Характеристика та пом'якшення когерентних помилок у квантовому процесорі захоплених іонів за допомогою прихованих зворотних

Характеристика та пом'якшення когерентних помилок у квантовому процесорі захоплених іонів за допомогою прихованих зворотних

Мітка часу: 15 травня 2023 8:55

Сварнадіп Маджумдер1,2, Крістофер Г. Єль3, Тітус Д. Морріс4, Деніел С. Лобсер3, Ешлін Д. Берч3, Метью Н. Х. Чоу3,5,6, Мелісса С. Ревелл3, Сьюзан М. Кларк3і Рафаель С. Пузер4

1Квантовий центр Дюка, Університет Дьюка, Дарем, NC 27701, США
2Факультет електротехніки та комп’ютерної інженерії, Університет Дьюка, Дарем, NC 27708 США
3Sandia National Laboratories, Альбукерке, NM 87123, США
4Відділ квантової інформаційної науки, Національна лабораторія Ок-Рідж, Ок-Рідж, TN 37831, США
5Департамент фізики та астрономії, Університет Нью-Мексико, Альбукерке, NM 87131, США
6Центр квантової інформації та контролю, Університет Нью-Мексико, Альбукерке, NM 87131, США

Вам цей документ цікавий чи ви хочете обговорити? Скайте або залиште коментар на SciRate.

абстрактний

Тестові стенди квантових обчислень демонструють високоточне квантове керування невеликими колекціями кубітів, що дозволяє виконувати точні повторювані операції з подальшими вимірюваннями. Наразі ці шумні пристрої середнього масштабу можуть підтримувати достатню кількість послідовних операцій до декогеренції, щоб алгоритми короткочасного періоду можна було виконувати з приблизною точністю (як хімічна точність для задач квантової хімії). Хоча результати цих алгоритмів недосконалі, ці недоліки можуть допомогти запустити розробку тестового стенда квантового комп’ютера. Демонстрація цих алгоритмів протягом останніх кількох років у поєднанні з ідеєю, що недосконала продуктивність алгоритму може бути спричинена декількома домінуючими джерелами шуму в квантовому процесорі, які можна виміряти та відкалібрувати під час виконання алгоритму або під час пост-обробки, призвели до використання шумозаглушення для покращення типових результатів обчислень. Навпаки, контрольні алгоритми в поєднанні з пом’якшенням шуму можуть допомогти діагностувати природу шуму, систематичного чи чисто випадкового. Тут ми описуємо використання когерентних методів пом’якшення шуму як інструменту визначення характеристик у випробувальних стендах із захопленими іонами. Ми виконуємо підгонку моделі шумових даних, щоб визначити джерело шуму на основі реалістичних моделей шуму, орієнтованих на фізику, і демонструємо, що систематичне посилення шуму в поєднанні зі схемами пом’якшення помилок надає корисні дані для дедукції моделі шуму. Крім того, для того, щоб зв’язати деталі моделі шуму нижчого рівня з продуктивністю короткострокових алгоритмів, ми експериментально будуємо ландшафт втрат варіаційного алгоритму під різними джерелами шуму, що вводяться в поєднанні з методами зменшення помилок. Цей тип з’єднання дає змогу розробляти програмний код апаратного забезпечення, у якому найважливіші джерела шуму в конкретних програмах, як-от квантова хімія, стають осередками вдосконалення в наступних поколіннях апаратного забезпечення.

Характеристика та пом’якшення когерентних помилок у квантовому процесорі захоплених іонів за допомогою прихованих інверсій PlatoBlockchain Data Intelligence. Вертикальний пошук. Ai.

Рекомендоване зображення: заселеність фазового простору (ймовірність вимірювання $|0rangle$) після застосування [$H- X(Theta)- Z(Phi)- H^dagger$]$^{100}$ до $|0rangle$ як функції $Theta, Phi$ для моделювання та експерименту. Приховані зворотні протоколи можуть запропонувати точну та дешеву характеристику одного кубіта.

Популярне резюме

Квантові комп’ютери епохи NISQ, за самим своїм визначенням, шумні та недосконалі, вимагаючи методів пом’якшення помилок, щоб покращити продуктивність схеми. У цьому документі ми демонструємо, що техніка, відома як приховані інверсії, може одночасно діяти як метод пом’якшення помилок, а також як метод опису помилок. Приховані інверсії покладаються на здатність створювати схеми з невласними композитними вентилями, які є самоспряженими (такими як Адамар або контрольоване НЕ), тобто їх можна побудувати за допомогою серії апаратних власних вентилів або тих самих власних вентилів, інвертованих в порядку знаків і часу. Використовуючи квантовий комп’ютер із захопленими іонами, ми спочатку демонструємо експеримент, у якому Адамара та його обернені чергуються з невеликими поворотами помилок. Підігнавши результати до простої моделі, ми зможемо охарактеризувати когерентні помилки в системі та побачити, як ці помилки змінюються з часом. Потім ми використовуємо контрольоване НЕ та його інверсію в межах варіаційного квантового розв’язувача власних значень. Завдяки навмисному введенню помилок ми показуємо, що схеми, створені за допомогою прихованих інверсних протоколів, перевершують інший метод зменшення помилок, випадкову компіляцію. Ми далі досліджуємо пом’якшення помилок у цій системі за допомогою очищення ферміонної матриці густини, методології постобробки. Завдяки цьому дослідженню ми виявили, що використання тієї самої техніки, а саме прихованих зворотних, для характеристики джерел помилок на апаратному забезпеченні, а потім їх пом’якшення за допомогою того самого підходу, є потужним інструментом для квантових комп’ютерів ери NISQ.

► Дані BibTeX

► Список літератури

[1] JJ Wallman і J. Emerson, Physical Review A 94, 052325 (2016), видавець: 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 і KR Brown, Phys. Застосована редакція 17, 034074 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.17.034074

[3] Л. Еган, Д. М. Деброй, К. Ноель, А. Райзінгер, Д. Чжу, Д. Бісвас, М. Ньюман, М. Лі, К. Р. Браун, М. Сетіна та К. Монро, Nature 598, 281 (2021) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03928-y

[4] С. Кріннер, Н. Лакруа, А. Ремм, А. Ді Паоло, Е. Женуа, К. Леру, К. Хеллінгс, С. Лазар, Ф. Свідек, Дж. Херрманн, Г. Дж. Норріс, К. К. Андерсен, М. Мюллер , A. Blais, C. Eichler і A. Wallraff, Nature 605, 669 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-04566-8

[5] К. Раян-Андерсон, Дж. Бонет, К. Лі, Д. Греш, А. Ханкін, Дж. Геблер, Д. Франсуа, А. Черногузов, Д. Лукетті, Н. Браун, Т. Гаттерман, С. Халіт, K. Gilmore, J. Gerber, B. Neyenhuis, D. Hayes і R. Stutz, Physical Review X 11, 041058 (2021), видавець: Американське фізичне товариство.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.041058

[6] Р. Блюм-Кохаут, Дж. К. Гембл, Е. Нільсен, Дж. Мізрахі, Дж. Д. Стерк і П. Маунц, препринт arXiv arXiv:1310.4492 (2013).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1310.4492
arXiv: 1310.4492

[7] Б. Р. Джонсон, член парламенту пом. Сільва, К. А. Райан, С. Кіммел, Дж. М. Чоу та Т. А. Окі, New Journal of Physics 17, 113019 (2015), видавець: IOP Publishing.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​17/​11/​113019

[8] E. Nielsen, K. Rudinger, T. Proctor, K. Young, and 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 і 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 та 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 та 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 та Y. Li, PRX Quantum 2, 040330 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040330

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

[14] Р. Лароз, А. Марі, С. Кайзер, П. Дж. Каралекас, А. А. Алвес, П. Чарнік, М. Ель Мандух, М. Х. Гордон, Ю. Хінді, А. Робертсон, П. Такр, М. Вал, Д. Самуель, Р. Містрі, М. Трембле, Н. Гарднер, Н. Т. Стемен, Н. Шамма та У. Дж. Зенг, Квант 6, 774 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-08-11-774

[15] С. Чжан, Ю. Лу, К. Чжан, В. Чен, Ю. Лі, Дж.-Н. Чжан і К. Кім, Nature Communications 11, 587 (2020), arXiv: 1905.10135.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[16] П. Чарнік, А. Аррасміт, П. Дж. Коулз і Л. Сінчіо, Квант 5, 592 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-11-26-592

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

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

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

[20] В. Лейтон-Ортега, С. Маджумдер і Р. К. Пузер, Квантова наука і технологія 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 і RC Pooser, Advanced Quantum Technologies 4, 2100012 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1002/​qute.202100012

[22] С. М. Кларк, Д. Лобсер, М. С. Ревелле, К. Г. Єль, Д. Боссерт, А. Д. Берч, М. Н. Чоу, Ч. В. Хогл, М. Айворі, Дж. Пер, Б. Зальцбреннер, Д. Стік, В. Світт, Дж. М. Вілсон, Е. Вінроу та П. Маунц, 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, and C. Monroe, Phys. Rev. A 76, 052314 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.76.052314

[24] П. Маунц, тех. Відповідь 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 та C. Monroe, Phys. Преподобний Летт. 104, 140501 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.140501

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

[27] П. Дж. Лі, К.-А. Брікман, Л. Деслор'є, П. К. Хальян, Л.-М. Дуань та К. Монро, Журнал оптики B: Квантова та напівкласична оптика 7, S371 (2005).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1464-4266/​7/​10/​025

[28] Л. Деслорьє, П. К. Хальян, П. Дж. Лі, К.-А. Brickman, BB Blinov, MJ Madsen, and C. Monroe, Phys. Rev. A 70, 043408 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.043408

[29] BCA Моррісон, AJ Landahl, DS Lobser, KM Rudinger, AE Russo, JW Van Der Wall і P. Maunz, у 2020 IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE) (2020) стор. 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, and SM Clark, Jaqalpaw A guide to визначення імпульсів і форм сигналу для jaqal (2021).
https://​/​www.sandia.gov/​app/​uploads/​sites/​174/​2023/​03/​JaqalPaw__A_Guide_to_Defining_Pulses_and_Waveforms_for_Jaqal2.pdf

[31] П. Віртанен, Р. Гоммерс, Т. Е. Оліфант, М. Хаберланд, Т. Редді, Д. Курнапо, Е. Буровскі, П. Петерсон, В. Векессер, Дж. Брайт, С. Дж. ван дер Волт, М. Бретт, Дж. Вілсон, К. Дж. Міллман, Н. Майоров, Ар. Дж. Нельсон, Е. Джонс, Р. Керн, Е. Ларсон, К. Дж. Кері, І. 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, та учасники SciPy 1.0, 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 і RC Pooser, NPJ Quantum Inf 5, 99 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0209-0

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

Цитується

[1] He-Liang Huang, Xiao-Yue Xu, Chu Guo, Guojing Tian, ​​Shi-Jie Wei, Xiaoming Sun, Wan-Su Bao та Gui-Lu Long, “Near-term quantum computing technology: Variation quantum algorithms, пом'якшення помилок, компіляція схем, порівняльний аналіз і класичне моделювання», Science China Physics, Mechanics, and Astronomy 66 5, 250302 (2023).

[2] Zhubing Jia, Shilin Huang, Mingyu Kang, Ke Sun, Robert F. Spivey, Jungsang Kim, and Kenneth R. Brown, “Angle-robust two-qubit gate in a linear ion crystal”, Фізичний огляд A 107 3, 032617 (2023).

[3] Габріеле Ченедезе, Джуліано Бененті та Марія Бондані, «Виправлення когерентних помилок випадковими операціями на реальному квантовому обладнанні», Ентропія 25 2, 324 (2023).

[4] Мінгю Кан, Є Ван, Чао Фанг, Бічен Чжан, Омід Хосравані, Джунгсан Кім і Кеннет Р. Браун, «Розробка функцій фільтра частотно-модульованих імпульсів для високоточних двокубітних вентилів в іонних ланцюгах», Застосований фізичний огляд 19 1, 014014 (2023).

[5] Ешлін Д. Берч, Деніел С. Лобсер, Крістофер Г. Єль, Джей В. Ван Дер Уолл, Олівер Г. Мопін, Джошуа Д. Голдберг, Метью Н. Х. Чоу, Мелісса С. Ревелле та Сьюзан М. Кларк, «Пакетування схем для зменшення компіляції в апаратному забезпеченні квантового керування», arXiv: 2208.00076, (2022).

Вищезазначені цитати від SAO / NASA ADS (останнє оновлення успішно 2023-05-16 13:02:44). Список може бути неповним, оскільки не всі видавці надають відповідні та повні дані про цитування.

On Служба, на яку посилається Crossref даних про цитування робіт не знайдено (остання спроба 2023-05-16 13:02:43).

Ця стаття опублікована в Quantum під Creative Commons Attribution 4.0 International (CC на 4.0) ліцензія. Авторське право залишається за оригінальними власниками авторських прав, такими як автори або їх установи.

Часова мітка:

Більше від Квантовий журнал