Bitka čistih in umazanih kubitov v dobi delnega popravljanja napak

Bitka čistih in umazanih kubitov v dobi delnega popravljanja napak

Daniel Bultrini1,2, Samson Wang1,3, Piotr Czarnik1,4, Max Hunter Gordon1,5, M. Cerezo6,7, Patrick J. Coles1,7, in Lukasz Cincio1,7

1Teoretični oddelek, Nacionalni laboratorij Los Alamos, Los Alamos, NM 87545, ZDA
2Theoretische Chemie, Physikalisch-Chemisches Institut, Universität Heidelberg, INF 229, D-69120 Heidelberg, Nemčija
3Imperial College London, London, Združeno kraljestvo
4Inštitut za teoretično fiziko, Jagielonska univerza, Krakov, Poljska.
5Instituto de Física Teórica, UAM/CSIC, Universidad Autónoma de Madrid, Madrid 28049, Španija
6Informacijske znanosti, Nacionalni laboratorij Los Alamos, Los Alamos, NM 87545, ZDA
7Quantum Science Center, Oak Ridge, TN 37931, ZDA

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

Minimalizem

Ko bo popravljanje napak postalo mogoče, bo treba vsakemu logičnemu kubitu nameniti veliko število fizičnih kubitov. Popravek napak omogoča zagon globljih vezij, vendar lahko vsak dodatni fizični kubit potencialno prispeva k eksponentnemu povečanju računalniškega prostora, zato obstaja kompromis med uporabo kubitov za odpravljanje napak ali njihovo uporabo kot hrupnih kubitov. V tem delu si ogledamo učinke uporabe hrupnih kubitov v povezavi z brezšumnimi kubiti (idealiziran model za kubite s popravljenimi napakami), ki jih imenujemo "čista in umazana" nastavitev. Za karakterizacijo te nastavitve uporabljamo analitične modele in numerične simulacije. Numerično prikazujemo pojav s hrupom povzročenih golih planot (NIBP), tj. eksponentno koncentracijo opaznih, ki jih povzroča hrup, v Hamiltonovem variacijskem anzatz vezju Isingovega modela. To opazimo, tudi če je samo en kubit hrupen in ima dovolj globoko vezje, kar nakazuje, da NIBP ni mogoče v celoti premagati preprosto s popravljanjem napak podskupine kubitov. Na pozitivni strani ugotovimo, da za vsak brezšumni kubit v vezju obstaja eksponentna supresija koncentracije gradientnih opazovalcev, kar kaže na korist delne korekcije napak. Nazadnje naši analitični modeli potrjujejo te ugotovitve s prikazom, da se opazovalne vrednosti koncentrirajo s skaliranjem v eksponentu, ki je povezan z razmerjem umazanih in skupnih kubitov.

V prihodnosti s kvantnimi računalniki, odpornimi na napake, se bo odprl povsem nov svet kvantnih algoritmov, ki lahko nudijo prednost pred mnogimi klasičnimi algoritmi. To ne bo prišlo brez nekaj žrtev – število kubitov, potrebnih za kodiranje (ali logičnega) kubita s popravljeno napako, bo veliko. Dodajanje enega samega kubita v sistem podvoji razpoložljivi računski prostor stroja, zato v tem prispevku postavljamo vprašanje: ali lahko kombinirate kubite s popravljenimi napakami s fizičnimi kubiti? Ker hrup močno ovira kvantne algoritme, je morda združevanje prednosti popravljanja napak z dodatnim Hilbertovim prostorom, ki ga omogočajo fizični kubiti brez popravka napak, lahko koristno za nekatere razrede algoritmov. K temu vprašanju pristopimo z uporabo približka, kjer brezšumni kubiti prevzamejo mesto kubitov s popravljenimi napakami, ki jih imenujemo čisti; in so povezani s hrupnimi fizičnimi kubiti, ki jih imenujemo umazani. Analitično in numerično pokažemo, da so napake pri merjenju pričakovanih vrednosti eksponentno potlačene za vsak hrupni kubit, ki je nadomeščen s čistim kubitom, in da to vedenje natančno sledi temu, kar bi naredil stroj, če bi zmanjšali stopnjo napak enakomerno hrupnega stroja z razmerjem med umazanimi kubiti in skupnimi kubiti.

► BibTeX podatki

► Reference

[1] Richard P. Feynman. “Simulacija fizike z računalniki”. International Journal of Theoretical Physics 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, et al. "Nadzor, odporen na napake, qubit-a s popravljenimi napakami". Narava 598, 281–286 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03928-y

[3] Peter W Šor. “Algoritmi za kvantno računanje: diskretni logaritmi in faktoring”. V zborniku 35. letni simpozij o temeljih računalništva. Strani 124–134. Ieee (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

[4] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim in Seth Lloyd. “Kvantni algoritem za linearne sisteme enačb”. Physical Review Letters 103, 150502 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[5] John Preskill. "Kvantno računalništvo v dobi NISQ in pozneje". 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 Cincio in Patrick J. Coles. "Variacijski kvantni algoritmi". 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. "Hrupni kvantni algoritmi vmesne lestvice". 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 in Seth Lloyd. "Kvantno strojno učenje". Narava 549, 195–202 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23474

[9] Michael A. Nielsen in Isaac L. Chuang. "Kvantno računanje in kvantne informacije". Cambridge University Press. Cambridge (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[10] Dorit Aharonov, Michael Ben-Or, Russell Impagliazzo in Noam Nisan. "Omejitve hrupnega reverzibilnega računanja" (1996). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189

[11] Michael Ben-Or, Daniel Gottesman in Avinatan Hassidim. "Kvantni hladilnik" (2013). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1301.1995.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1301.1995

[12] Daniel Stilck França in Raul Garcia-Patron. "Omejitve optimizacijskih algoritmov na hrupnih kvantnih napravah". Nature Physics 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 Cincio in Patrick J Coles. "S hrupom povzročene neplodne planote v variacijskih kvantnih algoritmih". 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 in Hartmut Neven. "Neplodne planote v pokrajinah za usposabljanje kvantnih nevronskih mrež". Nature Communications 9, 1–6 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-07090-4

[15] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cincio in Patrick J Coles. "Od stroškovne funkcije odvisni neplodni platoji v plitvih parametriziranih kvantnih vezjih". Nature Communications 12, 1–12 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-021-21728-w

[16] Andrew Arrasmith, Zoë Holmes, Marco Cerezo in Patrick J Coles. "Enakovrednost kvantno neplodnih planot s koncentracijo stroškov in ozkimi soteskami". Kvantna znanost in tehnologija 7, 045015 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ac7d06

[17] Andrew Arrasmith, M. Cerezo, Piotr Czarnik, Lukasz Cincio in Patrick J Coles. "Učinek nerodovitnih planot na optimizacijo brez gradientov". Quantum 5, 558 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-05-558

[18] M. Cerezo in Patrick J Coles. "Izvodi višjega reda kvantnih nevronskih mrež z neplodnimi platoji". Kvantna znanost in tehnologija 6, 035006 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / abf51a

[19] Carlos Ortiz Marrero, Mária Kieferová in Nathan Wiebe. "Neplodne planote, ki jih povzroči zaplet". 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 in M. Cerezo. "Diagnosticiranje pustih platojev z orodji kvantnega optimalnega nadzora". Quantum 6, 824 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-09-29-824

[21] Zoë Holmes, Kunal Sharma, M. Cerezo in Patrick J Coles. "Povezovanje anzatz izraznosti z gradientnimi magnitudami in neplodnimi planotami". PRX Quantum 3, 010313 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010313

[22] Supanut Thanasilp, Samson Wang, Nhat A Nghiem, Patrick J. Coles in M. Cerezo. »Subtilnosti v sposobnosti učenja modelov kvantnega strojnega učenja« (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 Cincio in Patrick J Coles. "Ali lahko zmanjševanje napak izboljša sposobnost učenja hrupnih variacijskih kvantnih algoritmov?" (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 in Raymond Laflamme. »NISQ: Popravljanje napak, ublažitev in simulacija šuma« (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 in Frederic T Chong. “NISQ+: Povečanje kvantne računalniške moči s približevanjem kvantne korekcije napak”. Leta 2020 na 47. letnem mednarodnem simpoziju ACM/IEEE o računalniški arhitekturi (ISCA). Strani 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 in Yuuki Tokunaga. »Kvantno ublažitev napak kot univerzalna tehnika zmanjševanja napak: aplikacije od NISQ do obdobij kvantnega računalništva, odpornih na napake«. PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010345

[27] Emanuel Knill in Raymond Laflamme. "Moč enega bita kvantne informacije". 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 in Seiichiro Tani. "Moč kvantnega računanja z nekaj čistimi kubiti". 43. mednarodni kolokvij o avtomatih, jezikih in programiranju (ICALP 2016) 55, 13:1–13:14 (2016).
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.ICALP.2016.13

[29] Tomoyuki Morimae, Keisuke Fujii in Harumichi Nishimura. "Moč enega nečistega kubita". Physical Review A 95, 042336 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042336

[30] Craig Gidney. »Faktoring z n+2 čistimi kubiti in n-1 umazanimi kubiti« (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 in Yiğit Subaşı. "Računanje particijskih funkcij v modelu 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 in Seiichiro Tani. "Nezmožnost klasične simulacije modela enega čistega kubita z multiplikativno napako". Physical Review Letters 120, 200502 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.200502

[33] Raymond Laflamme, Cesar Miquel, Juan Pablo Paz in Wojciech Hubert Zurek. “Popolna kvantna koda za popravljanje napak”. Phys. Rev. Lett. 77, 198–201 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.77.198

[34] Daniel Gottesman. "Uvod v kvantno odpravljanje napak in kvantno računanje, odporno na napake". Kvantna informacijska znanost in njeni prispevki k matematiki, Zbornik simpozijev uporabne matematike 63, 13–58 (2010).
https://doi.org/ 10.1090/psapm/068/2762145

[35] 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

[36] A Yu Kitaev. "Kvantni izračuni: algoritmi in popravljanje napak". Ruski matematični pregledi 52, 1191 (1997).
https:/​/​doi.org/​10.1070/​RM1997v052n06ABEH002155

[37] Chris N Self, Marcello Benedetti in David Amaro. »Zaščita izraznih vezij s kvantno kodo za odkrivanje napak« (2022). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.06703.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.06703

[38] Rolando D Somma. »Ocena kvantne lastne vrednosti z analizo časovnih vrst«. 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 in Jay M Gambetta. "Nadzorovano učenje s kvantno izboljšanimi prostori funkcij". Narava 567, 209–212 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-0980-2

[40] Andrew G Taube in Rodney J Bartlett. "Novi pogledi na teorijo enotnih sklopljenih grozdov". International Journal of Quantum Chemistry 106, 3393–3401 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qua.21198

[41] Sumeet Khatri, Ryan LaRose, Alexander Poremba, Lukasz Cincio, Andrew T Sornborger in Patrick J Coles. "Kvantno podprto kvantno prevajanje". 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 in Kenneth R Brown. "Simulacija delovanja površinske kode razdalje 3 v linearni ionski pasti". New Journal of Physics 20, 043038 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aab341

[43] Lukasz Cincio, Yiğit Subaşı, Andrew T Sornborger in Patrick J Coles. "Učenje kvantnega algoritma za prekrivanje stanj". New Journal of Physics 20, 113022 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aae94a

[44] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone in Sam Gutmann. »Kvantni približni optimizacijski algoritem« (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 in Rupak Biswas. “Od algoritma kvantne približne optimizacije do kvantnega alternirajočega operatorja anzatz”. Algoritmi 12, 34 (2019).
https: / / doi.org/ 10.3390 / a12020034

[46] Maria Schuld, Ville Bergholm, Christian Gogolin, Josh Izaac in Nathan Killoran. "Vrednotenje analitičnih gradientov na kvantni strojni opremi". Physical Review A 99, 032331 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032331

[47] Lukasz Cincio, Kenneth Rudinger, Mohan Sarovar in Patrick J. Coles. "Strojno učenje kvantnih vezij, odpornih na hrup". PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[48] Ryuji Takagi, Suguru Endo, Shintaro Minagawa in Mile Gu. "Temeljne omejitve kvantnega zmanjševanja napak". npj Kvantne informacije 8, 114 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-022-00618-z

[49] Sergey Danilin, Nicholas Nugent in Martin Weides. »Kvantno zaznavanje z nastavljivimi superprevodnimi kubiti: optimizacija in pospešitev« (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 in Christoph Simon. "Pogledi na kvantno transdukcijo". Kvantna znanost in tehnologija 5, 020501 (2020).
https://doi.org/ 10.1088/2058-9565/ab788a

[51] Bernhard Baumgartner. »Neenakost za sled matričnih produktov z uporabo absolutnih vrednosti« (2011). url: https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1106.6189

Navedel

[1] Mikel Garcia-de-Andoin, Álvaro Saiz, Pedro Pérez-Fernández, Lucas Lamata, Izaskun Oregi in Mikel Sanz, »Digitalno-analogno kvantno računanje s poljubnimi hamiltoniani dveh teles« arXiv: 2307.00966, (2023).

[2] Abdullah Ash Saki, Amara Katabarwa, Salonik Resch in George Umbrarescu, »Preizkušanje hipotez za zmanjševanje napak: Kako oceniti zmanjševanje napak«, arXiv: 2301.02690, (2023).

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

[4] M. Cerezo, Guillaume Verdon, Hsin-Yuan Huang, Lukasz Cincio in Patrick J. Coles, »Izzivi in ​​priložnosti kvantnega strojnega učenja«, arXiv: 2303.09491, (2023).

[5] Nikolaos Koukoulekidis, Samson Wang, Tom O'Leary, Daniel Bultrini, Lukasz Cincio in Piotr Czarnik, "Ogrodje delnega popravljanja napak za kvantne računalnike srednjega obsega", arXiv: 2306.15531, (2023).

Zgornji citati so iz SAO / NASA ADS (zadnjič posodobljeno 2023-07-13 15:21:51). 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 2023-07-13 15:21:50: Citiranih podatkov za 10.22331 / q-2023-07-13-1060 od Crossrefa ni bilo mogoče pridobiti. To je normalno, če je bil DOI registriran pred kratkim.

Časovni žig:

Več od Quantum Journal