэниел С. Лобсер3, Эшлин Д. Берч3, Мэтью Н. Х. Чоу3,5,6, Мелисса С. Ревель3, Сьюзен М. Кларк3и Рафаэль С. Пузер4

1Квантовый центр Дьюка, Университет Дьюка, Дарем, Северная Каролина 27701, США
2Факультет электротехники и вычислительной техники, Университет Дьюка, Дарем, Северная Каролина, 27708, США
3Sandia National Laboratories, Альбукерке, Нью-Мексико, 87123, США
4Секция квантовой информатики, Окриджская национальная лаборатория, Ок-Ридж, Теннесси, 37831, США
5Факультет физики и астрономии, Университет Нью-Мексико, Альбукерке, Нью-Мексико, 87131, США
6Центр квантовой информации и управления, Университет Нью-Мексико, Альбукерке, Нью-Мексико, 87131, США

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

Абстрактные

Испытательные стенды для квантовых вычислений демонстрируют высокоточный квантовый контроль над небольшими наборами кубитов, что позволяет выполнять точные повторяемые операции с последующими измерениями. В настоящее время эти шумные устройства среднего масштаба могут поддерживать достаточное количество последовательных операций до декогеренции, так что краткосрочные алгоритмы могут выполняться с непосредственной точностью (например, с химической точностью для задач квантовой химии). Хотя результаты этих алгоритмов несовершенны, эти несовершенства могут помочь ускорить разработку испытательного стенда квантового компьютера. Демонстрация этих алгоритмов за последние несколько лет в сочетании с идеей о том, что несовершенная производительность алгоритма может быть вызвана несколькими доминирующими источниками шума в квантовом процессоре, который можно измерить и откалибровать во время выполнения алгоритма или в постобработке, привели к использование подавления шума для улучшения типичных результатов вычислений. И наоборот, эталонные алгоритмы в сочетании с подавлением шума могут помочь диагностировать характер шума, будь то систематический или чисто случайный. Здесь мы обрисовываем в общих чертах использование методов снижения когерентного шума в качестве инструмента определения характеристик в испытательных стендах с захваченными ионами. Мы выполняем подбор модели шумовых данных, чтобы определить источник шума на основе реалистичных моделей шума, ориентированных на физику, и демонстрируем, что систематическое усиление шума в сочетании со схемами уменьшения ошибок обеспечивает полезные данные для вывода модели шума. Кроме того, чтобы связать детали модели шума более низкого уровня с производительностью краткосрочных алгоритмов для конкретных приложений, мы экспериментально строим ландшафт потерь вариационного алгоритма при различных источниках введенного шума в сочетании с методами уменьшения ошибок. Этот тип соединения обеспечивает аппаратный код с учетом приложений, в котором наиболее важные источники шума в конкретных приложениях, таких как квантовая химия, становятся фокусами улучшений в последующих поколениях оборудования.

Характеристика и смягчение когерентных ошибок в квантовом процессоре захваченных ионов с использованием скрытых инверсий PlatoBlockchain Data Intelligence. Вертикальный поиск. Ай.

Рекомендуемое изображение: Население фазового пространства (вероятность измерения $|0rangle$) после применения [$H- X(Theta)- Z(Phi)- H^dagger$]$^{100}$ к $|0rangle$ в качестве функции $Theta, Phi$ для моделирования и экспериментов. Скрытые обратные протоколы могут предложить точную и дешевую характеристику одного кубита.

Популярное резюме

Квантовые компьютеры эпохи NISQ по своему определению шумны и несовершенны, и для повышения производительности схемы требуются методы уменьшения ошибок. В этой статье мы демонстрируем, что метод, известный как скрытые инверсии, может действовать как метод смягчения ошибок, а также для описания ошибок. Скрытые инверсии основаны на возможности построения схем с неродными составными вентилями, которые являются самосопряженными (такими как Адамара или управляемое НЕ), что означает, что они могут быть построены с помощью серии аппаратно-собственных вентилей или тех же самых исходных вентилей, инвертированных в порядке знаков и времени. Используя квантовый компьютер с захваченными ионами, мы сначала демонстрируем эксперимент, в котором алгоритм Адамара и его инверсия чередуются с небольшими ошибками вращения. Сопоставляя результаты с простой моделью, мы можем охарактеризовать когерентные ошибки в системе и увидеть, как эти ошибки дрейфуют с течением времени. Затем мы используем управляемое НЕ и его инверсию в вариационном квантовом собственном решателе. Благодаря преднамеренному внедрению ошибок мы показываем, что схемы, созданные с помощью скрытых обратных протоколов, превосходят другой метод устранения ошибок — рандомизированную компиляцию. Далее мы исследуем уменьшение ошибок в этой системе с помощью очистки матрицы фермионной плотности, методологии постобработки. В результате этого исследования мы обнаружили, что использование одной и той же техники, а именно скрытых инверсий, как для характеристики источников ошибок на оборудовании, так и для их устранения с помощью одного и того же подхода, является мощным инструментом для квантовых компьютеров эпохи NISQ.

► Данные BibTeX

► Рекомендации

[1] Дж. Дж. Уоллман и Дж. Эмерсон, Physical Review A 94, 052325 (2016), издатель: Американское физическое общество.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.052325

[2] B. Zhang, S. Majumder, PH Leung, S. Crain, Y. Wang, C. Fang, DM Debroy, J. Kim и KR Brown, Phys. Приложение № 17, 034074 (2022 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.17.034074

[3] Л. Иган, Д. М. Деброй, К. Ноэль, А. Райзингер, Д. Чжу, Д. Бисвас, М. Ньюман, М. Ли, К. Р. Браун, М. Цетина и К. Монро, Nature 598, 281 (2021) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03928-й

[4] С. Криннер, Н. Лакруа, А. Ремм, А. Ди Паоло, Э. Женуа, К. Леру, К. Хеллингс, С. Лазар, Ф. Свиадек, Дж. Херрманн, Дж. Дж. Норрис, К. К. Андерсен, М. Мюллер , A. Blais, C. Eichler, and A. Wallraff, Nature 605, 669 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-04566-8

[5] К. Райан-Андерсон, Дж. Бонет, К. Ли, Д. Греш, А. Ханкин, Дж. Геблер, Д. Франсуа, А. Черногузов, Д. Луккетти, Н. Браун, Т. Гаттерман, С. Халит, К. Гилмор, Дж. Гербер, Б. Нейенхейс, Д. Хейс и Р. Штутц, Physical Review X 11, 041058 (2021), издатель: Американское физическое общество.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.041058

[6] Р. Блюм-Кохаут, Дж. К. Гэмбл, Э. Нильсен, Дж. Мизрахи, Дж. Д. Стерк и П. Маунц, препринт arXiv arXiv: 1310.4492 (2013).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1310.4492
Arxiv: 1310.4492

[7] Б. Р. Джонсон, член парламента d. Сильва, К. А. Райан, С. Киммел, Дж. М. Чоу и Т. А. Оки, New Journal of Physics 17, 113019 (2015), издатель: IOP Publishing.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​17/​11/​113019

[8] Э. Нильсен, К. Рудингер, Т. Проктор, К. Янг и Р. Блюм-Кохаут, New Journal of Physics 23, 093020 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ac20b9

[9] PD Nation, Х. Канг, Н. Сундаресан и Дж. М. Гамбетта, PRX Quantum 2, 040326 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040326

[10] Ю. Ким, С. Дж. Вуд, Т. Дж. Йодер, С. Т. Меркель, Дж. М. Гамбетта, К. Темме и А. Кандала, Nature Physics 10.1038/​s41567-022-01914-3 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[11] Э. Петерс, ACY Li и Г. Н. Пердью, arXiv: 2105.08161 [квант-ph] (2021), arXiv: 2105.08161.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2105.08161
Arxiv: 2105.08161

[12] А. Стрикис, Д. Цинь, Ю. Чен, С. К. Бенджамин и Ю. Ли, PRX Quantum 2, 040330 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040330

[13] C. Piveteau, D. Sutter, S. Bravyi, JM Gambetta и K. Temme, Phys. Преподобный Летт. 127, 200505 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.200505

[14] Р. ЛаРоуз, А. Мари, С. Кайзер, П. Дж. Каралекас, А. А. Алвес, П. Чарник, М. Эль Мандух, М. Х. Гордон, Ю. Хинди, А. Робертсон, П. Такре, М. Валь, Д. Самуэль, Р. Мистри, М. Тремблей, Н. Гарднер, Н. Т. Стемен, Н. Шаммах и В. Дж. Цзэн, Quantum 6, 774 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-08-11-774

[15] С. Чжан, Ю. Лу, К. Чжан, В. Чен, Ю. Ли, Дж.-Н. Чжан и К. Ким, Nature Communications 11, 587 (2020), arXiv: 1905.10135.
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-г

[16] П. Чарник, А. Аррасмит, П. Дж. Коулз и Л. Чинчио, Quantum 5, 592 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-11-26-592

[17] Ю. Судзуки, С. Эндо, К. Фуджи и Ю. Токунага, PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010345

[18] K. Temme, S. Bravyi, and JM Gambetta, Phys. Преподобный Летт. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[19] Э. В. Д. Берг, З. К. Минев, А. Кандала и К. Темме, препринт arXiv arXiv: 2201.09866 (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2201.09866
Arxiv: 2201.09866

[20] В. Лейтон-Ортега, С. Маджумдер и Р. С. Пусер, Квантовая наука и технология, 8, 014008 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​aca92d

[21] К. Йетер-Айдениз, Б. Т. Гард, Дж. Яковски, С. Маджумдер, Г. С. Бэррон, Г. Сиопсис, Т. С. Хамбл и Р. С. Пузер, Advanced Quantum Technologies 4, 2100012 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qute.202100012

[22] С. М. Кларк, Д. Лобсер, М. С. Ревелль, К. Г. Йель, Д. Боссерт, А. Д. Берч, М. Н. Чоу, Ч. В. Хогл, М. Айвори, Дж. Пер, Б. Зальцбреннер, Д. Стик, В. Суитт, Дж. М. Уилсон, Э. , Уинроу и П. Маунц, IEEE Transactions on Quantum Engineering 2, 1 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2021.3096480

[23] S. Olmschenk, KC Younge, DL Moehring, DN Matsukeevich, P. Maunz, C. Monroe, Phys. Ред. А 76, 052314 (2007 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.76.052314

[24] П. Маунц, Тех. Отчет SAND2016-0796R 10.2172/​1237003 (2016).
https: / / doi.org/ 10.2172 / 1237003

[25] D. Hayes, DN Matsukeevich, P. Maunz, D. Hucul, Q. Quraishi, S. Olmschenk, W. Campbell, J. Mizrahi, C. Senko, and C. Monroe, Phys. Преподобный Летт. 104, 140501 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.140501

[26] С. Дебнат, Н.М. Линке, К. Фиггатт, К.А. Ландсман, К. Райт и К. Монро, Nature 536, 63 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature18648

[27] П.Дж. Ли, К.-А. Брикман, Л. Делорье, П.С. Хальян, Л.-М. Дуан и К. Монро, Журнал оптики B: Квантовая и полуклассическая оптика 7, S371 (2005).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1464-4266/​7/​10/​025

[28] Л. Делорье, П. Хальян, П. Дж. Ли, К.-А. Brickman, BB Blinov, MJ Madsen, C. Monroe, Phys. Ред. А 70, 043408 (2004 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.043408

[29] Б. К. А. Моррисон, А. Дж. Ландаль, Д. С. Лобсер, К. М. Рудингер, А. Э. Руссо, Дж. В. Ван Дер Уолл и П. Маунц, Международная конференция IEEE по квантовым вычислениям и инженерии (QCE) 2020 г. (2020 г.), стр. 402–408.
https: / / doi.org/ 10.1109 / QCE49297.2020.00056

[30] Д. Лобсер, Дж. Голдберг, А. Ландал, П. Маунц, Б. Моррисон, К. Рудингер, А. Руссо, Б. Рузич, Д. Стик, Дж. Ван Дер Уолл и С. М. Кларк, Джакалпоу. определение импульсов и форм сигналов для жакала (2021 г.).
https://​/​www.sandia.gov/​app/​uploads/​sites/​174/​2023/​03/​JaqalPaw__A_Guide_to_Defining_Pulses_and_Waveforms_for_Jaqal2.pdf

[31] П. Виртанен, Р. Гоммерс, Т. Е. Олифант, М. Хаберланд, Т. Редди, Д. Курнапо, Э. Буровски, П. Петерсон, В. Векессер, Дж. Брайт, С. Дж. ван дер Уолт, М. Бретт, Дж. Уилсон, К. Дж. Миллман, Н. Майоров, А. Р. Нельсон, Э. Джонс, Р. Керн, Э. Ларсон, С. Дж. Кэри, И. Полат, Ю. Фэн, Э. В. Мур, Дж. ВандерПлас, Д. Лаксальде, Дж. Перктольд, Р. Цимрман, И. Хенриксен, Э. А. Кинтеро, Ч. Р. Харрис, А. М. Арчибальд, А. Х. Рибейро, Ф. Педрегоса, П. ван Малбрегт, и участники SciPy 1.0, Nature Methods 17, 261 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[32] А. Маккаски, З. П. Паркс, Дж. Яковски, С. В. Мур, Т. Д. Моррис, Т. С. Хамбл и Р. С. Пусер, NPJ Quantum Inf 5, 99 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0209-0

[33] Н. С. Рубин, Р. Баббуш и Дж. МакКлин, New Journal of Physics 20, 053020 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aab919

[34] DJ Wineland, C. Monroe, WM Itano, D. Leibfried, BE King и DM Meekhof, Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology 103, 259 (1998).
https: / / doi.org/ 10.6028 / jres.103.019

Цитируется

[1] Хе-Лян Хуан, Сяо-Юэ Сюй, Чу Го, Гоцзин Тянь, Ши-Цзе Вей, Сяомин Сунь, Ван-Су Бао и Гуй-Лу Лонг, «Методы квантовых вычислений в краткосрочной перспективе: вариационные квантовые алгоритмы, устранение ошибок, компиляция схем, бенчмаркинг и классическое моделирование», Наука Китайская физика, механика и астрономия 66 5, 250302 (2023).

[2] Zhubing Jia, Shilin Huang, Mingyu Kang, Ke Sun, Robert F. Spivey, Jungsang Kim и Kenneth R. Brown, «Углоустойчивые двухкубитные вентили в линейном ионном кристалле», Физический обзор A 107 3, 032617 (2023).

[3] Габриэле Сенедесе, Джулиано Бененти и Мария Бондани, «Исправление когерентных ошибок с помощью случайной операции на реальном квантовом оборудовании», �������� 25 2, 324 (2023).

[4] Мингю Канг, Йе Ван, Чао Фан, Бичен Чжан, Омид Хосравани, Юнгсанг Ким и Кеннет Р. Браун, «Разработка функций фильтра частотно-модулированных импульсов для высокоточных двухкубитных вентилей в ионных цепочках», Physical Review Applied 19 1, 014014 (2023)..

[5] Эшлин Д. Берч, Дэниел С. Лобсер, Кристофер Г. Йель, Джей В. Ван Дер Уолл, Оливер Г. Мопен, Джошуа Д. Голдберг, Мэтью Н. Х. Чоу, Мелисса С. Ревелл и Сьюзен М. Кларк, «Пакетные схемы для уменьшения компиляции в оборудовании квантового управления», Arxiv: 2208.00076, (2022).

Приведенные цитаты из САО / НАСА ADS (последнее обновление успешно 2023-05-16 13:02:44). Список может быть неполным, поскольку не все издатели предоставляют подходящие и полные данные о цитировании.

On Цитируемый сервис Crossref Данные о цитировании работ не найдены (последняя попытка 2023-05-16 13:02:43).

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