Karakterisera och mildra koherenta fel i en fångade jonkvantprocessor med hjälp av dolda inverser

Karakterisera och mildra koherenta fel i en fångade jonkvantprocessor med hjälp av dolda inverser

Tidsstämpel: 15 maj 2023 8:55

Swarnadeep Majumder1,2, Christopher G. Yale3Titus D. Morris4, Daniel S. Lobser3, Ashlyn D. Burch3, Matthew NH Chow3,5,6, Melissa C. Revelle3Susan M. Clark3, och Raphael C. Pooser4

1Duke Quantum Center, Duke University, Durham, NC 27701, USA
2Institutionen för elektro- och datorteknik, Duke University, Durham, NC 27708 USA
3Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM 87123, USA
4Quantum Information Science Section, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN 37831, USA
5Institutionen för fysik och astronomi, University of New Mexico, Albuquerque, NM 87131, USA
6Center for Quantum Information and Control, University of New Mexico, Albuquerque, NM 87131, USA

Hitta det här uppsatsen intressant eller vill diskutera? Scite eller lämna en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Quantum computing testbäddar uppvisar högtrohet kvantkontroll över små samlingar av qubits, vilket möjliggör prestanda för exakta, repeterbara operationer följt av mätningar. För närvarande kan dessa bullriga medelskaliga anordningar stödja ett tillräckligt antal sekventiella operationer före dekoherens så att algoritmer på kort sikt kan utföras med omedelbar noggrannhet (som kemisk noggrannhet för kvantkemiproblem). Även om resultaten av dessa algoritmer är ofullkomliga, kan dessa ofullkomligheter hjälpa bootstrap-utvecklingen av kvantdatorers testbädd. Demonstrationer av dessa algoritmer under de senaste åren, tillsammans med tanken att ofullständig algoritmprestanda kan orsakas av flera dominerande bruskällor i kvantprocessorn, som kan mätas och kalibreras under algoritmexekvering eller efterbearbetning, har lett till att användning av brusreducering för att förbättra typiska beräkningsresultat. Omvänt kan benchmarkalgoritmer i kombination med brusreducering hjälpa till att diagnostisera brusets natur, vare sig det är systematiskt eller rent slumpmässigt. Här beskriver vi användningen av koherenta bullerreducerande tekniker som ett karakteriseringsverktyg i testbäddar med fångade joner. Vi utför modellanpassning av bullriga data för att bestämma bruskällan baserat på realistiska fysikfokuserade brusmodeller och visar att systematisk brusförstärkning i kombination med felreducerande system ger användbar data för brusmodellavdrag. Vidare, för att koppla samman detaljer om lägre nivåer av bullermodeller med applikationsspecifika prestanda för korttidsalgoritmer, konstruerar vi experimentellt förlustlandskapet för en variationsalgoritm under olika injicerade bruskällor i kombination med felreducerande tekniker. Denna typ av anslutning möjliggör applikationsmedveten hårdvarusamdesign, där de viktigaste bruskällorna i specifika applikationer, som kvantkemi, blir fokus för förbättring i efterföljande hårdvarugenerationer.

Karakterisering och mildrande av sammanhängande fel i en fångad jonkvantprocessor med hjälp av dolda inverseringar av PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikal sökning. Ai.

Utvald bild: Fasrumspopulation (sannolikhet att mäta $|0rangle$) efter att ha tillämpat [$H- X(Theta)- Z(Phi)- H^dolk$]$^{100}$ på $|0rangle$ som en funktion av $Theta, Phi$ för simulering och experiment. Dolda inversa protokoll kan erbjuda exakt och billig enstaka qubit-karakterisering.

Populär sammanfattning

NISQ-erans kvantdatorer är enligt sin definition bullriga och ofullkomliga, och kräver metoder för felreducering för att förbättra kretsens prestanda. I detta dokument visar vi att en teknik som kallas dolda inverser både kan fungera som en metod för att lindra fel och för att karakterisera fel. Dolda inverser förlitar sig på förmågan att konstruera kretsar med icke-native sammansatta grindar som är självanslutna (som Hadamard eller controlled-NOT), vilket innebär att de kan konstrueras via en serie hårdvarubaserade grindar eller samma inbyggda grindar inverterade i tecken och tidsbeställning. Med hjälp av en kvantdator med fångad jon demonstrerar vi först ett experiment där Hadamard och dess invers alterneras med små felrotationer. Genom att anpassa resultaten till en enkel modell kan vi sedan karakterisera sammanhängande fel i systemet och se hur dessa fel glider över tiden. Vi använder sedan en kontrollerad-NOT och dess invers inom en variationskvantumegenlösare. Genom avsiktlig felinjektion visar vi att kretsar konstruerade via dolda inversa protokoll överträffar en annan felreducerande teknik, randomiserad kompilering. Vi undersöker ytterligare felreducering i detta system via fermionisk densitetsmatrisrening, en efterbearbetningsmetod. Genom denna undersökning finner vi att att använda samma teknik, nämligen dolda inverser, för att både karakterisera felkällor på hårdvara och sedan mildra via samma tillvägagångssätt är ett kraftfullt verktyg för NISQ-erans kvantdatorer.

► BibTeX-data

► Referenser

[1] JJ Wallman och J. Emerson, Physical Review A 94, 052325 (2016), utgivare: American Physical Society.
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 och KR Brown, Phys. Rev Applied 17, 034074 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.17.034074

[3] L. Egan, DM Debroy, C. Noel, A. Risinger, D. Zhu, D. Biswas, M. Newman, M. Li, KR Brown, M. Cetina och C. Monroe, Nature 598, 281 (2021) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03928-y

[4] S. Krinner, N. Lacroix, A. Remm, A. Di Paolo, E. Genois, C. Leroux, C. Hellings, S. Lazar, F. Swiadek, J. Herrmann, GJ Norris, CK Andersen, M. Müller A. Blais, C. Eichler och A. Wallraff, Nature 605, 669 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-04566-8

[5] C. Ryan-Anderson, J. Bohnet, K. Lee, D. Gresh, A. Hankin, J. Gaebler, D. Francois, A. Chernoguzov, D. Lucchetti, N. Brown, T. Gatterman, S. Halit, K. Gilmore, J. Gerber, B. Neyenhuis, D. Hayes och R. Stutz, Physical Review X 11, 041058 (2021), utgivare: American Physical Society.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.041058

[6] R. Blume-Kohout, JK Gamble, E. Nielsen, J. Mizrahi, JD Sterk och P. Maunz, arXiv preprint arXiv:1310.4492 (2013).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1310.4492
arXiv: 1310.4492

[7] BR Johnson, MP d. Silva, CA Ryan, S. Kimmel, JM Chow och TA Ohki, New Journal of Physics 17, 113019 (2015), utgivare: IOP Publishing.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​17/​11/​113019

[8] E. Nielsen, K. Rudinger, T. Proctor, K. Young och R. Blume-Kohout, New Journal of Physics 23, 093020 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ac20b9

[9] PD Nation, H. Kang, N. Sundaresan och JM Gambetta, PRX Quantum 2, 040326 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040326

[10] Y. Kim, CJ Wood, TJ Yoder, ST Merkel, JM Gambetta, K. Temme och A. Kandala, Nature Physics 10.1038/​s41567-022-01914-3 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[11] E. Peters, ACY Li och GN Perdue, arXiv:2105.08161 [quant-ph] (2021), arXiv: 2105.08161.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2105.08161
arXiv: 2105.08161

[12] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, SC Benjamin och Y. Li, PRX Quantum 2, 040330 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040330

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

[14] R. LaRose, A. Mari, S. Kaiser, PJ Karalekas, AA Alves, P. Czarnik, M. El Mandouh, MH Gordon, Y. Hindy, A. Robertson, P. Thakre, M. Wahl, D. Samuel, R. Mistri, M. Tremblay, N. Gardner, NT Stemen, N. Shammah och WJ Zeng, Quantum 6, 774 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-08-11-774

[15] S. Zhang, Y. Lu, K. Zhang, W. Chen, Y. Li, J.-N. Zhang och K. Kim, Nature Communications 11, 587 (2020), arXiv: 1905.10135.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[16] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles och L. Cincio, Quantum 5, 592 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-11-26-592

[17] Y. Suzuki, S. Endo, K. Fujii och Y. Tokunaga, PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010345

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

[19] E. vd Berg, ZK Minev, A. Kandala och K. Temme, arXiv preprint arXiv:2201.09866 (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2201.09866
arXiv: 2201.09866

[20] V. Leyton-Ortega, S. Majumder och RC Pooser, Quantum Science and Technology 8, 014008 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​aca92d

[21] K. Yeter-Aydeniz, BT Gard, J. Jakowski, S. Majumder, GS Barron, G. Siopsis, TS Humble och RC Pooser, Advanced Quantum Technologies 4, 2100012 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qute.202100012

[22] SM Clark, D. Lobser, MC Revelle, CG Yale, D. Bossert, AD Burch, MN Chow, CW Hogle, M. Ivory, J. Pehr, B. Salzbrenner, D. Stick, W. Sweatt, JM Wilson, E Winrow och P. Maunz, IEEE Transactions on Quantum Engineering 2, 1 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2021.3096480

[23] S. Olmschenk, KC Younge, DL Moehring, DN Matsukevich, P. Maunz och C. Monroe, Phys. Rev. A 76, 052314 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.76.052314

[24] P. Maunz, Tech. Rep. SAND2016-0796R 10.2172/​1237003 (2016).
https: / / doi.org/ 10.2172 / 1237003

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

[26] S. Debnath, NM Linke, C. Figgatt, KA Landsman, K. Wright och C. Monroe, Nature 536, 63 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature18648

[27] PJ Lee, K.-A. Brickman, L. Deslauriers, PC Haljan, L.-M. Duan och C. Monroe, Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics 7, S371 (2005).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1464-4266/​7/​10/​025

[28] L. Deslauriers, PC Haljan, PJ Lee, K.-A. Brickman, BB Blinov, MJ Madsen och C. Monroe, Phys. Rev. A 70, 043408 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.043408

[29] BCA Morrison, AJ Landahl, DS Lobser, KM Rudinger, AE Russo, JW Van Der Wall och P. Maunz, 2020 IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE) (2020) s. 402–408.
https: / / doi.org/ 10.1109 / QCE49297.2020.00056

[30] D. Lobser, J. Goldberg, A. Landahl, P. Maunz, B. Morrison, K. Rudinger, A. Russo, B. Ruzic, D. Stick, J. Van Der Wall och SM Clark, Jaqalpaw En guide till definiera pulser och vågformer för jaqal (2021).
https://​/​www.sandia.gov/​app/​uploads/​sites/​174/​2023/​03/​JaqalPaw__A_Guide_to_Defining_Pulses_and_Waveforms_for_Jaqal2.pdf

[31] P. Virtanen, R. Gommers, TE Oliphant, M. Haberland, T. Reddy, D. Cournapeau, E. Burovski, P. Peterson, W. Weckesser, J. Bright, SJ van der Walt, M. Brett, J. Wilson, KJ Millman, N. Mayorov, ARJ Nelson, E. Jones, R. Kern, E. Larson, CJ Carey, İ. Polat, Y. Feng, EW Moore, J. VanderPlas, D. Laxalde, J. Perktold, R. Cimrman, I. Henriksen, EA Quintero, CR Harris, AM Archibald, AH Ribeiro, F. Pedregosa, P. van Mulbregt, och SciPy 1.0 Contributors, Nature Methods 17, 261 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[32] A. McCaskey, ZP Parks, J. Jakowski, SV Moore, TD Morris, TS Humble och RC Pooser, NPJ Quantum Inf 5, 99 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0209-0

[33] NC Rubin, R. Babbush och J. McClean, 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 och DM Meekhof, Journal of Research av National Institute of Standards and Technology 103, 259 (1998).
https: / / doi.org/ 10.6028 / jres.103.019

Citerad av

[1] He-Liang Huang, Xiao-Yue Xu, Chu Guo, Guojing Tian, ​​Shi-Jie Wei, Xiaoming Sun, Wan-Su Bao och Gui-Lu Long, "Närtids kvantberäkningstekniker: Varierande kvantalgoritmer, felreducering, kretskompilering, benchmarking och klassisk simulering”, Science China Physics, Mechanics and Astronomy 66 5, 250302 (2023).

[2] Zhubing Jia, Shilin Huang, Mingyu Kang, Ke Sun, Robert F. Spivey, Jungsang Kim och Kenneth R. Brown, "Vinkelrobusta två-qubit-grindar i en linjär jonkristall", Fysisk granskning A 107 3, 032617 (2023).

[3] Gabriele Cenedese, Giuliano Benenti och Maria Bondani, "Correcting Coherent Errors by Random Operation on Actual Quantum Hardware", Entropi 25 2, 324 (2023).

[4] Mingyu Kang, Ye Wang, Chao Fang, Bichen Zhang, Omid Khosravani, Jungsang Kim och Kenneth R. Brown, "Designing Filter Functions of Frequency-Modulated Pulses for High-Fidelity Two-Qubit Gates in Ion Chains", Fysisk granskning tillämpad 19 1, 014014 (2023).

[5] Ashlyn D. Burch, Daniel S. Lobser, Christopher G. Yale, Jay W. Van Der Wall, Oliver G. Maupin, Joshua D. Goldberg, Matthew NH Chow, Melissa C. Revelle och Susan M. Clark, "Batchningskretsar för att minska kompilering i kvantkontrollhårdvara", arXiv: 2208.00076, (2022).

Ovanstående citat är från SAO / NASA ADS (senast uppdaterad framgångsrikt 2023-05-16 13:02:44). Listan kan vara ofullständig eftersom inte alla utgivare tillhandahåller lämpliga och fullständiga citatdata.

On Crossrefs citerade service Inga uppgifter om citerande verk hittades (sista försök 2023-05-16 13:02:43).

Detta papper publiceras i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Upphovsrätten kvarstår med de ursprungliga upphovsrättsinnehavarna som författarna eller deras institutioner.

Tidsstämpel:

Mer från Quantum Journal