Giảm thiểu lỗi lượng tử tổng hợp bằng cách biên dịch ngẫu nhiên và phép ngoại suy không nhiễu cho bộ giải riêng lượng tử biến phân

Giảm thiểu lỗi lượng tử tổng hợp bằng cách biên dịch ngẫu nhiên và phép ngoại suy không nhiễu cho bộ giải riêng lượng tử biến phân

Dấu thời gian: Ngày 20 tháng 2023 năm 8 49:XNUMX sáng

Tomochika Kurita1, Hammam Qassim2, Masatoshi Ishii1, Hirotaka Oshima1, Shintaro Sato1, và Joseph Emerson2

1Phòng thí nghiệm lượng tử, Nghiên cứu Fujitsu, Fujitsu Limited. 10-1 Morinosato-wakamiya, Atsugi, Kanagawa, Nhật Bản 243-0197
2Keysight Technologies Canada, 137 Glasgow St, Kitchener, ON, Canada, N2G 4X8

Tìm bài báo này thú vị hay muốn thảo luận? Scite hoặc để lại nhận xét về SciRate.

Tóm tắt

Chúng tôi đề xuất chiến lược giảm thiểu lỗi lượng tử cho thuật toán bộ giải lượng tử biến thiên (VQE). Thông qua mô phỏng số, chúng tôi nhận thấy rằng lượng nhiễu kết hợp rất nhỏ trong VQE có thể gây ra lỗi lớn đáng kể mà các phương pháp giảm thiểu thông thường khó ngăn chặn, tuy nhiên chiến lược giảm thiểu được đề xuất của chúng tôi có thể giảm đáng kể những lỗi này. Chiến lược được đề xuất là sự kết hợp của các kỹ thuật được báo cáo trước đó, cụ thể là biên dịch ngẫu nhiên (RC) và ngoại suy không nhiễu (ZNE). Theo trực giác, việc biên dịch ngẫu nhiên biến các lỗi mạch lạc trong mạch thành các lỗi Pauli ngẫu nhiên, tạo điều kiện thuận lợi cho phép ngoại suy đến giới hạn nhiễu bằng XNUMX khi đánh giá hàm chi phí. Mô phỏng số VQE của chúng tôi cho các phân tử nhỏ cho thấy chiến lược được đề xuất có thể giảm thiểu các lỗi năng lượng gây ra bởi nhiều loại nhiễu kết hợp khác nhau lên tới hai bậc độ lớn.

Giảm thiểu lỗi lượng tử tổng hợp bằng cách biên dịch ngẫu nhiên và ngoại suy không nhiễu cho Bộ giải mã lượng tử biến thiên PlatoBlockchain Data Intelligence. Tìm kiếm dọc. Ái.

Tóm tắt phổ biến

Khi chúng ta thực hiện các phép tính lượng tử, điều quan trọng là phải giảm thiểu các lỗi tính toán do nhiễu phần cứng gây ra. Đối với phần cứng lượng tử quy mô trung gian (NISQ) ồn ào, các kỹ thuật giảm thiểu lỗi lượng tử có thể được sử dụng để giảm các lỗi đó. Tuy nhiên, việc giải quyết nhiễu kết hợp vẫn là một thách thức đáng kể trong việc giảm thiểu lỗi vì hai lý do: (i) ngay cả một lượng nhỏ nhiễu kết hợp cũng có thể dẫn đến các lỗi tính toán đáng kể và (ii) những lỗi này khó giảm thiểu bằng cách sử dụng các kỹ thuật hiện có.
Trong công việc này, chúng tôi đề xuất một kỹ thuật giảm thiểu lỗi giúp giảm hiệu quả các lỗi do nhiễu kết hợp gây ra. Kỹ thuật này sử dụng hiệu ứng tổng hợp của biên dịch ngẫu nhiên (RC) và ngoại suy không nhiễu (ZNE). RC chuyển đổi nhiễu kết hợp thành nhiễu Pauli ngẫu nhiên, có thể được giảm thiểu một cách hiệu quả bằng ZNE. Các mô phỏng số của chúng tôi về các thuật toán giải mã riêng lượng tử biến thiên chứng minh rằng kỹ thuật giảm thiểu được đề xuất của chúng tôi cho thấy tác dụng giảm thiểu lỗi đáng kể chống lại nhiễu kết hợp.

► Dữ liệu BibTeX

► Tài liệu tham khảo

[1] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin và Xiao Yuan. “Hóa học tính toán lượng tử”. Các bài phê bình Vật lý hiện đại 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 và Yuhua Duan. “Tính toán lượng tử và mô phỏng cho các ứng dụng năng lượng: Đánh giá và quan điểm”. 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 và Jeannette M Garcia. “Tính toán lượng tử của các sản phẩm chiếm ưu thế trong pin lithium-lưu huỳnh”. Tạp chí Vật lý Hóa học 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068

[4] Austin G Fowler, Matteo Mariantoni, John M Martinis và Andrew N Cleland. “Mã bề mặt: Hướng tới tính toán lượng tử quy mô lớn thực tế”. Đánh giá vật lý 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 và Jeremy L O'brien. “Bộ giải giá trị riêng đa dạng trên bộ xử lý lượng tử quang tử”. Truyền thông thiên nhiên 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[6] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush và Alán Aspuru-Guzik. “Lý thuyết về các thuật toán cổ điển lượng tử hỗn hợp biến phân”. Tạp chí Vật lý mới 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, và những người khác. “Mô phỏng lượng tử có thể mở rộng của năng lượng phân tử”. Đánh giá vật lý 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 và Jay M Gambetta. “Bộ phân tích lượng tử biến thiên hiệu quả về phần cứng cho các phân tử nhỏ và nam châm lượng tử”. Nature 549, 242–246 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / thiên nhiên23879

[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 và Irfan Siddiqi. “Tính toán quang phổ phân tử trên bộ xử lý lượng tử với thuật toán chống lỗi”. Đánh giá vật lý 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 và Jay M Gambetta. “Giảm thiểu lỗi giúp mở rộng phạm vi tính toán của bộ xử lý lượng tử ồn ào”. Thiên nhiên 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 và Kihwan Kim. “Thực hiện lượng tử của cụm ghép đơn nhất để mô phỏng cấu trúc điện tử phân tử”. Đánh giá vật lý 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, và những người khác. “Ước tính năng lượng trạng thái cơ bản của phân tử nước trên máy tính lượng tử ion bị bẫy”. Thông tin lượng tử npj 6, 33 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0259-3

[13] Jarrod R McClean, Sergio Boixo, Vadim N Smelyanskiy, Ryan Babbush và Hartmut Neven. “Cao nguyên cằn cỗi trong cảnh quan đào tạo mạng lưới thần kinh lượng tử”. Truyền thông tự nhiên 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, và những người khác. “Bộ giải riêng lượng tử biến thiên: Đánh giá về các phương pháp và phương pháp hay nhất”. Báo cáo Vật lý 986, 1–128 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.08.003

[15] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin và Xiao Yuan. “Thuật toán lượng tử-cổ điển lai và giảm thiểu lỗi lượng tử”. Tạp chí của Hiệp hội Vật lý Nhật Bản 90, 032001 (2021).
https: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001

[16] Ying Li và Simon C Benjamin. “Trình mô phỏng lượng tử biến đổi hiệu quả kết hợp giảm thiểu lỗi chủ động”. Đánh giá vật lý X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[17] Kristan Temme, Sergey Bravyi và Jay M Gambetta. “Giảm thiểu lỗi cho mạch lượng tử có độ sâu ngắn”. Thư đánh giá vật lý 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[18] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A de Jong và Christian W Bauer. “Phép ngoại suy không có tiếng ồn để giảm thiểu lỗi cổng lượng tử bằng cách chèn danh tính”. Đánh giá vật lý 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 và Kihwan Kim. “Cổng lượng tử giảm thiểu lỗi vượt quá độ chính xác vật lý trong hệ thống ion bị bẫy”. Truyền thông thiên nhiên 11, 587 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[20] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter và Wibe A De Jong. “Hệ thống phân cấp lượng tử-cổ điển kết hợp để giảm thiểu sự rời rạc và xác định trạng thái kích thích”. Ôn tập vật lý A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[21] Joel J Wallman và Joseph Emerson. “Điều chỉnh tiếng ồn để tính toán lượng tử có thể mở rộng thông qua biên dịch ngẫu nhiên”. Đánh giá vật lý 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, và những người khác. “Biên dịch ngẫu nhiên cho tính toán lượng tử có thể mở rộng trên Bộ xử lý lượng tử siêu dẫn ồn ào”. Đánh giá vật lý 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, và những người khác. “Tận dụng quá trình biên dịch ngẫu nhiên cho thuật toán tiến hóa thời gian tưởng tượng lượng tử”. Nghiên cứu đánh giá vật lý 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 và Abhinav Kandala. “Giảm thiểu lỗi có thể mở rộng cho các mạch lượng tử ồn ào tạo ra các giá trị kỳ vọng cạnh tranh”. Vật lý Tự nhiên 19, 752–759 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[25] Chao Song, Jing Cui, H Wang, J Hao, H Feng và Ying Li. “Tính toán lượng tử với khả năng giảm thiểu lỗi phổ quát trên bộ xử lý lượng tử siêu dẫn”. Tiến bộ khoa học 5, eaaw5686 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[26] Matthew Ware, Guilhem Ribeill, Diego Riste, Colm A Ryan, Blake Johnson và Marcus P Da Silva. “Thử nghiệm ngẫu nhiên khung Pauli trên qubit siêu dẫn”. Đánh giá vật lý 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 và Joel J Wallman. “Cải thiện hiệu quả hiệu suất của máy tính lượng tử ồn ào” (2022). arXiv:2201.10672.
arXiv: 2201.10672

[28] Nick S Blunt, Laura Caune, Róbert Izsák, Earl T Campbell và Nicole Holzmann. “Ước tính pha thống kê và giảm thiểu lỗi trên bộ xử lý lượng tử siêu dẫn” (2023). arXiv:2304.05126.
arXiv: 2304.05126

[29] Samson Wang, Enrico Fontana, Marco Cerezo, Kunal Sharma, Akira Sone, Lukasz Cincio và Patrick J Coles. “Các cao nguyên cằn cỗi do tiếng ồn gây ra trong các thuật toán lượng tử biến thiên”. Truyền thông thiên nhiên 12, 6961 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-27045-6

[30] Michael A Nielsen và Isaac Chuang. “Tính toán lượng tử và thông tin lượng tử”. Nhà xuất bản Đại học Cambridge. (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, và những người khác. “Đánh giá bằng chứng về lợi thế lượng tử theo cấp số nhân trong hóa học lượng tử trạng thái cơ bản”. Thiên nhiên Truyền thông 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 và Jhonathan Romero. “Các phép đo như một rào cản đối với lợi thế lượng tử thực tế trong thời gian ngắn trong hóa học: Phân tích tài nguyên”. Nghiên cứu đánh giá vật lý 4, 033154 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033154

[33] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell và Stephen Brierley. “Đo lường lượng tử hiệu quả của các toán tử Pauli khi có sai số lấy mẫu hữu hạn”. Lượng tử 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[34] Tomochika Kurita, Mikio Morita, Hirotaka Oshima và Shintaro Sato. “Thuật toán phân vùng chuỗi Pauli với mô hình Ising để đo đồng thời”. Tạp chí Hóa lý 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, và những người khác. “Phần mềm True-Q. Công nghệ Keysight”. 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 và những người khác. “SciPy 1.0: Các thuật toán cơ bản cho tính toán khoa học bằng Python”. Phương pháp Tự nhiên 17, 261–272 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[37] Michael JD Powell. “Thuật toán BOBYQA để tối ưu hóa ràng buộc không có đạo hàm”. Tường trình kỹ thuật. Đại học 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, và những người khác. “OpenFermion: Gói cấu trúc điện tử cho máy tính lượng tử” (2017). arXiv:1710.07629.
arXiv: 1710.07629

[39] Ewout van den Berg, Zlatko K Minev, Abhinav Kandala và Kristan Temme. “Khử lỗi xác suất với các mô hình Pauli-Lindblad thưa thớt trên bộ xử lý lượng tử ồn ào”. Vật lý Tự nhiên 19, 1116–1121 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02042-2

Trích dẫn

[1] Ritajit Majumdar, Pedro Rivero, Friederike Metz, Areeq Hasan và Derek S Wang, “Các phương pháp hay nhất để giảm thiểu lỗi lượng tử bằng phép ngoại suy nhiễu kỹ thuật số bằng XNUMX”, arXiv: 2307.05203, (2023).

[2] Arnaud Carignan-Dugas, Shashank Kumar Ranu và Patrick Dreher, “Ước tính những đóng góp mạch lạc cho hồ sơ lỗi bằng cách sử dụng tái tạo lỗi chu kỳ”, arXiv: 2303.09945, (2023).

[3] Hugo Perrin, Thibault Scoquart, Alexander Shnirman, Jörg Schmalian và Kyrylo Snizhko, “Giảm thiểu lỗi nhiễu xuyên âm bằng cách biên dịch ngẫu nhiên: Mô phỏng mô hình BCS trên máy tính lượng tử siêu dẫn”, arXiv: 2305.02345, (2023).

[4] ChangWon Lee và Daniel K. Park, “Giảm thiểu lỗi đo lượng tử có thể mở rộng thông qua tính độc lập có điều kiện và học chuyển giao”, arXiv: 2308.00320, (2023).

Các trích dẫn trên là từ SAO / NASA ADS (cập nhật lần cuối thành công 2023 / 11-20 13:58:16). Danh sách có thể không đầy đủ vì không phải tất cả các nhà xuất bản đều cung cấp dữ liệu trích dẫn phù hợp và đầy đủ.

Không thể tìm nạp Crossref trích dẫn bởi dữ liệu trong lần thử cuối cùng 2023 / 11-20 13:58:14: Không thể tìm nạp dữ liệu được trích dẫn cho 10.22331 / q-2023 / 11-20-1184 từ Crossref. Điều này là bình thường nếu DOI đã được đăng ký gần đây.

Bài viết này được xuất bản trong Lượng tử dưới Creative Commons Ghi công 4.0 Quốc tế (CC BY 4.0) giấy phép. Bản quyền vẫn thuộc về chủ sở hữu bản quyền gốc như các tác giả hoặc tổ chức của họ.

Dấu thời gian:

Thêm từ Tạp chí lượng tử