部分纠错时代的干净量子比特与脏量子比特之战

部分纠错时代的干净量子比特与脏量子比特之战

丹尼尔布尔特里尼1,2, 王三生1,3, 彼得·查尼克1,4, 马克斯·亨特·戈登1,5, M. 塞雷佐6,7, 帕特里克·J·科尔斯1,7, 和 Lukasz Cincio1,7

1洛斯阿拉莫斯国家实验室理论部,洛斯阿拉莫斯,美国新墨西哥州87545
2理论化学,物理化学研究所,海德堡大学,INF 229,D-69120 海德堡,德国
3伦敦帝国学院,英国伦敦
4波兰克拉科夫雅盖隆大学理论物理研究所。
5Instituto de Física Teórica, UAM/CSIC, 马德里自治大学, 马德里 28049, 西班牙
6信息科学,洛斯阿拉莫斯国家实验室,洛斯阿拉莫斯,NM 87545,美国
7量子科学中心,美国田纳西州橡树岭 37931

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抽象

当纠错成为可能时,将需要将大量物理量子位专用于每个逻辑量子位。 纠错允许运行更深的电路,但每个额外的物理量子位都可能导致计算空间呈指数增长,因此在使用量子位进行纠错或将其用作噪声量子位之间需要权衡。 在这项工作中,我们研究了将噪声量子位与无噪声量子位(纠错量子位的理想模型)结合使用的效果,我们将其称为“干净和肮脏”设置。 我们采用分析模型和数值模拟来表征该设置。 我们在数值上显示了伊辛模型哈密顿变分模拟电路中噪声引起的贫瘠高原(NIBP)的出现,即由噪声引起的可观测量的指数集中。 即使只有单个量子位有噪声并且给定足够深的电路,我们也会观察到这一点,这表明仅通过纠错量子位子集不能完全克服 NIBP。 从积极的一面来看,我们发现对于电路中的每个无噪声量子位,梯度可观测量的浓度存在指数抑制,这显示了部分误差校正的好处。 最后,我们的分析模型证实了这些发现,表明可观察量集中在与脏量子位与总量子位的比率相关的指数中。

在具有容错量子计算机的未来,将会开启一个全新的量子算法世界,这可能比许多经典算法具有优势。 这不会没有一些牺牲——编码纠错(或逻辑)量子位所需的量子位数量将会很大。 向系统添加单个量子位会使机器的可用计算空间加倍,因此在本文中我们提出一个问题:能否将纠错量子位与物理量子位结合起来? 由于噪声极大地阻碍了量子算法,因此将纠错的好处与非纠错物理量子位提供的附加希尔伯特空间相结合可能对某些类别的算法有益。 我们使用一种近似方法来解决这个问题,其中无噪声量子位取代了纠错量子位,我们称之为干净的量子位。 它们与嘈杂的物理量子位耦合,我们称之为脏量子位。 我们以分析和数值方式表明,对于用干净量子位替换的每个噪声量子位,期望值测量中的误差呈指数级抑制,并且这种行为密切遵循如果降低均匀噪声机器的错误率,机器将执行的操作通过脏量子位与总量子位的比率。

►BibTeX数据

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