Synergetisk kvantfelsreducering genom randomiserad kompilering och nollbrusextrapolering för den variationsmässiga kvantegenlösaren

Synergetisk kvantfelsreducering genom randomiserad kompilering och nollbrusextrapolering för den variationsmässiga kvantegenlösaren

Tidsstämpel: 20 november 2023 8:49

Tomochika Kurita1, Hammam Qassim2, Masatoshi Ishii1, Hirotaka Oshima1, Shintaro Sato1och Joseph Emerson2

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

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

Abstrakt

Vi föreslår en strategi för att lindra kvantfel för den variationsmässiga kvantegenlösaren (VQE) algoritmen. Vi finner, via numerisk simulering, att mycket små mängder koherent brus i VQE kan orsaka väsentligt stora fel som är svåra att undertrycka med konventionella begränsningsmetoder, och ändå kan vår föreslagna begränsningsstrategi avsevärt minska dessa fel. Den föreslagna strategin är en kombination av tidigare rapporterade tekniker, nämligen randomiserad kompilering (RC) och nollbrusextrapolering (ZNE). Intuitivt förvandlar randomiserad kompilering koherenta fel i kretsen till stokastiska Pauli-fel, vilket underlättar extrapolering till nollbrusgränsen vid utvärdering av kostnadsfunktionen. Vår numeriska simulering av VQE för små molekyler visar att den föreslagna strategin kan mildra energifel inducerade av olika typer av koherent brus med upp till två storleksordningar.

Synergetisk begränsning av kvantfel genom randomiserad kompilering och nollbrusextrapolering för den variationsmässiga kvantegenlösaren PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikal sökning. Ai.

Populär sammanfattning

När vi kör kvantberäkningar är det avgörande att minimera beräkningsfel som induceras av hårdvarubrus. För brusig intermediate-scale quantum (NISQ) hårdvara kan kvantfelsreducerande tekniker användas för att minska sådana fel. Att åtgärda koherent brus är dock fortfarande en betydande utmaning vid felreducering av två skäl: (i) även en liten mängd koherent brus kan resultera i betydande beräkningsfel, och (ii) dessa fel är svåra att mildra med hjälp av befintliga tekniker.
I detta arbete föreslår vi en felreducerande teknik som effektivt minskar fel som orsakas av koherent brus. Denna teknik använder synergieffekter av randomiserad kompilering (RC) och nollbrusextrapolering (ZNE). RC omvandlar koherent brus till stokastiskt Pauli-brus, som effektivt kan dämpas med ZNE. Våra numeriska simuleringar på variationsalgoritmer för kvantegenlösare visar att vår föreslagna begränsningsteknik uppvisar en signifikant felundertryckande effekt mot koherent brus.

► BibTeX-data

► Referenser

[1] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin och Xiao Yuan. "Kvantberäkningskemi". 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 och Yuhua Duan. "Quantum Computing and Simulations for Energy Applications: Review and Perspective". 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 och Jeannette M Garcia. "Kvantberäkning av dominerande produkter i litium-svavelbatterier". The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068

[4] Austin G Fowler, Matteo Mariantoni, John M Martinis och Andrew N Cleland. "Ytkoder: Mot praktisk storskalig kvantberäkning". 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 och Jeremy L O'brien. "En variabel egenvärdeslösare på en fotonisk kvantprocessor". Naturkommunikationer 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[6] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush och Alán Aspuru-Guzik. "Teorin om variationshybridkvantklassiska algoritmer". 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, et al. "Skalbar kvantsimulering av molekylära energier". 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 och Jay M Gambetta. "Hårdvarueffektiv variationskvantumegenlösare för små molekyler och kvantmagneter". Nature 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 och Irfan Siddiqi. "Beräkning av molekylära spektra på en kvantprocessor med en felresilient algoritm". Fysisk granskning 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 och Jay M Gambetta. "Felreducering utökar beräkningsräckvidden för en bullrig kvantprocessor". Nature 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 och Kihwan Kim. "Kvantumimplementering av det enhetliga kopplade klustret för simulering av molekylär elektronisk struktur". Fysisk granskning 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. "Marktillståndsenergiuppskattning av vattenmolekylen på en kvantdator med fångad jon". npj Quantum Information 6, 33 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0259-3

[13] Jarrod R McClean, Sergio Boixo, Vadim N Smelyanskiy, Ryan Babbush och Hartmut Neven. "Kurga platåer i träningslandskap för kvantneurala nätverk". Naturkommunikationer 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, et al. "The Variational Quantum Eigensolver: En översyn av metoder och bästa praxis". Physics Reports 986, 1–128 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.08.003

[15] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin och Xiao Yuan. "Hybrid kvantklassiska algoritmer och kvantfelsbegränsning". Journal of the Physical Society of Japan 90, 032001 (2021).
https: / ⠀ </ ⠀ <doi.org/†<10.7566 / ⠀ <JPSJ.90.032001

[16] Ying Li och Simon C Benjamin. "Effektiv variationskvantsimulator som innehåller aktiv felminimering". Fysisk granskning X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[17] Kristan Temme, Sergey Bravyi och Jay M Gambetta. "Felreducering för kortdjupa kvantkretsar". Physical review letters 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[18] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A de Jong och Christian W Bauer. "Nollbrusextrapolering för begränsning av kvantgrindfel med identitetsinfogningar". 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 och Kihwan Kim. "Felreducerade kvantportar som överstiger fysisk trohet i ett fångade jonsystem". Naturkommunikationer 11, 587 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[20] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter och Wibe A De Jong. "Hybrid kvantklassisk hierarki för att mildra dekoherens och bestämning av exciterade tillstånd". Physical Review A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[21] Joel J Wallman och Joseph Emerson. "Brusanpassning för skalbar kvantberäkning via randomiserad kompilering". 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. "Randomiserad kompilering för skalbar kvantberäkning på en bullrig supraledande kvantprocessor". 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, et al. "Utnyttja randomiserad kompilering för kvantalgoritmen för imaginär-tid-evolution". 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 och Abhinav Kandala. "Skalbar felreducering för bullriga kvantkretsar ger konkurrenskraftiga förväntningsvärden". 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 och Ying Li. "Kvantberäkning med universell felreducering på en supraledande kvantprocessor". Science advances 5, eaaw5686 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[26] Matthew Ware, Guilhem Ribeill, Diego Riste, Colm A Ryan, Blake Johnson och Marcus P Da Silva. "Experimentell Pauli-ramsrandomisering på en supraledande qubit". 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 och Joel J Wallman. "Effektivt förbättra prestandan hos bullriga kvantdatorer" (2022). arXiv:2201.10672.
arXiv: 2201.10672

[28] Nick S Blunt, Laura Caune, Róbert Izsák, Earl T Campbell och Nicole Holzmann. "Statistisk fasuppskattning och felreducering på en supraledande kvantprocessor" (2023). arXiv:2304.05126.
arXiv: 2304.05126

[29] Samson Wang, Enrico Fontana, Marco Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio och Patrick J Coles. "Brusinducerade karga platåer i variationsmässiga kvantalgoritmer". Naturkommunikation 12, 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] Michael A Nielsen och Isaac Chuang. "Kvantberäkning och kvantinformation". 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, et al. "Utvärdering av bevisen för exponentiell kvantfördel i grundtillståndskvantumkemi". Naturkommunikationer 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 och Jhonathan Romero. "Mätningar som en vägspärr för praktiska kvantfördelar på kort sikt i kemi: Resursanalys". 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 och Stephen Brierley. "Effektiv kvantmätning av Pauli-operatorer i närvaro av ändliga samplingsfel". Quantum 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[34] Tomochika Kurita, Mikio Morita, Hirotaka Oshima och Shintaro Sato. "Pauli String Partitioning Algorithm med Ising-modellen för simultan mätning". 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, et al. "True-Q programvara. 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, et al. "SciPy 1.0: Grundläggande algoritmer för vetenskaplig beräkning i Python". Nature Methods 17, 261–272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] Michael JD Powell. "BOBYQA-algoritmen för bunden begränsad optimering utan derivator". Teknisk rapport. University of Cambridge, 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, et al. "OpenFermion: The Electronic Structure Package for Quantum Computers" (2017). arXiv:1710.07629.
arXiv: 1710.07629

[39] Ewout van den Berg, Zlatko K Minev, Abhinav Kandala och Kristan Temme. "Probabilistisk felavstängning med glesa Pauli-Lindblad-modeller på bullriga kvantprocessorer". Nature Physics 19, 1116–1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

Citerad av

[1] Ritajit Majumdar, Pedro Rivero, Friederike Metz, Areeq Hasan och Derek S Wang, "Bästa praxis för begränsning av kvantfel med digital nollbrusextrapolering", arXiv: 2307.05203, (2023).

[2] Arnaud Carignan-Dugas, Shashank Kumar Ranu och Patrick Dreher, "Estimating Coherent Contributions to the Error Profile Using Cycle Error Reconstruction", arXiv: 2303.09945, (2023).

[3] Hugo Perrin, Thibault Scoquart, Alexander Shnirman, Jörg Schmalian och Kyrylo Snizhko, "Limitera överhörningsfel genom randomiserad kompilering: Simulering av BCS-modellen på en supraledande kvantdator", arXiv: 2305.02345, (2023).

[4] ChangWon Lee och Daniel K. Park, "Scalable quantum measurement error mitigation via conditional independence and transfer learning", arXiv: 2308.00320, (2023).

Ovanstående citat är från SAO / NASA ADS (senast uppdaterad framgångsrikt 2023-11-20 13:58:16). Listan kan vara ofullständig eftersom inte alla utgivare tillhandahåller lämpliga och fullständiga citatdata.

Det gick inte att hämta Crossref citerade data under senaste försöket 2023-11-20 13:58:14: Det gick inte att hämta citerade data för 10.22331 / q-2023-11-20-1184 från Crossref. Detta är normalt om DOI registrerades nyligen.

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