استرجاع المعلومات للحالات الكمومية الصاخبة

استرجاع المعلومات للحالات الكمومية الصاخبة

عقدة المصدر: 2058362

شوانكيانغ تشاو1,2، Benchi Zhao1، زيهان شيا1، و شين وانغ1

1معهد الحوسبة الكمية ، بايدو للأبحاث ، بكين 100193 ، الصين
2مبادرة المعلومات والحساب الكمي QICI ، قسم علوم الكمبيوتر ، جامعة هونغ كونغ ، طريق بوكفولام ، هونغ كونغ ، الصين

تجد هذه الورقة مثيرة للاهتمام أو ترغب في مناقشة؟ Scite أو ترك تعليق على SciRate.

ملخص

يعد استخراج المعلومات الكلاسيكية من الأنظمة الكمومية خطوة أساسية في العديد من الخوارزميات الكمومية. ومع ذلك ، يمكن أن تتلف هذه المعلومات لأن الأنظمة عرضة للضوضاء الكمومية ، ولم يتم التحقيق بشكل كافٍ في تشويهها في ظل ديناميكيات الكم. في هذا العمل ، نقدم إطارًا منهجيًا لدراسة مدى قدرتنا على استرجاع المعلومات من الحالات الكمومية الصاخبة. نظرًا لقناة كمومية صاخبة ، فإننا نميز تمامًا نطاق المعلومات الكلاسيكية القابلة للاسترداد. يسمح هذا الشرط بمقياس طبيعي يحدد قابلية استعادة المعلومات للقناة. علاوة على ذلك ، قمنا بتحديد الحد الأدنى من تكلفة استرداد المعلومات ، والتي ، جنبًا إلى جنب مع البروتوكول الأمثل المقابل ، يمكن حسابها بكفاءة عن طريق البرمجة شبه المحددة. كتطبيقات ، نضع حدودًا لتكلفة استرداد المعلومات للضوضاء الكمومية العملية ونستخدم البروتوكولات المقابلة لتخفيف الأخطاء في تقدير طاقة الحالة الأرضية. يعطي عملنا التوصيف الكامل الأول لاسترداد المعلومات للحالات الكمومية الصاخبة من النطاق القابل للاسترداد إلى تكلفة الاسترداد ، مما يكشف عن الحد النهائي لإلغاء الخطأ الاحتمالي.

[المحتوى جزءا لا يتجزأ]

في العديد من الخوارزميات والبروتوكولات الكمومية ، يعد استخراج معلومات الظل ، أي قيم توقع بعض العناصر المرئية ، من الأنظمة الكمومية أحد أهم الخطوات. ومع ذلك ، فإن الضوضاء غير المرغوب فيها على شكل قنوات كمية تشوه المعلومات حتماً ، مما يؤدي إلى نتائج مضللة. على الرغم من أنه سؤال مهم عمليًا وذو أهمية من الناحية النظرية ، إلا أن كيفية تأثير القنوات الكمية على معلومات الظل المضمنة في الأنظمة الكمومية غير مفهومة جيدًا.

في هذا العمل ، نقترح إطارًا منهجيًا للإجابة على هذا السؤال من منظور تشغيلي. بناء اتصال بين صورة شرودنجر وصورة هايزنبرج ، نقدم شرطًا ضروريًا وكافيًا يميز بشكل كامل إمكانية استرداد معلومات الظل. بناءً على هذا الشرط ، نحدد المقياس الأول الذي يحدد مدى تدمير القناة الكمية لمعلومات الظل ، والذي يرتبط بترتيب تمثيل مصفوفة القناة.

توفر نتائجنا أيضًا مخططًا لتخفيف الأخطاء بتكاليف مثالية ، مما يسمح بالاسترداد الفعال لمعلومات الظل من مجموعة واسعة من الضوضاء ، مما يضمن تشغيل الخوارزميات مثل eigensolver الكمي المتغير بأمانة على أجهزة كمومية متوسطة الحجم صاخبة.

► بيانات BibTeX

ferences المراجع

[1] ديفيد جي غريفيث وداريل إف شروتر. مقدمة في ميكانيكا الكم. مطبعة جامعة كامبريدج ، 2018. ISBN 1108100341. 10.1017 / 9781316995433.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1017 / 9781316995433

[2] مايكل إيه نيلسن وإسحاق إل تشوانغ. حساب الكم والمعلومات الكمومية. مطبعة جامعة كامبريدج ، 2010. ISBN 9781107002173. 10.1017 / CBO9780511976667.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[3] مارك إم وايلد. نظرية المعلومات الكمومية. مطبعة جامعة كامبريدج ، كامبريدج ، 2017. ISBN 9781316809976. 10.1017 / 9781316809976. عنوان URL http: / / ebooks.cambridge.org/ ref / id / CBO9781316809976.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1017 / 9781316809976
http: / / ebooks.cambridge.org/ ref / id / CBO9781316809976

[4] جون وطروس. نظرية المعلومات الكمومية. مطبعة جامعة كامبريدج ، 2018. ISBN 9781107180567. 10.1017 / 9781316848142.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1017 / 9781316848142

[5] CH Bennett و I Devetak و AW Harrow و PW Shor و A Winter. نظرية شانون الكمومية العكسية ومقايضات الموارد لمحاكاة القنوات الكمية. معاملات IEEE على نظرية المعلومات، 60 (5): 2926–2959، 2014. 10.1109 / TIT.2014.2309968.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2014.2309968

[6] شين وانغ ومارك إم وايلد. نظرية الموارد للتمييز غير المتماثل للقنوات الكمية. بحوث المراجعة الفيزيائية ، 1 (3): 033169 ، ديسمبر 2019. ISSN 2643-1564. 10.1103 / PhysRevResearch.1.033169. عنوان URL https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.1.033169.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.1.033169

[7] جرايم سميث وجون يارد. التواصل الكمي مع القنوات ذات السعة الصفرية. Science، 321 (5897): 1812–1815، 2008. 10.1126 / العلوم .1162242.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1126 / science.1162242

[8] شين وانغ ، ومارك إم وايلد ، ويوان سو. تحديد سحر القنوات الكمومية. المجلة الجديدة للفيزياء ، 21 (10): 103002 ، أكتوبر 2019. ISSN 1367-2630. 10.1088 / 1367-2630 / ab451d. URL https: / / iopscience.iop.org/ article / 10.1088 / 1367-2630 / ab451d.
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ab451d

[9] سيريزو ، أندرو أراسميث ، رايان بابوش ، سيمون سي بنجامين ، سوجورو إندو ، كيسوكي فوجي ، جارود آر ماكلين ، كوسوكي ميتاراي ، شياو يوان ، لوكاس سينسيو ، وباتريك جيه كولز. خوارزميات الكم المتغيرة. Nature Reviews Physics ، أغسطس 2021. ISSN 2522-5820. 10.1038 / s42254-021-00348-9. URL https: / / www.nature.com/ articles / s42254-021-00348-9.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9
https: / / www.nature.com/ articles / s42254-021-00348-9

[10] ألبرتو بيروزو ، وجارود ماكلين ، وبيتر شادبولت ، ومان هونغ يونغ ، وشياو تشي زو ، وبيتر جيه لوف ، وآلان أسبورو-جوزيك ، وجيريمي إل أوبراين. حل متغير للقيمة الذاتية على معالج كمومي ضوئي. اتصالات الطبيعة ، 5 (1): 4213 ، ديسمبر 2014. ISSN 2041-1723. 10.1038 / إنكومس 5213. URL http: / / www.nature.com/ articles / ncomms5213.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
http: / / www.nature.com/ articles / ncomms5213

[11] سكوت آرونسون. تصوير الظل المقطعي للحالات الكمومية. مجلة SIAM للحوسبة، 49 (5): STOC18–368، 2019. 10.1145 / 3188745.3188802.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1145 / 3188745.3188802

[12] سكوت آرونسون وجاي إن روثبلوم. قياس لطيف للحالات الكمية والخصوصية التفاضلية. في وقائع الندوة السنوية 51 لـ ACM SIGACT حول نظرية الحوسبة ، الصفحات 322-333 ، 2019. 10.1145 / 3313276.3316378.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1145 / 3313276.3316378

[13] هسين يوان هوانغ وريتشارد كوينج وجون بريسكيل. توقع العديد من خصائص النظام الكمي من خلال قياسات قليلة جدًا. فيزياء الطبيعة ، 16 (10): 1050-1057 ، 2020. 10.1038 / s41567-020-0932-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-020-0932-7

[14] هوارد بارنوم ، وإيمانويل نيل ، وما أ. نيلسن. على الإخلاص الكمي وقدرات القناة. معاملات IEEE على نظرية المعلومات ، 46 (4): 1317-1329 ، يوليو 2000. ISSN 00189448. 10.1109 / 18.850671. URL http: / / ieeexplore.ieee.org/ document / 850671 /.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1109 / 18.850671
http: / / ieeexplore.ieee.org/ document / 850671 /

[15] تشارلز إتش بينيت ، وديفيد بي ديفينسينزو ، وجون أ سمولين. قدرات قنوات المحو الكمومية. رسائل المراجعة الفيزيائية ، 78 (16): 3217–3220 ، أبريل 1997. ISSN 0031-9007. 10.1103 / PhysRevLett.78.3217. عنوان URL https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.78.3217.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.78.3217

[16] ديفيد بي ديفينسينزو ، وبيتر دبليو شور ، وجون أ.سمولين. سعة القناة الكمية للقنوات الصاخبة للغاية. مراجعة البدنية أ ، 57 (2): 830-839 ، فبراير 1998. ISSN 1050-2947. 10.1103 / PhysRevA.57.830. عنوان URL https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.57.830.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.57.830

[17] بنيامين شوماخر. إرسال التشابك عبر قنوات كمومية مزعجة. مراجعة البدنية أ ، 54 (4): 2614 ، 1996. 10.1103 / PhysRevA.54.2614.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.2614

[18] الكسندر سيمينوفيتش هوليفو. حدود كمية المعلومات المرسلة بواسطة قناة الاتصال الكمومية. مشكلة Peredachi Informatsii ، 9 (3): 3-11 ، 1973. URL http: / / mi.mathnet.ru/ eng / ppi903.
http: / / mi.mathnet.ru/ eng / ppi903

[19] بنيامين شوماخر ومايكل دي ويستمورلاند. إرسال المعلومات الكلاسيكية عبر قنوات الكم الصاخبة. مراجعة البدنية أ ، 56 (1): 131 ، 1997. 10.1103 / PhysRevA.56.131.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.56.131

[20] الكسندر س هوليفو. قدرة القناة الكمومية مع حالات الإشارة العامة. IEEE Transactions on Information Theory، 44 (1): 269–273، 1998. 10.1109 / 18.651037.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1109 / 18.651037

[21] فرانشيسكو بوسكيمي وميشيل دال أرنو وماساناو أوزاوا وفلاتكو فيدرال. المراقبة المباشرة لأي دالة ارتباط كمي من نقطتين. arXiv: 1312.4240 ، كانون الأول (ديسمبر) 2013. URL http: / / arxiv.org/ abs / 1312.4240.
أرخايف: 1312.4240

[22] كريستان تيم ، سيرجي برافي ، وجاي إم غامبيتا. تخفيف الخطأ للدارات الكمومية قصيرة العمق. رسائل المراجعة المادية ، 119 (18): 180509 ، نوفمبر 2017. ISSN 0031-9007. 10.1103 / PhysRevLett.119.180509. عنوان URL https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[23] سوجورو إندو ، وسيمون سي.بنجامين ، وينج لي. التخفيف العملي لأخطاء الكم لتطبيقات المستقبل القريب. مراجعة البدنية X، 8 (3): 031027 ، يوليو 2018. ISSN 2160-3308. 10.1103 / PhysRevX.8.031027. عنوان URL https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.031027 https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.031027.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.031027

[24] ريوجي تاكاجي. التكلفة المثلى للموارد لتخفيف الخطأ. بحوث المراجعة الفيزيائية ، 3 (3): 033178 ، أغسطس 2021. ISSN 2643-1564. 10.1103 / PhysRevResearch.3.033178. عنوان URL http: / / arxiv.org/ abs / 2006.12509 https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.033178.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.033178
أرخايف: 2006.12509

[25] جياكينغ جيانغ وكون وانغ وشين وانغ. قابلية التطبيق المادي للخرائط الخطية وتطبيقاتها في التخفيف من الخطأ. كوانتوم ، 5: 600 ، ديسمبر 2021. ISSN 2521-327X. 10.22331 / س 2021-12-07-600. عنوان URL https: / / doi.org/ 10.22331 / q-2021-12-07-600.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-12-07-600

[26] كريستوف بيفيتو وديفيد سوتر وستيفان فورنر. تحلل شبه قابلية للتحلل مع تقليل حمل العينات. 10.1038 / s41534-022-00517-3.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00517-3

[27] ليفين فاندنبرغ وستيفن بويد. برمجة شبه محددة. مراجعة SIAM ، 38 (1): 49-95 ، 1996.

[28] شيلدون أكسلر. تم إجراء الجبر الخطي بشكل صحيح ، المجلد 2. Springer ، 2015.

[29] آلان ج لوب. تحليل المصفوفة للعلماء والمهندسين ، المجلد 91. SIAM ، 2005.

[30] واسيلي هوفدينغ. عدم المساواة احتمال لقاء مبالغ من المتغيرات العشوائية يحدها. في الأعمال المجمعة لـ Wassily Hoeffding ، الصفحات 409-426. سبرينغر ، 1994. 10.1007 / 978-1-4612-0865-5_26.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-1-4612-0865-5_26

[31] سيرجي برافي ، سارة شيلدون ، أبهيناف كاندالا ، ديفيد سي ماكاي ، وجاي إم غامبيتا. التخفيف من أخطاء القياس في التجارب متعددة الكيوبتات. 10.1103 / PhysRevA.103.042605 ، يونيو 2020.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.042605

[32] فيليب ب. التخفيف من ضوضاء القراءة في الأجهزة الكمومية على المدى القريب عن طريق المعالجة اللاحقة الكلاسيكية بناءً على التصوير المقطعي للكاشف. الكم ، 4: 257 ، أبريل 2020. ISSN 2521-327X. 10.22331 / q-2020-04-24-257. URL http: / / arxiv.org/ abs / 1907.08518 https: / / quantum-journal.org/ ورقات / q-2020-04-24-257 /.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-04-24-257
أرخايف: 1907.08518

[33] بيوتر كزارنيك وأندرو أراسميث وباتريك جيه كولز ولوكاس سينسيو. التخفيف من الخطأ باستخدام بيانات الدائرة الكمومية لكليفورد. 10.22331 / q-2021-11-26-5929 ، مايو 2020.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-11-26-5929

[34] جارود آر ماكلين ، وتشانج جيانج ، ونيكولاس سي.روبين ، ورايان بابوش ، وهارتموت نيفين. فك تشفير الأخطاء الكمومية مع توسعات الفضاء الجزئي. اتصالات الطبيعة ، 11 (1): 636 ، ديسمبر 2020. ISSN 2041-1723. 10.1038 / s41467-020-14341-w. عنوان URL http: / / arxiv.org/ abs / 1903.05786 http: / / www.nature.com/ articles / s41467-020-14341-w.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14341-ث
أرخايف: 1903.05786

[35] تشينيو كاي. استقراء متعدد الأسي للخطأ والجمع بين تقنيات تخفيف الأخطاء لتطبيقات NISQ. معلومات الكم ، 7 (1) ، 2021 أ. ISSN 20566387. 10.1038 / s41534-021-00404-3. URL http: / / dx.doi.org / 10.1038 / s41534-021-00404-3.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-021-00404-3

[36] دانيال بولتريني ، وماكس هانتر جوردون ، وبيوتر كزارنيك ، وأندرو أراسميث ، وباتريك جيه كولز ، ولوكاس سينسيو. توحيد وقياس أحدث تقنيات التخفيف من الخطأ الكمومي. arXiv preprint arXiv: 2107.13470 ، الصفحات 1-13 ، 2021. URL http: / / arxiv.org/ abs / 2107.13470.
أرخايف: 2107.13470

[37] تشينيو كاي. إطار عملي للتخفيف من الخطأ الكمي. arXiv preprint arXiv: 2110.05389 ، الصفحات 1-15 ، أكتوبر 2021 ب. عنوان URL http: / / arxiv.org/ abs / 2110.05389.
أرخايف: 2110.05389

[38] بيوتر كزارنيك ، وأندرو أراسميث ، ولوكاس سينسيو ، وباتريك جيه كولز. Qubit قمع أسي فعال للأخطاء. arXiv preprint arXiv: 2102.06056، 2021. URL http: / / arxiv.org/ abs / 2102.06056.
أرخايف: 2102.06056

[39] ماتيو لوستاجليو وأليساندرو سياني. تخفيف الأخطاء والمحاكاة بمساعدة الكم في نظام تصحيح الخطأ. رسائل المراجعة المادية ، 127 (20): 200506 ، نوفمبر 2021. ISSN 0031-9007. 10.1103 / PhysRevLett.127.200506. عنوان URL http: / / arxiv.org/ abs / 2103.07526 https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.200506.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.200506
أرخايف: 2103.07526

[40] ريوجي تاكاجي ، سوجورو إندو ، شينتارو ميناغاوا ، ومايل جو. الحدود الأساسية لتقليل الخطأ الكمومي. 10.1038 / s41534-022-00618-z ، الصفحات 1-20 ، سبتمبر 2021.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-022-00618 زي

[41] بالينت كوتشور. قمع الخطأ الأسي للأجهزة الكمومية على المدى القريب. مراجعة البدنية X، 11 (3): 031057 ، سبتمبر 2021. ISSN 2160-3308. 10.1103 / PhysRevX.11.031057. عنوان URL http: / / arxiv.org/ abs / 2011.05942 http: / / dx.doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.031057 https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX .11.031057.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.031057
أرخايف: 2011.05942

[42] سوجورو إندو ، زينيو كاي ، سيمون سي بنيامين ، وشياو يوان. الخوارزميات الكمومية الهجينة وتخفيف الأخطاء الكمومية. مجلة الجمعية الفيزيائية اليابانية ، 90 (3): 032001 ، مارس 2021. ISSN 0031-9015. 10.7566 / JPSJ.90.032001. URL http: / / arxiv.org/ abs / 2011.01382 https: / / journalals.jps.jp/ doi / 10.7566 / JPSJ.90.032001.
الشبكي: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001
أرخايف: 2011.01382

[43] كون وانغ ويو آو تشين وشين وانغ. التخفيف من الأخطاء الكمومية عبر سلسلة نيومان المقتطعة. arXiv: 2111.00691 ، نوفمبر 2021. URL http: / / arxiv.org/ abs / 2111.00691.
أرخايف: 2111.00691

[44] ياسوناري سوزوكي ، سوجورو إندو ، كيسوكي فوجي ، ويوكي توكوناجا. تخفيف الخطأ الكمي للحوسبة الكمية التي تتحمل الأخطاء. 10.1103 / PRXQuantum.3.010345 ، الصفحات 1–33 ، 2020.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010345

[45] لوكا تشيرولي وجويدو بوركارد. فك الترابط في كيوبتات الحالة الصلبة. التقدم في الفيزياء ، 57 (3): 225–285 ، مايو 2008. ISSN 0001-8732. 10.1080 / 00018730802218067. URL http: / / www.tandfonline.com/ doi / abs / 10.1080 / 00018730802218067.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1080 / 00018730802218067

[46] دانيال جوتسمان. تصحيح الخطأ الكمي والتسامح مع الخطأ. arXiv: quant-ph / 0507174 ، يوليو 2005. URL http: / / arxiv.org/ abs / quant-ph / 0507174.
أرخايف: ضليع في الرياضيات، وعل / 0507174

[47] دانيال أ ليدار وتود أ برون. تصحيح الخطأ الكمي. مطبعة جامعة كامبريدج ، 2013. ISBN 0521897874.

[48] باربرا م. ترهال. تصحيح الخطأ الكمي للذاكرة الكمومية. تقييمات Modern Physics ، 87 (2): 307–346 ، أبريل 2015. ISSN 0034-6861. 10.1103 / RevModPhys.87.307. عنوان URL http: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.87.307.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.87.307

[49] جون بريسكيل. الحوسبة الكمية في عصر NISQ وما بعده. الكم ، 2:79 ، أغسطس 2018. ISSN 2521-327X. 10.22331 / q-2018-08-06-79. URL https: / / quantum-journal.org / ورقات / q-2018-08-06-79 /.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79
الشبكي: / / quantum-journal.org/ أوراق / ف-2018-08-06-79 /

[50] سميت خاطري ومارك إم وايلد. مبادئ نظرية الاتصال الكمي: نهج حديث. الإصدار التمهيدي لـ arXiv arXiv: 2011.04672 ، 2020.
أرخايف: 2011.04672

دليلنا يستخدم من قبل

الطابع الزمني:

اكثر من مجلة الكم