Sinergijsko kvantno zmanjševanje napak z naključnim prevajanjem in ekstrapolacijo brez šuma za variacijski kvantni lastni reševalec

Sinergijsko kvantno zmanjševanje napak z naključnim prevajanjem in ekstrapolacijo brez šuma za variacijski kvantni lastni reševalec

Časovni žig: 20. november 2023 8:49

Tomočika Kurita1, Hammam Qassim2, Masatoshi Ishii1, Hirotaka Oshima1, Shintaro Sato1in Joseph Emerson2

1Quantum Laboratory, Fujitsu Research, Fujitsu Limited. 10-1 Morinosato-wakamiya, Atsugi, Kanagawa, Japonska 243-0197
2Keysight Technologies Canada, 137 Glasgow St, Kitchener, ON, Kanada, N2G 4X8

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

Minimalizem

Predlagamo strategijo kvantnega zmanjševanja napak za algoritem variacijskega kvantnega lastnega reševalca (VQE). Z numerično simulacijo smo ugotovili, da lahko zelo majhne količine koherentnega hrupa v VQE povzročijo precej velike napake, ki jih je težko zatreti z običajnimi metodami ublažitve, kljub temu pa lahko naša predlagana strategija ublažitve znatno zmanjša te napake. Predlagana strategija je kombinacija predhodno prijavljenih tehnik, in sicer naključnega zbiranja (RC) in ekstrapolacije brez šuma (ZNE). Intuitivno naključno prevajanje spremeni koherentne napake v vezju v stohastične Paulijeve napake, kar olajša ekstrapolacijo do meje brez šuma pri ocenjevanju stroškovne funkcije. Naša numerična simulacija VQE za majhne molekule kaže, da lahko predlagana strategija ublaži energetske napake, ki jih povzročajo različne vrste koherentnega hrupa, za do dva reda velikosti.

Sinergično kvantno zmanjšanje napak z naključnim prevajanjem in ekstrapolacijo brez hrupa za variacijski kvantni lastni rezolver PlatoBlockchain Data Intelligence. Navpično iskanje. Ai.

Priljubljen povzetek

Ko izvajamo kvantne izračune, je ključnega pomena zmanjšati računske napake, ki jih povzroča hrup strojne opreme. Za hrupno kvantno vmesno skalo (NISQ) strojno opremo je mogoče uporabiti tehnike kvantnega zmanjševanja napak za zmanjšanje takih napak. Obravnava koherentnega hrupa pa ostaja pomemben izziv pri zmanjševanju napak zaradi dveh razlogov: (i) celo majhna količina koherentnega hrupa lahko povzroči znatne računske napake in (ii) te napake je težko ublažiti z obstoječimi tehnikami.
V tem delu predlagamo tehniko za ublažitev napak, ki učinkovito zmanjša napake, ki jih povzroči koherentni šum. Ta tehnika uporablja sinergijski učinek naključnega prevajanja (RC) in ekstrapolacije brez šuma (ZNE). RC pretvori koherentni šum v stohastični Paulijev šum, ki ga je mogoče učinkovito ublažiti z uporabo ZNE. Naše numerične simulacije na variacijskih algoritmih kvantnega lastnega reševalca kažejo, da naša predlagana tehnika ublažitve kaže pomemben učinek zatiranja napak proti koherentnemu šumu.

► BibTeX podatki

► Reference

[1] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin in Xiao Yuan. "Kvantna računalniška kemija". 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 in Yuhua Duan. »Kvantno računalništvo in simulacije za energetske aplikacije: pregled in perspektiva«. 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 in Jeannette M Garcia. "Kvantni izračun prevladujočih produktov v litij-žveplovih baterijah". Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068

[4] Austin G Fowler, Matteo Mariantoni, John M Martinis in Andrew N Cleland. "Površinske kode: Proti praktičnemu obsežnemu kvantnemu računanju". 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 in Jeremy L O'brien. "Variacijski reševalec lastnih vrednosti na fotonskem kvantnem procesorju". Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[6] 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

[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 idr. "Skalabilna kvantna simulacija molekulskih energij". 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 in Jay M Gambetta. "Strojno učinkovit variacijski kvantni lastni reševalec za majhne molekule in kvantne magnete". Narava 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 in Irfan Siddiqi. "Izračun molekularnih spektrov na kvantnem procesorju z algoritmom, odpornim na napake". 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 in Jay M Gambetta. "Zmanjšanje napak razširi računski doseg hrupnega kvantnega procesorja". Narava 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 in Kihwan Kim. "Kvantna izvedba enotnega sklopljenega grozda za simulacijo molekularne elektronske strukture". 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, et al. "Ocena energije v osnovnem stanju molekule vode na kvantnem računalniku z ujetimi ioni". npj Kvantne informacije 6, 33 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0259-3

[13] Jarrod R McClean, Sergio Boixo, Vadim N Smelyanskiy, Ryan Babbush in Hartmut Neven. "Neplodne planote v pokrajinah za usposabljanje kvantnih nevronskih mrež". 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 idr. "Variational Quantum Eigensolver: Pregled metod in najboljših praks". Physics Reports 986, 1–128 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.08.003

[15] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin in Xiao Yuan. “Hibridni kvantno-klasični algoritmi in kvantno zmanjšanje napak”. Journal of the Physical Society of Japan 90, 032001 (2021).
https: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001

[16] Ying Li in Simon C Benjamin. "Učinkovit variacijski kvantni simulator, ki vključuje aktivno zmanjševanje napak". Physical Review X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[17] Kristan Temme, Sergey Bravyi in Jay M Gambetta. "Zmanjšanje napak za kvantna vezja kratke globine". Fizična pregledna pisma 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[18] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A de Jong in Christian W Bauer. "Ekstrapolacija brez hrupa za ublažitev napak kvantnih vrat z vstavitvami identitet". 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 in Kihwan Kim. "Kvantna vrata z ublažitvijo napak, ki presegajo fizične zvestobe v sistemu z ujetimi ioni". Nature Communications 11, 587 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[20] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter in Wibe A De Jong. “Hibridna kvantno-klasična hierarhija za ublažitev dekoherence in določanje vzbujenih stanj”. Physical Review A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[21] Joel J Wallman in Joseph Emerson. "Prilagajanje šuma za razširljivo kvantno računanje prek naključnega prevajanja". 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. »Naključno prevajanje za razširljivo kvantno računalništvo na hrupnem superprevodnem kvantnem procesorju«. 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 idr. »Izkoriščanje naključnega prevajanja za kvantni algoritem imaginarne časovne evolucije«. 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 in Abhinav Kandala. "Razširljivo zmanjševanje napak za hrupna kvantna vezja ustvarja konkurenčne pričakovane vrednosti". Nature Physics 19, 752–759 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[25] Chao Song, Jing Cui, H Wang, J Hao, H Feng in Ying Li. "Kvantno računanje z univerzalnim zmanjševanjem napak na superprevodnem kvantnem procesorju". Znanost napreduje 5, eaaw5686 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[26] Matthew Ware, Guilhem Ribeill, Diego Riste, Colm A Ryan, Blake Johnson in Marcus P Da Silva. "Eksperimentalna randomizacija Paulijevega okvirja na superprevodnem kubitu". 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 in Joel J Wallman. »Učinkovito izboljšanje zmogljivosti hrupnih kvantnih računalnikov« (2022). arXiv:2201.10672.
arXiv: 2201.10672

[28] Nick S. Blunt, Laura Caune, Róbert Izsák, Earl T. Campbell in Nicole Holzmann. »Statistična ocena faze in zmanjševanje napak na superprevodnem kvantnem procesorju« (2023). arXiv:2304.05126.
arXiv: 2304.05126

[29] Samson Wang, Enrico Fontana, Marco Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio in Patrick J Coles. "S hrupom povzročene neplodne planote v variacijskih kvantnih algoritmih". Nature Communications 12, 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] Michael A Nielsen in Isaac Chuang. "Kvantno računanje in kvantne informacije". 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 idr. "Vrednotenje dokazov za eksponentno kvantno prednost v kvantni kemiji osnovnega stanja". 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 in Jhonathan Romero. "Meritve kot ovira za kratkoročno praktično kvantno prednost v kemiji: analiza virov". 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 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

[34] Tomochika Kurita, Mikio Morita, Hirotaka Oshima in Shintaro Sato. "Paulijev algoritem za razdelitev nizov z Isingovim modelom za sočasno merjenje". 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 idr. »Programska oprema 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 idr. “SciPy 1.0: Temeljni algoritmi za znanstveno računalništvo v Pythonu”. Nature Methods 17, 261–272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] Michael JD Powell. “Algoritem BOBYQA za vezano omejeno optimizacijo brez izpeljank”. Tehnično poročilo. Univerza v Cambridgeu, 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 idr. »OpenFermion: Paket elektronske strukture za kvantne računalnike« (2017). arXiv:1710.07629.
arXiv: 1710.07629

[39] Ewout van den Berg, Zlatko K Minev, Abhinav Kandala in Kristan Temme. “Odprava verjetnostne napake z redkimi Pauli-Lindbladovimi modeli na hrupnih kvantnih procesorjih”. Nature Physics 19, 1116–1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

Navedel

[1] Ritajit Majumdar, Pedro Rivero, Friederike Metz, Areeq Hasan in Derek S Wang, »Najboljše prakse za zmanjšanje kvantne napake z digitalno ekstrapolacijo brez hrupa«, arXiv: 2307.05203, (2023).

[2] Arnaud Carignan-Dugas, Shashank Kumar Ranu in Patrick Dreher, »Ocenjevanje koherentnih prispevkov k profilu napak z uporabo rekonstrukcije cikličnih napak«, arXiv: 2303.09945, (2023).

[3] Hugo Perrin, Thibault Scoquart, Alexander Shnirman, Jörg Schmalian in Kyrylo Snizhko, "Ublažitev napak preslušavanja z naključnim prevajanjem: Simulacija modela BCS na superprevodnem kvantnem računalniku", arXiv: 2305.02345, (2023).

[4] ChangWon Lee in Daniel K. Park, »Razširljivo zmanjšanje napak kvantnega merjenja prek pogojne neodvisnosti in prenosa učenja«, arXiv: 2308.00320, (2023).

Zgornji citati so iz SAO / NASA ADS (zadnjič posodobljeno 2023-11-20 13:58:16). 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 2023-11-20 13:58:14: Citiranih podatkov za 10.22331 / q-2023-11-20-1184 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