Μείωση σφάλματος σε μια βραχυπρόθεσμη κβαντική φωτονική συσκευή

Χρονική σήμανση: 4 Μαΐου 2021 7:18 π.μ.
Κόμβος πηγής: 844782

Νταϊκίν Σου1, Ρόμπερτ Ισραήλ1, Κουνάλ Σάρμα2, Χαόου Τσι1, Ish Dhand1, και ο Kamil Brádler1

1Xanadu, Τορόντο, Οντάριο, M5G 2C8, Καναδάς
2Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Hearne και Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας, Κρατικό Πανεπιστήμιο της Λουιζιάνας, Baton Rouge, LA USA

Βρείτε αυτό το άρθρο ενδιαφέρουσα ή θέλετε να συζητήσετε; Scite ή αφήστε ένα σχόλιο για το SciRate.

Περίληψη

Η απώλεια φωτονίων είναι καταστροφική για την απόδοση των κβαντικών φωτονικών συσκευών και συνεπώς η καταστολή των επιπτώσεων της απώλειας φωτονίων είναι υψίστης σημασίας για τις φωτονικές κβαντικές τεχνολογίες. Παρουσιάζουμε δύο σχήματα για τον μετριασμό των επιπτώσεων της απώλειας φωτονίων για μια συσκευή δειγματοληψίας Gaussian Boson, ιδίως για τη βελτίωση της εκτίμησης των πιθανοτήτων δειγματοληψίας. Αντί να χρησιμοποιούν κωδικούς διόρθωσης σφαλμάτων που είναι ακριβοί από την άποψη των γενικών πόρων υλικού, τα σχέδιά μας απαιτούν μόνο ένα μικρό ποσό τροποποιήσεων υλικού ή ακόμη και καμία τροποποίηση. Οι τεχνικές καταστολής απώλειας βασίζονται είτε στη συλλογή πρόσθετων δεδομένων μέτρησης είτε στην κλασική μετεπεξεργασία μόλις ληφθούν τα δεδομένα μέτρησης. Δείχνουμε ότι με ένα μέτριο κόστος της κλασικής μετα-επεξεργασίας, τα αποτελέσματα της απώλειας φωτονίων μπορούν να κατασταλούν σημαντικά για ένα ορισμένο ποσό απώλειας. Τα προτεινόμενα σχήματα είναι επομένως ένας βασικός παράγοντας για εφαρμογές βραχυπρόθεσμων φωτονικών κβαντικών συσκευών.

Προτεινόμενη εικόνα: Ελαττώστε την επίδραση της απώλειας φωτονίων για μια κατάσταση κενού συμπίεσης δύο τρόπων. Εδώ $ P ([n, n]) $ είναι η πιθανότητα εντοπισμού ενός μοτίβου αριθμού φωτονίου $ [n, n] $.

Δημοφιλή περίληψη

Η συσκευή δειγματοληψίας Gaussian boson (GBS) είναι μία από τις πιο ελπιδοφόρες κβαντικές φωτονικές συσκευές. Πρόσφατα χρησιμοποιήθηκε για να αποδείξει το κβαντικό υπολογιστικό πλεονέκτημα έναντι των κλασικών υπολογιστών σε ένα συγκεκριμένο πρόβλημα δειγματοληψίας. Η συσκευή GBS μπορεί επίσης να βρει πρακτικές εφαρμογές, π.χ. στην επίλυση προβλημάτων μοριακής σύνδεσης, στο εγγύς μέλλον. Ωστόσο, η απόδοση της συσκευής GBS υποβαθμίζεται δραματικά από την απώλεια φωτονίων. Κατ 'αρχήν, η απώλεια φωτονίων μπορεί να διορθωθεί χρησιμοποιώντας κβαντικούς κωδικούς διόρθωσης σφαλμάτων, αλλά αυτοί οι κωδικοί εισάγουν μια μεγάλη επιβάρυνση πόρων. Αυτή η εργασία προτείνει δύο σχήματα για τον μετριασμό της επίδρασης της απώλειας φωτονίων για τη βραχυπρόθεσμη συσκευή GBS, με μια μικρή τροποποίηση υλικού ή ακόμη και καμία τροποποίηση. Το τίμημα που πρέπει να πληρώσετε είναι να εκτελέσετε πολλαπλά πειράματα και κλασική μετα-επεξεργασία. Αυτή η εργασία διαπιστώνει ότι η επίδραση της απώλειας φωτονίων μπορεί να κατασταλεί σημαντικά με μια μέτρια ποσότητα κλασικών πόρων. Επομένως, τα προτεινόμενα σχήματα μείωσης της απώλειας είναι απαραίτητα για βραχυπρόθεσμες εφαρμογές κβαντικών φωτονικών τεχνολογιών.

► Δεδομένα BibTeX

► Αναφορές

[1] AG Fowler, M. Mariantoni, JM Martinis και AN Cleland, Επιφανειακοί κώδικες: Προς πρακτικούς κβαντικούς υπολογισμούς μεγάλης κλίμακας, Phys. Rev. Α 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[2] J. Preskill, Quantum Computing στην εποχή της NISQ και μετά, Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[3] S. Boixo, SV Isakov, VN Smelyanskiy, R. Babbush, N. Ding, Z. Jiang, MJ Bremner, JM Martinis και H. Neven, Χαρακτηρίζοντας την κβαντική υπεροχή σε βραχυπρόθεσμες συσκευές, Nature Physics 14, 595 (2018) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-018-0124-x

[4] S. Aaronson, and L. Chen, Πολυπλοκότητα-θεωρητικά θεμέλια πειραμάτων κβαντικής υπεροχής, arXiv: 1612.05903.
arXiv: 1612.05903v1

[5] F. Arute, et al., Κβαντική υπεροχή χρησιμοποιώντας έναν προγραμματιζόμενο υπεραγωγό επεξεργαστή, Nature 574, 505 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[6] MJ Bremner, R. Jozsa και DJ Shepherd, Η κλασική προσομοίωση των κβαντικών υπολογισμών μετακίνησης συνεπάγεται κατάρρευση της πολυωνυμικής ιεραρχίας, Πρακτικά της Βασιλικής Εταιρείας Α: Μαθηματικές, Φυσικές και Μηχανικές Επιστήμες 467, 459 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2010.0301

[7] MJ Bremner, A. Montanaro, και DJ Shepherd, Μέση πολυπλοκότητα σε σχέση με κατά προσέγγιση προσομοίωση των κβαντικών υπολογισμών μετακίνησης, Phys. Rev. Lett. 117, 080501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.080501

[8] MJ Bremner, A. Montanaro και DJ Shepherd, Επίτευξη κβαντικής υπεροχής με αραιά και θορυβώδη κβαντικά υπολογιστικά μετακίνησης, Quantum 1, 8 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-04-25-8

[9] S. Aaronson, A. Arkhipov, Η υπολογιστική πολυπλοκότητα των γραμμικών οπτικών, Πρακτικά του σαράντα τρίτου ετήσιου συμποσίου ACM για τη Θεωρία της πληροφορικής, 333-342 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[10] CS Hamilton, R. Kruse, L. Sansoni, S. Barkhofen, C. Silberhorn, Christine, and I. Jex, Gaussian Boson Sampling, Phys. Rev. Lett. 119, 170501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.170501

[11] S. Rahimi-Keshari, AP Lund και TC Ralph, Τι μπορούν να πουν τα κβαντικά οπτικά για τη θεωρία υπολογιστικής πολυπλοκότητας;, Phys. Rev. Lett. 114, 060501 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.060501

[12] S. Rahimi-Keshari, TC Ralph και CM Caves, επαρκείς συνθήκες για αποτελεσματική κλασική προσομοίωση της κβαντικής οπτικής, Phys. Αναθ. X 6, 021039 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021039

[13] A. Peruzzo, J. McClean, P. Shadbolt, M. Yung, X. Zhou, PJ Love, A. Aspuru-Guzik και JL O'brien, Ένας διαφοροποιητής λύσης ιδιοτιμικής αξίας σε έναν φωτονικό κβαντικό επεξεργαστή, Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[14] E. Farhi, J. Goldstone και S. Gutmann, Ένας αλγόριθμος κβαντικής κατά προσέγγιση βελτιστοποίησης, arXiv: 1411.4028.
arXiv: 1411.4028

[15] E. Farhi και AW Harrow, Κβαντική υπεροχή μέσω του αλγόριθμου κβαντικής κατά προσέγγιση βελτιστοποίησης, arXiv: 1602.07674.
arXiv: 1602.07674

[16] K. Temme, S. Bravyi, and JM Gambetta, Mitigation Error for Short-Depth Quantum Circuits, Phys. Rev. Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[17] Y. Li, and SC Benjamin, Efficient Variational Quantum Simulator που ενσωματώνει Ενεργή Ελαχιστοποίηση Σφάλματος, Phys. Αναθ. X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[18] A. Kandala, K. Temme, AD Córcoles, A. Mezzacapo, JM Chow και JM Gambetta, ο περιορισμός σφαλμάτων επεκτείνει την υπολογιστική εμβέλεια ενός θορυβώδους κβαντικού επεξεργαστή, Nature 567, 491 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[19] S. Endo, SC Benjamin, και Y. Li, Πρακτικός μετριασμός σφαλμάτων κβαντικού για εφαρμογές στο εγγύς μέλλον, Phys. Αναθ. X 8, 031027 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.031027

[20] C. Song, J. Cui, H. Wang, J. Hao, H. Feng, H. and Li, Ying, Κβαντικός υπολογισμός με καθολικό μετριασμό σφαλμάτων σε έναν υπεραγωγό κβαντικό επεξεργαστή, Science Advances 5, (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[21] S. Zhang, Y. Lu, K. Zhang, W. Chen, Y. Li, J. Zhang, και K. Kim, κβαντικές πύλες που μειώνουν τα σφάλματα που υπερβαίνουν τις φυσικές πιστότητες σε ένα σύστημα παγιδευμένων ιόντων, Nature Communications 11, 1 ( 2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[22] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh, και TE O'Brien, μετριασμός σφαλμάτων χαμηλού κόστους με επαλήθευση συμμετρίας, Phys. Αναθ. Α 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

[23] R. Sagastizabal, X. Bonet-Monroig, M. Singh, MA Rol, CC Bultink, X. Fu, CH Price, VP Ostroukh, N. Muthusubramanian, A. Bruno, M. Beekman, N. Haider, TE O'Brien , και L. DiCarlo, Πειραματικός μετριασμός σφαλμάτων μέσω επαλήθευσης συμμετρίας σε παραλλαγή κβαντικού eigensolver, Phys. Αναθ. A 100, 010302 (R) (2019)
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.010302

[24] S. McArdle, X. Yuan, and S. Benjamin, Digital Quantum Simulation, Erit-Mitigated Simulation, Phys. Rev. Lett. 122, 180501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.180501

[25] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh, και TE O'Brien, μετριασμός σφαλμάτων χαμηλού κόστους με επαλήθευση συμμετρίας, Phys. Αναθ. Α 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

[26] M. Cerezo, K. Sharma, A. Arrasmith, and PJ Coles, Variational quantum state eigensolver, arXiv: 2004.01372.
arXiv: 2004.01372

[27] JR McClean, J. Romero, R. Babbush και A. Aspuru-Guzik, Theory of variational hybrid quantum-classical algorithms, New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

[28] K. Sharma, S. Khatri, M. Cerezo, και PJ Coles, Ανθεκτικότητα θορύβου της παραλλαγής κβαντικής συλλογής, New Journal of Physics 22, 043006 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ab784γ

[29] L. Cincio, K. Rudinger, M. Sarovar, and PJ Coles, Μηχανική εκμάθηση ανθεκτικών στον θόρυβο κβαντικών κυκλωμάτων, PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[30] Y. Chen, M. Farahzad, S. Yoo και T. Wei, Τομογραφία ανιχνευτή σε κβαντικούς υπολογιστές IBM και μετριασμός μιας ατελούς μέτρησης, Phys. Αναθ. Α 100, 052315 (2019)
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052315

[31] MR Geller, και M. Sun, Αποτελεσματική διόρθωση σφαλμάτων μέτρησης πολλαπλών bit, arXiv: 2001.09980.
arXiv: 2001.09980

[32] L. Funcke, T. Hartung, K. Jansen, S. Kühn, P. Stornati, and X. Wang, μετριασμός σφαλμάτων μέτρησης σε κβαντικούς υπολογιστές μέσω κλασικής διόρθωσης bit-flip, arXiv: 2007.03663.
arXiv: 2007.03663

[33] H. Kwon, and J. Bae, Μια υβριδική κβαντική κλασική προσέγγιση για τον μετριασμό των σφαλμάτων μέτρησης σε κβαντικούς αλγόριθμους, IEEE Transactions on Computers (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009664

[34] JR McClean, ME Kimchi-Schwartz, J. Carter και WA de Jong, υβριδική κβαντική κλασική ιεραρχία για τον μετριασμό της αποσυμπίεσης και τον προσδιορισμό των διεγερμένων καταστάσεων, Phys. Αναθ. Α 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[35] J. Sun, X. Yuan, T. Tsunoda, V. Vedral, SC Bejamin, and S. Endo, Mitigating Realistic Noise in Practical Noisy Intermediate-Scale Quantum Devices, Phys. Αναθ. Εφαρμοσ. 15, 034026 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034026

[36] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, BC Benjamin, and Y. Li, Mitigement quantum error mitigation, arXiv: 2005.07601.
arXiv: 2005.07601

[37] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles και L. Cincio, Μείωση σφάλματος με δεδομένα κβαντικού κυκλώματος Clifford, arXiv: 2005.10189.
arXiv: 2005.10189

[38] A. Zlokapa, and A. Gheorghiu, Ένα μοντέλο βαθιάς μάθησης για πρόβλεψη θορύβου σε βραχυπρόθεσμες κβαντικές συσκευές, arXiv: 2005.10811.
arXiv: 2005.10811

[39] J. Arrazola, και TR Bromley, χρησιμοποιώντας δειγματοληψία Gaussian Boson για εύρεση πυκνών υπογραφών, Phys. Rev. Lett. 121, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.030503

[40] K. Brádler, S. Friedland, J. Izaac, N. Killoran, and D. Su, Graph isomorphism and Gaussian boson sampling, Spec. Πίνακες 9, 166 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1515 / spma-2020-0132

[41] M. Schuld, K. Brádler, R. Israel, D. Su και B. Gupt, Μέτρηση της ομοιότητας των γραφημάτων με ένα δείγμα Gaussian boson, Phys. Αναθ. Α 101, 032314 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032314

[42] K. Brádler, R. Israel, M. Schuld, και D. Su, Μια δυαδικότητα στην καρδιά της δειγματοληψίας Gaussian boson, arXiv: 1910.04022.
arXiv: 1910.04022v1

[43] C. Weedbrook, S. Pirandola, R. García-Patrón, NJ Cerf, TC Ralph, JH Shapiro, and S. Lloyd, Gaussian quantum information, Rev. Mod. Φυσ. 84, 621 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.84.621

[44] K. Brádler, P. Dallaire-Demers, P. Rebentrost, D. Su, και C. Weedbrook, Gaussian boson δειγματοληψία για τέλεια αντιστοιχία αυθαίρετων γραφημάτων, Phys. Αναθ. Α 98, 032310 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032310

[45] H. Qi, DJ Brod, N. Quesada και R. García-Patrón, Regimes of Classical Simulability for Noisy Gaussian Boson Sampling, Phys. Rev. Lett. 124, 100502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.100502

[46] WR Clements, PC Humphreys, BJ Metcalf, WS Kolthammer και IA Walsmley, Βέλτιστη σχεδίαση για γενικά ιντερφερόμετρα πολλαπλών διαστάσεων, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[47] M. Reck, A. Zeilinger, HJ Bernstein και P. Bertani, Πειραματική Πραγματοποίηση Οποιουδήποτε Διακριτού Ενιαίου Χειριστή, Φυσ. Rev. Lett. 73, 58 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

[48] M. Jacques, A. Samani, E. El-Fiky, D. Patel, X. Zhenping, και DV Plant, Βελτιστοποίηση του θερμο-οπτικού σχεδιασμού μετατόπισης φάσης και μετριασμός του θερμικού διασταύρωσης στην πλατφόρμα SOI, Opt. Express 27, 10456 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.27.010456

[49] A. Serafini, Quantum Continuous Variables: A Primer of Theoretical Methods (CRC Press, 2017).

[50] J. Huh, GG Guerreschi, B. Peropadre, JR McClean, and A. Aspuru-Guzik, Boson δειγματοληψία για μοριακά φασματικά δόντια, Nature Photonics 9, 615 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2015.153

[51] S. Rahimi-Keshari, MA Broome, R. Fickler, A. Fedrizzi, TC Ralph και AG White, Άμεσος χαρακτηρισμός γραμμικών-οπτικών δικτύων, Opt. Express 21, 13450 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.21.013450

[52] V. Giovannetti, AS Holevo, and R. García-Patrón, A Solutions of Gaussian Optimizer Conjecture for Quantum Channels, Commun. Μαθηματικά. Φυσ. 334, 1553 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-014-2150-6

[53] R. García-Patrón, J. Renema και V. Shchesnovich, Simulation δειγματοληψία μποζονών σε απώλειες αρχιτεκτονικές, Quantum 3, 169 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-08-05-169

[54] R. Kruse, CS Hamilton, L. Sansoni, S. Barkhofen, C. Silberhorn, and I. Jex, Λεπτομερής μελέτη δειγματοληψίας Gaussian boson, Phys. Αναθ. A 100, 032326 (2019)
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032326

Αναφέρεται από

[1] M. Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C. Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R. McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan, Lukasz Cincio και Patrick J. Coles, "Variational Quantum Algorithms", arXiv: 2012.09265.

[2] Tyler Volkoff, Zoë Holmes, and Andrew Sornborger, «Universal compiling and (No-) Free-Lore θεωρήματα για συνεχή μεταβλητή κβαντική μάθηση», arXiv: 2105.01049.

[3] Shreya P. Kumar, Leonhard Neuhaus, Lukas G. Helt, Haoyu Qi, Blair Morrison, Dylan H. Mahler, και Ish Dhand, «Αντιμετώπιση ατελειών γραμμικής οπτικής μέσω κατανομής και συλλογής λιμένων», arXiv: 2103.03183.

[4] Saad Yalouz, Bruno Senjean, Filippo Miatto και Vedran Dunjko, «Κωδικοποίηση έντονα συσχετισμένων κυματοσυστημάτων πολλών μποζονίων σε έναν φωτονικό κβαντικό υπολογιστή: εφαρμογή στο ελκυστικό μοντέλο Bose-Hubbard», arXiv: 2103.15021.

Οι παραπάνω αναφορές είναι από SAO / NASA ADS (τελευταία ενημέρωση επιτυχώς 2021-05-07 23:43:35). Η λίστα μπορεί να είναι ελλιπής, καθώς δεν παρέχουν όλοι οι εκδότες τα κατάλληλα και πλήρη στοιχεία αναφοράς.

On Η υπηρεσία παραπομπής του Crossref δεν βρέθηκαν δεδομένα σχετικά με την αναφορά έργων (τελευταία προσπάθεια 2021-05-07 23:43:33).

Αυτό το Βιβλίο δημοσιεύεται στο Quantum στο πλαίσιο του Creative Commons Attribution 4.0 Διεθνής (CC BY 4.0) άδεια. Τα πνευματικά δικαιώματα παραμένουν στους κατόχους των πρωτότυπων δικαιωμάτων πνευματικής ιδιοκτησίας όπως οι δημιουργοί ή τα ιδρύματά τους

Πηγή: https://quantum-journal.org/papers/q-2021-05-04-452/

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Quantum Journal