Prilagodljiva ocena kvantnih opazovalk

Prilagodljiva ocena kvantnih opazovalk

Časovni žig: 26. januar 2023 8

Ariel Shlosberg1,2, Andrew J. Jena3,4, Priyanka Mukhopadhyay3,4, Jan F. Haase3,5,6, Felix Leditzky3,4,7,8in Luca Dellantonio3,5,9

1JILA, Univerza v Koloradu in Nacionalni inštitut za standarde in tehnologijo, Boulder, CO 80309, ZDA
2Oddelek za fiziko, Univerza v Koloradu, Boulder, CO 80309, ZDA
3Inštitut za kvantno računalništvo, Univerza Waterloo, Waterloo, ON N2L 3G1, Kanada
4Oddelek za kombinatoriko in optimizacijo, Univerza Waterloo, Waterloo, ON N2L 3G1, Kanada
5Oddelek za fiziko in astronomijo, Univerza Waterloo, Waterloo, ON N2L 3G1, Kanada
6Inštitut za teoretično fiziko in IQST, Universität Ulm, D-89069 Ulm, Nemčija
7Oddelek za matematiko in IQUIST, Univerza Illinois Urbana-Champaign, Urbana, IL 61801, ZDA
8Perimeter Institute for Theoretical Physics, Waterloo, ON N2L 2Y5, Kanada
9Oddelek za fiziko in astronomijo, Univerza v Exeterju, Stocker Road, Exeter EX4 4QL, Združeno kraljestvo

Se vam zdi ta članek zanimiv ali želite razpravljati? Zaslišite ali pustite komentar na SciRate.

Minimalizem

Natančna ocena kvantnih opazovalcev je kritična naloga v znanosti. Z napredkom strojne opreme bo merjenje kvantnega sistema postalo vedno bolj zahtevno, zlasti za variacijske protokole, ki zahtevajo obsežno vzorčenje. Tu uvajamo merilno shemo, ki adaptivno spreminja cenilec na podlagi predhodno pridobljenih podatkov. Naš algoritem, ki ga imenujemo AEQuO, nenehno spremlja tako ocenjeno povprečje kot povezano napako opazovane vrednosti in na podlagi teh informacij določi naslednji korak merjenja. V podmnožicah Paulijevih operatorjev, ki so sočasno preizkušeni, omogočamo prekrivanje in nebitne komutacijske relacije, s čimer povečamo količino zbranih informacij. AEQuO je na voljo v dveh različicah: požrešen algoritem za polnjenje vedra z dobro zmogljivostjo za majhne težavne primere in algoritem, ki temelji na strojnem učenju, z ugodnejšim skaliranjem za večje primere. Merilna konfiguracija, določena s temi podprogrami, je nadalje naknadno obdelana, da se zmanjša napaka na ocenjevalcu. Naš protokol preizkušamo na kemijskih hamiltonianih, za katere AEQuO zagotavlja ocene napak, ki izboljšujejo vse najsodobnejše metode, ki temeljijo na različnih tehnikah združevanja v skupine ali naključnih meritvah, s čimer močno zmanjšajo stroške meritev v sedanjih in prihodnjih kvantnih aplikacijah.

Adaptive estimation of quantum observables PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Predstavljena slika: Shema AEqUO, našega merilnega algoritma. Opazljivo O je podano kot vhod in predstavljeno s ponderiranim grafom, iz katerega je mogoče pridobiti povprečje in napako ocenjevalca. Po iskanju klike grafa, ki ustreza sočasno merljivim delom O, se streli dodelijo prek podprogramov strojnega učenja (ML) ali polnjenja vedra (BF). Ko je merilni proračun izčrpan, se uporabi naknadna obdelava in pridobi končne vrednosti povprečja in ocene napak.

Priljubljen povzetek

Kvantni sistemi so v nasprotju s klasičnimi ob vsaki meritvi nepovratno uničeni. To ima globoke posledice, ko želimo pridobiti informacije iz kvantnega sistema. Na primer, ko je treba oceniti povprečno vrednost opazovane vrednosti, je pogosto treba večkrat ponoviti celoten poskus. Odvisno od uporabljene merilne strategije se zahteve za doseganje enake natančnosti precej razlikujejo. V tem delu predlagamo nov pristop, ki znatno zmanjša vire strojne opreme. Naša strategija je prilagodljiva, v smislu, da se uči in izboljšuje dodelitev meritev, medtem ko se podatki pridobivajo. Poleg tega omogoča ocenjevanje tako povprečja kot napake, ki vpliva na želeno opazovanje hkrati. V primerjavi z drugimi najsodobnejšimi pristopi dokazujemo dosledno in znatno izboljšanje točnosti ocenjevanja, ko uporabljamo naš protokol.

► BibTeX podatki

► Reference

[1] PW Shor “Algoritmi za kvantno računanje: diskretni logaritmi in faktoring” Zbornik 35. letnega simpozija o temeljih računalništva 124-134 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

[2] Michael A. Nielsen in Issaac L. Chuang “Kvantno računanje in kvantne informacije” Cambridge University Press (2010).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[3] Antonio Acín, Immanuel Bloch, Harry Buhrman, Tommaso Calarco, Christopher Eichler, Jens Eisert, Daniel Esteve, Nicolas Gisin, Steffen J Glaser, Fedor Jelezko, Stefan Kuhr, Maciej Lewenstein, Max F Riedel, Piet O Schmidt, Rob Thew, Andreas Wallraff , Ian Walmsley in Frank K Wilhelm, »Načrt kvantnih tehnologij: pogled evropske skupnosti« New Journal of Physics 20, 080201 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aad1ea
arXiv: 1712.03773

[4] John Preskill »Kvantno računalništvo v dobi NISQ in pozneje« Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79
arXiv: 1801.00862

[5] IM Georgescu, S. Ashhab in Franco Nori, »Quantum simulation« Reviews of Modern Physics 86, 153–185 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.153
arXiv: 1308.6253

[6] Mari Carmen Banuls, Rainer Blatt, Jacopo Catani, Alessio Celi, Juan Ignacio Cirac, Marcello Dalmonte, Leonardo Fallani, Karl Jansen, Maciej Lewenstein in Simone Montangero, “Simulating lattice gauge theories within quantum technology” The European Physical Journal D 74, 1 –42 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1140 / epjd / e2020-100571-8
arXiv: 1911.00003

[7] Jan F. Haase, Luca Dellantonio, Alessio Celi, Danny Paulson, Angus Kan, Karl Jansen in Christine A Muschik, »Računalni pristop k kvantnim in klasičnim simulacijam merilnih teorij v fiziki delcev« Quantum 5, 393 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-02-04-393
arXiv: 2006.14160

[8] Danny Paulson, Luca Dellantonio, Jan F. Haase, Alessio Celi, Angus Kan, Andrew Jena, Christian Kokail, Rick van Bijnen, Karl Jansen, Peter Zoller in Christine A. Muschik, »Simulating 2D Effects in Lattice Gauge Theories on a Quantum Računalnik” PRX Quantum 2, 030334 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030334
arXiv: 2008.09252

[9] Yudong Cao, Jonathan Romero, Jonathan P. Olson, Matthias Degroote, Peter D. Johnson, Mária Kieferová, Ian D. Kivlichan, Tim Menke, Borja Peropadre, Nicolas PD Sawaya, Sukin Sim, Libor Veis in Alán Aspuru-Guzik, “ Kvantna kemija v dobi kvantnega računalništva« Chemical Reviews 119, 10856–10915 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.8b00803
arXiv: 1812.09976

[10] John Preskill »Kvantno računalništvo 40 let pozneje« arXiv prednatis (2021).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2106.10522
arXiv: 2106.10522

[11] Heinz-Peter Breuerand Francesco Petruccione “Teorija odprtih kvantnih sistemov” Oxford University Press na zahtevo (2002).
https: / / doi.org/ 10.1093 / acprof: oso / 9780199213900.001.0001

[12] Y. Cao, J. Romero in A. Aspuru-Guzik, »Potencial kvantnega računalništva za odkrivanje zdravil« IBM Journal of Research and Development 62, 6:1–6:20 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1147 / JRD.2018.2888987

[13] WM Itano, JC Bergquist, JJ Bollinger, JM Gilligan, DJ Heinzen, FL Moore, MG Raizen in DJ Wineland, »Kvantni projekcijski hrup: Nihanja populacije v dvonivojskih sistemih« Physical Review A 47, 3554–3570 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.47.3554

[14] Marco Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R. McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan in Lukasz Cincio, »Variational quantum algorithms« Nature Reviews Physics 3, 625–644 (2021) .
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9
arXiv: 2012.09265

[15] RR Ferguson, L. Dellantonio, A. Al Balushi, K. Jansen, W. Dür in CA Muschik, »Measurement-Based Variational Quantum Eigensolver« Physical Review Letters 126, 220501 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.220501
arXiv: 2010.13940

[16] Andrew Jena, Scott Genin in Michele Mosca, »Pauli Partitioning with Respect to Gate Sets« arXiv predprint (2019).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1907.07859
arXiv: 1907.07859

[17] Jarrod R. McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush in Alán Aspuru-Guzik, “Teorija variacijskih hibridnih kvantno-klasičnih algoritmov” New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023
arXiv: 1509.04279

[18] Vladyslav Verteletskyi, Tzu-Ching Yen in Artur F. Izmaylov, »Optimizacija meritev v variacijskem kvantnem lastnem reševalcu z uporabo minimalnega kritja klike« The Journal of Chemical Physics 152, 124114 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5141458
arXiv: 1907.03358

[19] Andrew Arrasmith, Lukasz Cincio, Rolando D. Somma in Patrick J. Coles, »Operator Sampling for Shot-Frugal Optimization in Variational Algorithms« prednatis arXiv (2020).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2004.06252
arXiv: 2004.06252

[20] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell in Stephen Brierley, »Učinkovito kvantno merjenje Paulijevih operatorjev v prisotnosti končne napake vzorčenja« Quantum 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385
arXiv: 1908.06942

[21] Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng in John Preskill, »Učinkovita ocena Paulijevih opazovanj z derandomizacijo«, Physical Review Letters 127, 030503 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.030503
arXiv: 2103.07510

[22] Giacomo Torlai, Guglielmo Mazzola, Giuseppe Carleo in Antonio Mezzacapo, »Natančno merjenje kvantnih opazovalcev z ocenjevalci nevronske mreže« Physical Review Research 2, 022060 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.022060
arXiv: 1910.07596

[23] Stefan Hillmich, Charles Hadfield, Rudy Raymond, Antonio Mezzacapo in Robert Wille, »Odločitveni diagrami za kvantne meritve s plitvimi vezji« 2021 Mednarodna konferenca IEEE o kvantnem računalništvu in inženirstvu (QCE) 24–34 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1109 / QCE52317.2021.00018

[24] Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng in John Preskill, »Napovedovanje številnih lastnosti kvantnega sistema iz zelo malo meritev« Nature Physics 16, 1050–1057 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-020-0932-7
arXiv: 2002.08953

[25] Charles Hadfield, Sergey Bravyi, Rudy Raymond in Antonio Mezzacapo, »Meritve kvantnih hamiltonianov z lokalno pristranskimi klasičnimi sencami« Sporočila v matematični fiziki 391, 951–967 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-022-04343-8

[26] Prednatis arXiv Charlesa Hadfielda »Prilagodljive Paulijeve sence za oceno energije« (2021).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2105.12207
arXiv: 2105.12207

[27] Bujiao Wu, Jinzhao Sun, Qi Huang in Xiao Yuan, »Merjenje prekrivajočega združevanja: poenoten okvir za merjenje kvantnih stanj«, prednatis arXiv (2021).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2105.13091
arXiv: 2105.13091

[28] Masaya Kohda, Ryosuke Imai, Keita Kanno, Kosuke Mitarai, Wataru Mizukami in Yuya O. Nakagawa, »Ocena kvantne pričakovane vrednosti z vzorčenjem računalniške osnove« Phys. Rev. Res. 4, 033173 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033173

[29] Pranav Gokhale, Olivia Angiuli, Yongshan Ding, Kaiwen Gui, Teague Tomesh, Martin Suchara, Margaret Martonosi in Frederic T. Chong, »Minimiziranje priprav stanja v variacijskem kvantnem lastnem reševalcu z razdelitvijo na družine, ki se vozijo« arXiv prednatis (2019).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1907.13623
arXiv: 1907.13623

[30] Ikko Hamamura in Takashi Imamichi »Učinkovito vrednotenje kvantnih opazovanj z uporabo zapletenih meritev« npj Kvantne informacije 6, 1–8 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0284-2

[31] Tzu-Ching Yen, Vladyslav Verteletskyi in Artur F. Izmaylov, »Merjenje vseh združljivih operaterjev v eni seriji meritev z enim kubitom z uporabo enotnih transformacij« Journal of Chemical Theory and Computation 16, 2400–2409 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.0c00008

[32] Artur F. Izmaylov, Tzu-Ching Yen, Robert A. Lang in Vladyslav Verteletskyi, »Unitary Partitioning Approach to the Measurement Problem in the Variational Quantum Eigensolver Method« Journal of Chemical Theory and Computation 16, 190–195 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.9b00791

[33] Cambyse Rouzé in Daniel Stilck Franca »Učenje kvantnih sistemov več teles iz nekaj kopij« arXiv prednatis (2021).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2107.03333
arXiv: 2107.03333

[34] Andrew J. Jena in Ariel Shlosberg »Optimizacija meritev VQE (repozitorij GitHub)« https:/​/​github.com/​AndrewJena/​VQE_measurement_optimization (2021).
https://​/​github.com/​AndrewJena/​VQE_measurement_optimization

[35] Scott Aaronson in Daniel Gottesman »Izboljšana simulacija stabilizatorskih vezij« Physical Review A 70, 052328 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.052328

[36] Coen Bronand Joep Kerbosch “Algoritem 457: iskanje vseh klik neusmerjenega grafa” Sporočila ACM 16, 575–577 (1973).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 362342.362367

[37] Thomas H. Cormen, Charles E. Leiserson, Ronald L. Rivest in Clifford Stein, “Introduction to algorithms” MIT press (2009).

[38] Stephan Hoyer, Jascha Sohl-Dickstein in Sam Greydanus, »Nevronska reparametrizacija izboljšuje strukturno optimizacijo« NeurIPS 2019 Deep Inverse Workshop (2019).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1909.04240
arXiv: 1909.04240

[39] Herbert Robbinsand Sutton Monro "Metoda stohastičnega približka" The Annals of Mathematical Statistics 400–407 (1951).
https: / / doi.org/ 10.1214 / aoms / 1177729586

[40] Diederik P. Kingma in Jimmy Ba »Adam: Metoda za stohastično optimizacijo« 3. mednarodna konferenca o učnih predstavitvah (2015).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1412.6980
arXiv: 1412.6980

[41] Stephen Wright in Jorge Nocedal “Numerična optimizacija” Springer Science 35, 7 (1999).

[42] Philip E. Gilland Walter Murray “Quasi-Newtonove metode za neomejeno optimizacijo” IMA Journal of Applied Mathematics 9, 91–108 (1972).
https: / / doi.org/ 10.1093 / imamat / 9.1.91

[43] Chigozie Nwankpa, Winifred Ijomah, Anthony Gachagan in Stephen Marshall, »Activation Functions: Comparison of trends in Practice and Research for Deep Learning« prednatis arXiv (2018).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1811.03378
arXiv: 1811.03378

[44] Fabian HL Essler, Holger Frahm, Frank Göhmann, Andreas Klümper in Vladimir E Korepin, »Enodimenzionalni Hubbardov model« Cambridge University Press (2005).

[45] Zonghan Wu, Shirui Pan, Fengwen Chen, Guodong Long, Chengqi Zhang in Philip S. Yu, »Celovita raziskava o grafičnih nevronskih mrežah« IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems 32, 4–24 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TNNLS.2020.2978386
arXiv: 1901.00596

[46] JF Haase, PJ Vetter, T. Unden, A. Smirne, J. Rosskopf, B. Naydenov, A. Stacey, F. Jelezko, MB Plenio in SF Huelga, »Kontrollable Non-Markovianity for a Spin Qubit in Diamond« Physical Pregledna pisma 121, 060401 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.060401
arXiv: 1802.00819

[47] Nicholas C. Rubin, Ryan Babbush in Jarrod McClean, »Uporaba fermionskih mejnih omejitev za hibridne kvantne algoritme« New Journal of Physics 20, 053020 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aab919
arXiv: 1801.03524

[48] John Kruschke »Doing Bayesian data analysis: A tutorial with R, JAGS, and Stan« Academic Press (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​B978-0-12-405888-0.09999-2

[49] Andrew Gelman, John B. Carlin, Hal S. Stern in Donald B. Rubin, »Bayesova analiza podatkov« Chapman Hall/CRC (1995).

[50] Paolo Fornasini »Negotovost pri fizičnih meritvah: uvod v analizo podatkov v fizikalnem laboratoriju« Springer (2008).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-0-387-78650-6

[51] Roger A. Hornand Charles R. Johnson »Matrična analiza« Cambridge University Press (2012).

[52] JW Moonand L. Moser “O klikah v grafih” Israel Journal of Mathematics 3, 23–28 (1965).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02760024

[53] Dong C. Liuand Jorge Nocedal “O metodi BFGS z omejenim pomnilnikom za optimizacijo velikega obsega” Matematično programiranje 45, 503–528 (1989).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01589116

Navedel

[1] Andreas Elben, Steven T. Flammia, Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng, John Preskill, Benoît Vermersch in Peter Zoller, »Zbirka orodij za naključno merjenje«, Nature Reviews Physics 5 1, 9 (2023).

[2] Zachary Pierce Bansingh, Tzu-Ching Yen, Peter D. Johnson in Artur F. Izmaylov, »Fidelity overhead for non-lokalne meritve v variacijskih kvantnih algoritmih«, arXiv: 2205.07113, (2022).

[3] Masaya Kohda, Ryosuke Imai, Keita Kanno, Kosuke Mitarai, Wataru Mizukami in Yuya O. Nakagawa, »Ocena kvantne pričakovane vrednosti z vzorčenjem računalniške osnove« Fizični pregled raziskav 4 3, 033173 (2022).

[4] Bujiao Wu, Jinzhao Sun, Qi Huang in Xiao Yuan, »Merenje prekrivajočega združevanja: enoten okvir za merjenje kvantnih stanj«, arXiv: 2105.13091, (2021).

[5] Tzu-Ching Yen, Aadithya Ganeshram in Artur F. Izmaylov, »Deterministične izboljšave kvantnih meritev z združevanjem združljivih operaterjev, nelokalnih transformacij in kovariančnih ocen«, arXiv: 2201.01471, (2022).

[6] Bojia Duan in Chang-Yu Hsieh, »Hamiltonsko nalaganje podatkov s plitvimi kvantnimi vezji«, Fizični pregled A 106 5, 052422 (2022).

[7] Daniel Miller, Laurin E. Fischer, Igor O. Sokolov, Panagiotis Kl. Barkoutsos in Ivano Tavernelli, »Hardware-Tailored Diagonalization Circuits«, arXiv: 2203.03646, (2022).

[8] Francisco Escudero, David Fernández-Fernández, Gabriel Jaumà, Guillermo F. ​​Peñas in Luciano Pereira, »Strojno učinkovite zapletene meritve za variacijske kvantne algoritme«, arXiv: 2202.06979, (2022).

[9] William Kirby, Mario Motta in Antonio Mezzacapo, "Natančna in učinkovita Lanczosova metoda na kvantnem računalniku", arXiv: 2208.00567, (2022).

[10] Lane G. Gunderman, »Pretvorba zbirk Paulijevih operaterjev v enakovredne zbirke Paulijevih operaterjev nad minimalnimi registri«, arXiv: 2206.13040, (2022).

[11] Andrew Jena, Scott N. Genin in Michele Mosca, »Optimizacija meritev variacijskega kvantnega lastnega rezolverja s particioniranjem Paulijevih operaterjev z uporabo večkubitnih Cliffordovih vrat na hrupni kvantni strojni opremi vmesnega merila«, Fizični pregled A 106 4, 042443 (2022).

[12] Alexander Gresch in Martin Kliesch, »Zajamčena učinkovita ocena energije kvantnih Hamiltonianov več teles z uporabo ShadowGroupinga«, arXiv: 2301.03385, (2023).

Zgornji citati so iz SAO / NASA ADS (zadnjič posodobljeno 2023-01-26 13:33:05). Seznam je morda nepopoln, saj vsi založniki ne dajejo ustreznih in popolnih podatkov o citiranju.

Pridobitve ni bilo mogoče Crossref citirani podatki med zadnjim poskusom 2023-01-26 13:33:03: Citiranih podatkov za 10.22331 / q-2023-01-26-906 od Crossrefa ni bilo mogoče pridobiti. To je normalno, če je bil DOI registriran pred kratkim.

Ta dokument je objavljen v Quantumu pod Priznanje avtorstva Creative Commons 4.0 International (CC BY 4.0) licenca. Avtorske pravice ostajajo pri izvirnih imetnikih avtorskih pravic, kot so avtorji ali njihove ustanove.

Časovni žig:

Več od Quantum Journal