Kiire kvantahela lõikamine juhuslike mõõtmistega

Kiire kvantahela lõikamine juhuslike mõõtmistega

Allikasõlm: 1990460

Angus Lowe1,2, Matija Medvidović1,3,4, Anthony Hayes1, Lee J. O'Riordan1, Thomas R. Bromley1, Juan Miguel Arrazola1ja Nathan Killoran1

1Xanadu, Toronto, ON, M5G 2C8, Kanada
2Teoreetilise füüsika keskus, Massachusettsi Tehnoloogiainstituut, Cambridge, MA, 02139, USA
3Arvutusliku kvantfüüsika keskus, Flatiron Institute, New York, NY, 10010, USA
4Füüsika osakond, Columbia ülikool, New York, 10027, USA

Kas see artikkel on huvitav või soovite arutada? Scite või jätke SciRate'i kommentaar.

Abstraktne

Pakume välja uue meetodi kvantarvutuse suuruse laiendamiseks ühes seadmes saadaolevate füüsiliste kubittide arvust kaugemale. See saavutatakse juhusliku mõõtmise ja ettevalmistamise kanalite sisestamisega, et väljendada suure vooluahela väljundolekut eraldatava olekuna erinevate seadmete vahel. Meie meetod kasutab randomiseeritud mõõtmisi, mille tulemuseks on üldkulu, mis on $widetilde{O}(4^k / varepsilon ^2)$, kus $varepsilon $ on arvutuse täpsus ja $k$ paralleelsete juhtmete arv. "lõigata", et saada väiksemaid alamahelaid. Samuti näitame mis tahes võrreldava protseduuri jaoks teabeteoreetilist alampiiri $Omega(2^k / varepsilon ^2)$. Kasutame oma tehnikaid, et näidata, et kvantipõhise optimeerimise algoritmi (QAOA) ahelaid $p$ takerduvate kihtidega saab simuleerida ahelatega, mis on murdosa algsest kubitite arvust, mille üldkulu on ligikaudu $2^{O(pkappa) }$, kus $kappa$ on optimeerimisprobleemi kodeeriva graafiku teadaoleva tasakaalustatud tipu eraldaja suurus. Saame arvulisi tõendeid praktiliste kiirendamiste kohta, kasutades meie QAOA-le rakendatud meetodit, võrreldes varasema tööga. Lõpuks uurime ahela lõikamise protseduuri praktilist teostatavust suuremahuliste QAOA probleemide korral rühmitatud graafikutel, kasutades $ 30 $ qubit simulaatorit, et hinnata $ 129 $ qubit probleemi variatsioonienergiat ja teostada $ 62 $ -qubit optimeerimine.

► BibTeX-i andmed

► Viited

[1] https://​/​github.com/​XanaduAI/​randomized-measurements-circuit-cutting (2022).
https://​/​github.com/​XanaduAI/​randomized-measurements-circuit-cutting

[2] Scott Aaronson ja Daniel Gottesman “Stabilisaatoriahelate täiustatud simulatsioon” Phys. Rev. A 70, 052328 (2004).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.70.052328

[3] J. Avron, Ofer Casper ja Ilan Rozen, "Kvantieelis ja müra vähendamine hajutatud kvantarvutuses" Phys. Rev. A 104, 052404 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.104.052404

[4] Thomas Ayral, François-Marie Le Régent, Zain Saleem, Juri Aleksejev ja Martin Suchara, „Quantum Divide and Compute: Hardware Demonstrations and Noisy Simulations” 2020 IEEE Computer Society Annual Symposium on VLSI (ISVLSI) 138–140 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1109/​ISVLSI49217.2020.00034

[5] F. Barratt, James Dborin, Matthias Bal, Vid Stojevic, Frank Pollmann ja AG Green, “Parallel quantum simulation of large systems on small NISQ computers” npj Quantum Information 7, 79 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-021-00420-3

[6] Ville Bergholm, Josh Izaac, Maria Schuld, Christian Gogolin, Shahnawaz Ahmed, Vishnu Ajith, M. Sohaib Alam, Guillermo Alonso-Linaje, B. AkashNarayanan, Ali Asadi, Juan Miguel Arrazola, Utkarsh Carsten, Thomas R, Blank Banning Bromley, Benjamin A. Cordier, Jack Ceroni, Alain Delgado, Olivia Di Matteo, Amintor Dusko, Tanya Garg, Diego Guala, Anthony Hayes, Ryan Hill, Aroosa Ijaz, Theodor Isacsson, David Ittah, Soran Jahangiri, Prateek Jain, Edward Jiang, Ankit Khandelwal, Korbinian Kottmann, Robert A. Lang, Christina Lee, Thomas Loke, Angus Lowe, Keri McKiernan, Johannes Jakob Meyer, JA Montañez-Barrera, Romain Moyard, Zeyue Niu, Lee James O'Riordan, Steven Oud, Ashish Panigrahi, Chae-Yeun Park, Daniel Polatajko, Nicolás Quesada, Chase Roberts, Nahum Sá, Isidor Schoch, Borun Shi, Shuli Shu, Sukin Sim, Arshpreet Singh, Ingrid Strandberg, Jay Soni, Antal Száva, Slimane Thabet, Rodrigo A. Vargas-Hernández , Trevor Vincent, Nicola Vitucci, Maurice Weber, David Wierichs, Roeland Wier sema, Moritz Willmann, Vincent Wong, Shaoming Zhang ja Nathan Killoran, "PennyLane: Automatic differentiation of hybrid quantum-classical computations" (2018).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.1811.04968
https://​/​arxiv.org/​abs/​1811.04968

[7] Sergey Bravyiand David Gosset "Clifford Gates'i domineerivate kvantahelate täiustatud klassikaline simulatsioon" Phys. Rev. Lett. 116, 250501 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.116.250501

[8] Sergey Bravyi, David Gosset ja Ramis Movassagh, "Kvantkeskmiste väärtuste klassikalised algoritmid" Nature Physics 17, 337–341 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-020-01109-8

[9] Sergey Bravyi, Graeme Smith ja John A. Smolin, “Klassikaliste ja kvantarvutusressurssidega kauplemine” Phys. Rev. X 6, 021043 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.6.021043

[10] Sergey Bravyi, Alexander Kliesch, Robert Koenig ja Eugene Tang, "Takistused variatsioonikvantide optimeerimiseks sümmeetriakaitsest" Phys. Rev. Lett. 125, 260505 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.125.260505

[11] Sergey Bravyi, Dan Browne, Padraic Calpin, Earl Campbell, David Gosset ja Mark Howard, "Kvantahelate simuleerimine madala astme stabilisaatorite lagunemise teel" Quantum 3, 181 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-09-02-181

[12] Thang Nguyen Buiand Curt Jones “Heade ligikaudsete tipu- ja servapartitsioonide leidmine on NP-raske” Information Processing Letters 42, 153–159 (1992).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0020-0190(92)90140-Q
https://​/​www.sciencedirect.com/​science/​article/​pii/​002001909290140Q

[13] Francesco Buscemi ja Nilanjana Datta „Suvalise korrelatsioonimüraga kanalite kvantvõimsus” IEEE Transactions on Information Theory 56, 1447–1460 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2009.2039166

[14] Senrui Chen, Wenjun Yu, Pei Zeng ja Steven T. Flammia, "Robust Shadow Estimation" PRX Quantum 2, 030348 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.030348

[15] Andrew M. Childs, Yuan Su, Minh C. Tran, Nathan Wiebe ja Shuchen Zhu, "Traavli vea teooria kommutaatori skaleerimisel" Physical Review X 11 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevx.11.011020

[16] Thomas M. Coverand Joy A. Thomas “Infoteooria elemendid” Wiley (2005).
https://​/​doi.org/​10.1002/​047174882x

[17] Vedran Dunjko, Yimin Ge ja J. Ignacio Cirac, "Arvutuskiirused väikeste kvantseadmete abil" Phys. Rev. Lett. 121, 250501 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.121.250501

[18] Andreas Elben, Steven T. Flammia, Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng, John Preskill, Benoît Vermersch ja Peter Zoller, „Juhusliku mõõtmise tööriistakast” (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2203.11374
https://​/​arxiv.org/​abs/​2203.11374

[19] Leo Fang, Andreas Hehn, Harun Bayraktar ja Sam Stanwyck, „NVIDIA/​cuQuantum: cuQuantum v22.05.0” (2022).
https://​/​doi.org/​10.5281/​zenodo.6574510

[20] Robert M. Fano “Teabe edastamine: kommunikatsiooni statistiline teooria”, MIT Press (1966).

[21] Edward Farhi, David Gamarnik ja Sam Gutmann, "Kvantligikaudne optimeerimisalgoritm peab nägema kogu graafikut: tüüpiline juhtum" (2020).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2004.09002
https://​/​arxiv.org/​abs/​2004.09002

[22] Edward Farhi, David Gamarnik ja Sam Gutmann, „Kvantligikaudne optimeerimisalgoritm peab nägema kogu graafikut: halvimate juhtumite näited” (2020).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2005.08747
https://​/​arxiv.org/​abs/​2005.08747

[23] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone ja Sam Gutmann, "A Quantum Approximate Optimization Algorithm" (2014).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.1411.4028
https://​/​arxiv.org/​abs/​1411.4028

[24] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone ja Sam Gutmann, „A Quantum Approximate Optimization Algorithm Applied to a Bounded Occurrence Constraint Problem” (2014).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.1412.6062
https://​/​arxiv.org/​abs/​1412.6062

[25] Edward Farhiand Aram W Harrow „Kvantülemuslikkus kvantumbkaudse optimeerimisalgoritmi kaudu“ (2016).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.1602.07674
https://​/​arxiv.org/​abs/​1602.07674

[26] Uriel Feige, MohammadTaghi Hajiaghayi ja James R. Lee, "Minimaalse kaaluga tippude eraldajate täiustatud lähendusalgoritmid" SIAM Journal on Computing 38, 629–657 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1137/​05064299X

[27] Johnnie Gray ja Stefanos Kourtis "Hüperoptimeeritud tensorvõrgu kokkutõmbumine" Quantum 5, 410 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-03-15-410

[28] M Guţă, J Kahn, R Kueng ja JA Tropp, "Kiire oleku tomograafia optimaalsete veapiiridega" Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 53, 204001 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1751-8121/​ab8111

[29] Jeongwan Haah, Aram W. Harrow, Zhengfeng Ji, Xiaodi Wu ja Nengkun Yu, “Sample-Optimal Tomography of Quantum States” IEEE Transactions on Information Theory 63, 5628–5641 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2017.2719044

[30] Stuart Hadfield, Zhihui Wang, Bryan O'Gorman, Eleanor G. Rieffel, Davide Venturelli ja Rupak Biswas, „Kvantligikaudsest optimeerimisalgoritmist kuni kvantvahelduva operaatori Ansatzini” Algoritmid 12 (2019).
https://​/​doi.org/​10.3390/​a12020034
https:/​/​www.mdpi.com/​1999-4893/​12/​2/​34

[31] Michael Horodecki, Peter W. Shor ja Mary Beth Ruskai, „Entanglement Breaking Channels” Reviews in Mathematical Physics 15, 629–641 (2003).
https://​/​doi.org/​10.1142/​S0129055X03001709

[32] Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng ja John Preskill, "Kvantsüsteemi paljude omaduste ennustamine väga väheste mõõtmiste põhjal" Nature Physics 16, 1050–1057 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-020-0932-7

[33] William Huggins, Piyush Patil, Bradley Mitchell, K Birgitta Whaley ja E Miles Stoudenmire, „Tensorvõrkudega kvantmasina õppimise poole”, Quantum Science and Technology 4, 024001 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​aaea94

[34] Richard Kuengand David Gross "Qubiti stabilisaatori olekud on keerulised projektiivsed 3-kujundused" (2015).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.1510.02767
https://​/​arxiv.org/​abs/​1510.02767

[35] Junde Li, Mahabubul Alam ja Swaroop Ghosh, „Large-scale Quantum Approximate Optimization via Divide-and-Conquer” (2021).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2102.13288
https://​/​arxiv.org/​abs/​2102.13288

[36] Seth Lloyd, Maria Schuld, Aroosa Ijaz, Josh Izaac ja Nathan Killoran, „Quantum embeddings for machine learning” (2020).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2001.03622
https://​/​arxiv.org/​abs/​2001.03622

[37] Angus Lowe ja Ashwin Nayak "Kvantolekute õppimise alumised piirid ühe koopia mõõtmistega" (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2207.14438
https://​/​arxiv.org/​abs/​2207.14438

[38] Danylo Lykov, Jonathan Wurtz, Cody Poole, Mark Saffman, Tom Noel ja Juri Aleksejev, „Sampling Frequency Thresholds for Quantum Advantage of Quantum Approximate Optimization Algorithm” (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2206.03579
https://​/​arxiv.org/​abs/​2206.03579

[39] Igor L. Markovand Yaoyun Shi “Simulating Quantum Computation by Contracting Tensor Networks” SIAM Journal on Computing 38, 963–981 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1137/​050644756

[40] Simon C. Marshall, Casper Gyurik ja Vedran Dunjko, “Kõrgmõõtmeline kvantmasinõpe väikeste kvantarvutitega” (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2203.13739
https://​/​arxiv.org/​abs/​2203.13739

[41] Matija Medvidović ja Giuseppe Carleo “Kvantligikaudse optimeerimise algoritmi klassikaline variatsioonisimulatsioon” npj Quantum Information 7 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41534-021-00440-z

[42] Kosuke Mitarai ja Keisuke Fujii "Virtuaalse kahe kubitise värava konstrueerimine ühe kubiti operatsioonide valimi abil" New Journal of Physics 23, 023021 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​abd7bc

[43] Kosuke Mitarai ja Keisuke Fujii "Üldkulud mittekohaliku kanali simuleerimiseks kohalike kanalitega kvaasitõenäosuse valimi abil" Quantum 5, 388 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-28-388

[44] Philipp Moritz, Robert Nishihara, Stephanie Wang, Alexey Tumanov, Richard Liaw, Eric Liang, Melih Elibol, Zongheng Yang, William Paul, Michael I. Jordan ja Ion Stoica, "Ray: A Distributed Framework for Emerging AI Applications" (2017) .
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.1712.05889
https://​/​arxiv.org/​abs/​1712.05889

[45] Hakop Pashayan, Joel J. Wallman ja Stephen D. Bartlett, “Kvantahelate tulemustõenäosuste hindamine kvaasitõenäosuste abil” Phys. Rev. Lett. 115, 070501 (2015).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.115.070501

[46] Tianyi Peng, Aram W. Harrow, Maris Ozols ja Xiaodi Wu, „Suurte kvantahelate simuleerimine väikeses kvantarvutis” Physical Review Letters 125 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.125.150504

[47] Michael A. Perlin, Zain H. Saleem, Martin Suchara ja James C. Osborn, "Kvantahela lõikamine maksimaalse tõenäosusega tomograafiaga" npj Quantum Information 7 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-021-00390-6

[48] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J. Love, Alán Aspuru-Guzik ja Jeremy L. O'Brien, "Variatsiooniline omaväärtuse lahendaja fotoonilisel kvantprotsessoril" Nature Communications 5 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms5213

[49] Christophe Piveteau ja David Sutter “Klassikalise suhtlusega ringkudumine” (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2205.00016
https://​/​arxiv.org/​abs/​2205.00016

[50] Zain H. Saleem, Teague Tomesh, Michael A. Perlin, Pranav Gokhale ja Martin Suchara, „Quantum Divide and Conquer for Combinatorial Optimization and Distributed Computing” (2021).
arXiv: 2107.07532

[51] Igal Sasonand Sergio Verdú “$f$ -Divergensi ebavõrdsus” IEEE Transactions on Information Theory 62, 5973–6006 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2016.2603151

[52] Maria Schuld, Alex Bocharov, Krysta M. Svore ja Nathan Wiebe, "Circuit-centric quantum klassifikaatorid" Physical Review A 101 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.101.032308

[53] Maria Schuld, Ville Bergholm, Christian Gogolin, Josh Izaac ja Nathan Killoran, "Analüütiliste gradientide hindamine kvantriistvaras" Phys. Rev. A 99, 032331 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.99.032331

[54] Hayk Shoukourian, Torsten Wilde, Axel Auweter ja Arndt Bode, „Tugeva ja nõrga skaleerimisega HPC rakenduste energia- ja energiatarbimise prognoosimine” Supercomputing Frontiers and Innovations 1, 20–41 (2014).
https://​/​doi.org/​10.14529/​jsfi140202

[55] Wei Tangand Margaret Martonosi “ScaleQC: A Scaleable Framework for Hybrid Computation on Quantum and Classical Processors” (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2207.00933
https://​/​arxiv.org/​abs/​2207.00933

[56] Ewout Van Den Berg „Lihtne meetod juhuslike Cliffordi operaatorite valimi võtmiseks” 2021. aasta IEEE rahvusvaheline kvantarvutus- ja tehnikakonverents (QCE) 54–59 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1109/​QCE52317.2021.00021

[57] Zhihui Wang, Stuart Hadfield, Zhang Jiang ja Eleanor G. Rieffel, “MaxCut’i kvantiumbkaudne optimeerimisalgoritm: fermiooniline vaade” Phys. Rev. A 97, 022304 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.97.022304

[58] John Watrous “Kvantinformatsiooni teooria” Cambridge University Press (2018).
https://​/​doi.org/​10.1017/​9781316848142

[59] Zak Webb “Cliffordi grupp moodustab ühtse 3-disaini” (2015).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.1510.02769
https://​/​arxiv.org/​abs/​1510.02769

[60] Roeland Wiersema, Leonardo Guerini, Juan Felipe Carrasquilla ja Leandro Aolita, "Circuit connectivity boosts by quantum-classical-quantum interfaces" (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2203.04984
https://​/​arxiv.org/​abs/​2203.04984

[61] Xiao Yuan, Jinzhao Sun, Junyu Liu, Qi Zhao ja You Zhou, "Kvantsimulatsioon hübriidtensorvõrkudega" Phys. Rev. Lett. 127, 040501 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.127.040501

[62] Huangjun Zhu "Multiqubit Cliffordi rühmad on ühtsed 3-disainid" Phys. Rev. A 96, 062336 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.96.062336

Viidatud

[1] Lirandë Pira ja Chris Ferrie, "Kutse hajutatud kvantnärvivõrkudele", arXiv: 2211.07056, (2022).

[2] Lukas Brenner, Christophe Piveteau ja David Sutter, "Optimaalne traadi lõikamine klassikalise sidega", arXiv: 2302.03366, (2023).

[3] Matthew DeCross, Eli Chertkov, Megan Kohagen ja Michael Foss-Feig, "Qubit-reuse kompilatsioon koos vooluringi keskmise mõõtmise ja lähtestamisega", arXiv: 2210.08039, (2022).

[4] Christian Ufrecht, Maniraman Periyasamy, Sebastian Rietsch, Daniel D. Scherer, Axel Plinge ja Christopher Mutschler, "Mitme juhtimisega kvantväravate lõikamine ZX-arvutusega", arXiv: 2302.00387, (2023).

[5] Marvin Bechtold, Johanna Barzen, Frank Leymann, Alexander Mandl, Julian Obst, Felix Truger ja Benjamin Weder, "QAOA vooluringi lõikamise mõju uurimine MaxCuti probleemi korral NISQ-seadmetes". arXiv: 2302.01792, (2023).

[6] Ritajit Majumdar ja Christopher J. Wood, "Viga leevendatud kvantahela lõikamine", arXiv: 2211.13431, (2022).

[7] Daniel T. Chen, Zain H. Saleem ja Michael A. Perlin, "Quantum Divide and Conquer for Classical Shadows", arXiv: 2212.00761, (2022).

[8] Gideon Uchehara, Tor M. Aamodt ja Olivia Di Matteo, "Pöörlemisest inspireeritud vooluringi lõikamise optimeerimine", arXiv: 2211.07358, (2022).

[9] Carlos A. Riofrío, Oliver Mitevski, Caitlin Jones, Florian Krellner, Aleksandar Vučković, Joseph Doetsch, Johannes Klepsch, Thomas Ehmer ja Andre Luckow, „Kvantgeneratiivsete mudelite jõudluse iseloomustus“, arXiv: 2301.09363, (2023).

[10] Diego Guala, Shaoming Zhang, Esther Cruz, Carlos A. Riofrío, Johannes Klepsch ja Juan Miguel Arrazola, „Praktiline ülevaade kujutiste klassifitseerimisest variatsioonitensor-võrgu kvantahelatega”, arXiv: 2209.11058, (2022).

Ülaltoodud tsitaadid on pärit SAO/NASA KUULUTUSED (viimati edukalt värskendatud 2023-03-03 16:49:02). Loend võib olla puudulik, kuna mitte kõik väljaandjad ei esita sobivaid ja täielikke viiteandmeid.

On Crossrefi viidatud teenus teoste viitamise andmeid ei leitud (viimane katse 2023-03-03 16:49:00).

Ajatempel:

Veel alates Quantum Journal