Değişken kuantum özçözücü için rastgele derleme ve sıfır gürültü ekstrapolasyonu yoluyla sinerjik kuantum hatasının azaltılması

Değişken kuantum özçözücü için rastgele derleme ve sıfır gürültü ekstrapolasyonu yoluyla sinerjik kuantum hatasının azaltılması

Zaman Damgası: 20 Kasım 2023 8:49

Tomochika Kurita1, Hamam Kasım2, Masatoshi Ishii1, Hirotaka Oşima1, Şintaro Sato1ve Joseph Emerson2

1Kuantum Laboratuvarı, Fujitsu Araştırma, Fujitsu Limited. 10-1 Morinosato-wakamiya, Atsugi, Kanagawa, Japonya 243-0197
2Keysight Technologies Kanada, 137 Glasgow St, Kitchener, ON, Kanada, N2G 4X8

Bu makaleyi ilginç mi buldunuz yoksa tartışmak mı istiyorsunuz? SciRate'e çığlık at veya yorum bırak.

Özet

Değişken kuantum özçözücü (VQE) algoritması için bir kuantum hata azaltma stratejisi öneriyoruz. Sayısal simülasyon yoluyla, VQE'deki çok küçük miktarlarda tutarlı gürültünün, geleneksel azaltma yöntemleriyle bastırılması zor olan büyük ölçüde büyük hatalara neden olabileceğini ve yine de önerilen azaltma stratejimizin bu hataları önemli ölçüde azaltabildiğini bulduk. Önerilen strateji, daha önce bildirilen tekniklerin, yani rastgele derleme (RC) ve sıfır gürültü ekstrapolasyonunun (ZNE) bir kombinasyonudur. Sezgisel olarak, rastgele derleme, devredeki tutarlı hataları stokastik Pauli hatalarına dönüştürür, bu da maliyet fonksiyonunu değerlendirirken sıfır gürültü sınırına ekstrapolasyonu kolaylaştırır. Küçük moleküller için sayısal VQE simülasyonumuz, önerilen stratejinin, çeşitli tutarlı gürültü türlerinin neden olduğu enerji hatalarını iki büyüklüğe kadar azaltabildiğini göstermektedir.

Değişken kuantum özçözücü PlatoBlockchain Veri Zekası için rastgele derleme ve sıfır gürültü ekstrapolasyonu yoluyla sinerjik kuantum hatasının azaltılması. Dikey Arama. Ai.

Popüler özet

Kuantum hesaplamaları yürüttüğümüzde, donanım gürültüsünün neden olduğu hesaplama hatalarını en aza indirmek çok önemlidir. Gürültülü orta ölçekli kuantum (NISQ) donanımı için, bu tür hataları azaltmak amacıyla kuantum hata azaltma teknikleri kullanılabilir. Bununla birlikte tutarlı gürültüyü ele almak, iki nedenden dolayı hata azaltmada önemli bir zorluk olmaya devam etmektedir: (i) küçük miktarda tutarlı gürültü bile önemli hesaplama hatalarına neden olabilir ve (ii) bu hataların mevcut teknikleri kullanarak azaltılması zordur.
Bu çalışmada tutarlı gürültünün neden olduğu hataları etkili bir şekilde azaltan bir hata azaltma tekniği öneriyoruz. Bu teknik, rastgele derlemenin (RC) ve sıfır gürültü ekstrapolasyonunun (ZNE) sinerjik etkisinden yararlanır. RC, tutarlı gürültüyü stokastik Pauli gürültüsüne dönüştürür ve ZNE kullanılarak etkili bir şekilde azaltılabilir. Değişken kuantum özçözücü algoritmaları üzerindeki sayısal simülasyonlarımız, önerilen azaltma tekniğimizin tutarlı gürültüye karşı önemli bir hata baskılayıcı etki gösterdiğini göstermektedir.

► BibTeX verileri

► Referanslar

[1] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin ve Xiao Yuan. “Kuantum hesaplamalı kimya”. Modern Fizik İncelemeleri 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 ve Yuhua Duan. “Enerji Uygulamaları için Kuantum Hesaplama ve Simülasyonlar: İnceleme ve Perspektif”. 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 ve Jeannette M Garcia. "Lityum-kükürt pillerde baskın ürünlerin kuantum hesaplaması". Kimyasal Fizik Dergisi 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068

[4] Austin G Fowler, Matteo Mariantoni, John M Martinis ve Andrew N Cleland. "Yüzey kodları: Pratik büyük ölçekli kuantum hesaplamaya doğru". Fiziksel İnceleme 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 ve Jeremy L O'brien. "Bir fotonik kuantum işlemcide değişken bir özdeğer çözücü". Doğa iletişimi 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[6] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush ve Alán Aspuru-Guzik. "Varyasyonel hibrit kuantum-klasik algoritmalar teorisi". Yeni Fizik Dergisi 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 ve diğerleri. “Moleküler Enerjilerin Ölçeklenebilir Kuantum Simülasyonu”. Fiziksel İnceleme 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 ve Jay M Gambetta. "Küçük moleküller ve kuantum mıknatıslar için donanım açısından verimli değişken kuantum öz çözücü". Doğa 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 ve Irfan Siddiqi. “Hataya Dayanıklı Algoritmayla Kuantum İşlemci Üzerinde Moleküler Spektranın Hesaplanması”. Fiziksel İnceleme 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 ve Jay M Gambetta. "Hata azaltma, gürültülü bir kuantum işlemcinin hesaplama erişimini genişletir". Doğa 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 ve Kihwan Kim. "Moleküler elektronik yapıyı simüle etmek için üniter bağlı kümenin kuantum uygulaması". Fiziksel İnceleme 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 ve diğerleri. "Bir tuzaklanmış iyon kuantum bilgisayarında su molekülünün temel durum enerji tahmini". 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 ve Hartmut Neven. "Kuantum sinir ağı eğitim manzaralarında çorak platolar". Doğa iletişimi 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 ve diğerleri. “Varyasyonel Kuantum Özçözücü: Yöntemlerin ve en iyi uygulamaların gözden geçirilmesi”. Fizik Raporları 986, 1–128 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.08.003

[15] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin ve Xiao Yuan. “Hibrit Kuantum-Klasik Algoritmalar ve Kuantum Hata Azaltma”. Japonya Fizik Derneği Dergisi 90, 032001 (2021).
https: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001

[16] Ying Li ve Simon C Benjamin. “Aktif Hata Minimizasyonunu İçeren Verimli Değişken Kuantum Simülatörü”. Fiziksel İnceleme X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[17] Kristan Temme, Sergey Bravyi ve Jay M Gambetta. “Kısa Derinlikli Kuantum Devreleri için Hata Azaltma”. Fiziksel inceleme mektupları 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[18] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A de Jong ve Christian W Bauer. "Kimlik eklemelerle kuantum geçit hatasının azaltılması için sıfır gürültü ekstrapolasyonu". Fiziksel İnceleme 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 ve Kihwan Kim. "Bir tuzaklanmış iyon sisteminde fiziksel doğruluğu aşan, hatası azaltılmış kuantum kapıları". Doğa iletişimi 11, 587 (2020).
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[20] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter ve Wibe A De Jong. "Uyumsuzluğun azaltılması ve uyarılmış durumların belirlenmesi için hibrit kuantum-klasik hiyerarşi". Fiziksel İnceleme A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[21] Joel J Wallman ve Joseph Emerson. "Rastgele derleme yoluyla ölçeklenebilir kuantum hesaplama için gürültü uyarlama". Fiziksel İnceleme 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 ve diğerleri. "Gürültülü Süper İletken Kuantum İşlemcide Ölçeklenebilir Kuantum Hesaplama için Rastgele Derleme". Fiziksel İnceleme 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 ve diğerleri. "Kuantum hayali zaman evrimi algoritması için rastgele derlemeden yararlanmak". Fiziksel İnceleme Araştırması 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 ve Abhinav Kandala. "Gürültülü kuantum devreleri için ölçeklenebilir hata azaltma, rekabetçi beklenti değerleri üretir". Doğa Fiziği 19, 752–759 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[25] Chao Song, Jing Cui, H Wang, J Hao, H Feng ve Ying Li. "Süper iletken bir kuantum işlemcide evrensel hata azaltma ile kuantum hesaplama". Bilim ilerlemesi 5, eaaw5686 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[26] Matthew Ware, Guilhem Ribeill, Diego Riste, Colm A Ryan, Blake Johnson ve Marcus P Da Silva. "Süper iletken bir kübit üzerinde deneysel Pauli çerçeve rastgeleleştirmesi". Fiziksel İnceleme 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 ve Joel J Wallman. “Gürültülü kuantum bilgisayarların performansını verimli bir şekilde artırmak” (2022). arXiv:2201.10672.
arXiv: 2201.10672

[28] Nick S Blunt, Laura Caune, Róbert Izsák, Earl T Campbell ve Nicole Holzmann. “Süper iletken bir kuantum işlemcide istatistiksel faz tahmini ve hata azaltma” (2023). arXiv:2304.05126.
arXiv: 2304.05126

[29] Samson Wang, Enrico Fontana, Marco Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio ve Patrick J Coles. "Varyasyonel kuantum algoritmalarında gürültünün neden olduğu çorak platolar". Doğa iletişimi 12, 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] Michael A Nielsen ve Isaac Chuang. “Kuantum Hesaplama ve Kuantum Bilgisi”. Cambridge Üniversitesi Yayınları. (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 ve diğerleri. "Temel durum kuantum kimyasında üstel kuantum avantajına ilişkin kanıtların değerlendirilmesi". Doğa iletişimi 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 ve Jhonathan Romero. "Kimyada kısa vadeli pratik kuantum avantajına engel olarak ölçümler: Kaynak analizi". Fiziksel İnceleme Araştırması 4, 033154 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033154

[33] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell ve Stephen Brierley. "Sonlu örnekleme hatası varlığında Pauli operatörlerinin verimli kuantum ölçümü". Kuantum 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[34] Tomochika Kurita, Mikio Morita, Hirotaka Oshima ve Shintaro Sato. “Eşzamanlı Ölçüm için Ising Modeliyle Pauli Dizi Bölümleme Algoritması”. Fiziksel Kimya Dergisi 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 ve diğerleri. “True-Q yazılımı. Keysight Teknolojileri”. 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 ve diğerleri. “SciPy 1.0: Python'da bilimsel hesaplama için temel algoritmalar”. Doğa Yöntemleri 17, 261–272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] Michael JD Powell. "Türevsiz sınırlı kısıtlı optimizasyon için BOBYQA algoritması". Teknik rapor. Cambridge Üniversitesi, 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 ve diğerleri. “OpenFermion: Kuantum Bilgisayarları için Elektronik Yapı Paketi” (2017). arXiv:1710.07629.
arXiv: 1710.07629

[39] Ewout van den Berg, Zlatko K Minev, Abhinav Kandala ve Kristan Temme. "Gürültülü kuantum işlemcilerde seyrek Pauli-Lindblad modelleriyle olasılıksal hata iptali". Doğa Fiziği 19, 1116–1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

Alıntılama

[1] Ritajit Majumdar, Pedro Rivero, Friederike Metz, Areeq Hasan ve Derek S Wang, "Dijital sıfır gürültü ekstrapolasyonuyla kuantum hata azaltımı için en iyi uygulamalar", arXiv: 2307.05203, (2023).

[2] Arnaud Carignan-Dugas, Shashank Kumar Ranu ve Patrick Dreher, "Çevrim Hatası Yeniden Yapılandırmasını Kullanarak Hata Profiline Tutarlı Katkıların Tahmin Edilmesi", arXiv: 2303.09945, (2023).

[3] Hugo Perrin, Thibault Scoquart, Alexander Shnirman, Jörg Schmalian ve Kyrylo Snizhko, "Rastgele derlemeyle çapraz karışma hatalarının azaltılması: Süper iletken kuantum bilgisayarda BCS modelinin simülasyonu", arXiv: 2305.02345, (2023).

[4] ChangWon Lee ve Daniel K. Park, "Koşullu bağımsızlık ve transfer öğrenimi yoluyla ölçeklenebilir kuantum ölçüm hatasının azaltılması", arXiv: 2308.00320, (2023).

Yukarıdaki alıntılar SAO / NASA REKLAMLARI (son başarıyla 2023-11-20 13:58:16) güncellendi. Tüm yayıncılar uygun ve eksiksiz alıntı verisi sağlamadığından liste eksik olabilir.

Getirilemedi Alıntılanan veriler son girişim sırasında 2023-11-20 13:58:14: Crossref'ten 10.22331 / q-2023-11-20-1184 için belirtilen veriler getirilemedi. DOI yakın zamanda kaydedildiyse bu normaldir.

Bu Makale, Quantum'da Creative Commons Atıf 4.0 Uluslararası (CC BY 4.0) lisans. Telif hakkı, yazarlar veya kurumları gibi orijinal telif hakkı sahiplerine aittir.

Zaman Damgası:

Den fazla Kuantum Günlüğü