Kvantahela silumine ja tundlikkuse analüüs kohalike inversioonide kaudu

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Fernando A. Calderon-Vargas¹, Timothy Proctor², Kenneth Rudinger²ja Mohan Sarovar¹

¹Sandia National Laboratories, Livermore, CA 94550, USA
²Quantum Performance Laboratory, Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM 87185, USA ja Livermore, CA 94550, USA

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

Abstraktne

Kuna nüüdisaegsete kvantprotsessorite poolt rakendatud kvantahelate laius ja sügavus kasvavad kiiresti, muutub ahela analüüs ja hindamine klassikalise simulatsiooni abil teostamatuks. Seetõttu on ülioluline välja töötada uued meetodid oluliste veaallikate tuvastamiseks suurtes ja keerulistes kvantahelates. Selles töös tutvustame tehnikat, mis määrab täpselt kvantahela lõigud, mis mõjutavad vooluringi väljundit kõige rohkem ja aitab seega tuvastada kõige olulisemad veaallikad. See meetod ei nõua ahela väljundi klassikalist kontrollimist ja on seega skaleeritav tööriist suurte kvantprogrammide silumiseks ahelate kujul. Demonstreerime pakutud tehnika praktilisust ja tõhusust, rakendades seda IBMi kvantmasinatel rakendatud algoritmiliste ahelate näitel.

Esiletõstetud pilt: tehnika $textit{local inversion}$ näitab, mil määral ahela $C$ igas $d$ kihis ($L$) esinevad vead häirivad väljundi tõenäosusjaotust. Selleks arvutatakse ahela $C$ väljundi tõenäosusjaotuse ja iga $d$ ahela $C^{(i)}$ tõenäosusjaotuse koguvariatsioonikaugused (TVD-d). Igas $C^{(i)}$ ahelas pöörame $i$-nda kihi ümber ja kordame seda nii, et $L_i$ vea puudumisel $L_i L_i^{-1} L_i=L_i$ . TVD suhteline suurus tõenäosusjaotuste $C$ ja $C^{(i)}$ vahel on võrdeline sellega, kui palju ahela tulemust häirivad kihi $L_i$ vead.

Populaarne kokkuvõte

Kubitiarvude ja käivitatavate kvantahela sügavuste kiire kasv jõuab peagi punkti, kus programmi edukuse määra täpne ennustamine ja veaallikate tuvastamine kvantahela rakendustes on praeguste meetoditega, mis põhinevad individuaalsel väravatasemel iseloomustusel, võimatuks. See töö tutvustab uudset in situ tööriista kvantahelate rakenduste silumiseks, mis tuvastab vooluahela kihid, mis mõjutavad vooluahela väljundit kõige rohkem, ja avastab ka ajast sõltuvad vearežiimid, nagu väravate halvenemine täitmise ajal. Meie tehnika põhineb üksikute vooluahela kihtide lokaalsel ümberpööramisel, mis võimendab ümberpööratud kihtides esinevaid vigu. Analüüsi, simulatsiooni ja IBM-i kvantarvutitega tehtud katsete abil näitame oma tehnika tõhusust ja praktilisust nende kihtide tuvastamisel, mis vooluringi väljundit kõige rohkem häirivad. Lisaks näitame, et antud kihi mõju ei sõltu mitte ainult kihi moodustavate väravate veamääradest, vaid ka kogu vooluahela struktuurist. Kavandatud tehnika on kasulik in situ diagnostika- ja silumistööriist üha keerukamate kvantalgoritmide juurutamiseks. )

► BibTeX-i andmed

@artikkel{CalderonVargas2023quantumcircuit, doi = {10.22331/q-2023-02-09-921}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-02-09-921}, ahel = {Quantum silumine ja tundlikkuse analüüs kohalike inversioonide kaudu}, autor = {Calderon-Vargas, Fernando A. ja Proctor, Timothy ja Rudinger, Kenneth ja Sarovar, Mohan}, ajakiri = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, väljaandja = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, maht = {7}, lehekülge = {921}, kuu = veebruar, aasta = {2023} }

► Viited

[1] IBM avalikustab läbimurdelise 127-kubitise kvantprotsessori https:///newsroom.ibm.com/2021-11-16-IBM-Unveils-Breakthrough-127-Qubit-Quantum-Processor.
https:///newsroom.ibm.com/2021-11-16-IBM-Unveils-Breakthrough-127-Qubit-Quantum-Processor

[2] Google'i uue kvantprotsessori Bristlecone eelvaade https:///ai.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html.
https:///ai.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html

[3] Philip Ball, Hiina füüsikud vaidlustavad Google'i kvanteelise, Nature 588, 380–380 (2020).
https://doi.org/10.1038/d41586-020-03434-7

[4] Rigetti, mida me ehitame, https:///www.rigetti.com/what-we-build.
https:///www.rigetti.com/what-we-build

[5] Matthew Treinish, Jay Gambetta jt, Qiskit/qiskit: Qiskit 0.28.0 (2021).
https:///doi.org/10.5281/zenodo.5096364

[6] Cirq Developers, Cirq (2021).
https:///doi.org/10.5281/ZENODO.5182845

[7] Peter J. Karalekas jt, PyQuil: Quantum programming in Python (2020).
https:///doi.org/10.5281/ZENODO.3631770

[8] Krysta Svore, Martin Roetteler, Alan Geller, Matthias Troyer, John Azariah, Christopher Granade, Bettina Heim, Vadym Kliuchnikov, Mariia Mykhailova ja Andres Paz, Q#: Scalable Quantum Computing and Development with High-level DSL, Proceedings of The Real World Domain Specific Languages Workshop 2018 on – RWDSL2018 (ACM Press, Viin, Austria, 2018) lk 1–10.
https:///doi.org/10.1145/3183895.3183901

[9] John Preskill, Quantum computing in NISQ ajastu ja kaugemal, Quantum 2, 79 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79

[10] Kaveh Khodjasteh, Daniel a. Lidar ja Lorenza Viola, Suvaliselt täpne dünaamiline juhtimine avatud kvantsüsteemides, Physical Review Letters 104, 090501 (2010).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.090501

[11] Edwin Barnes, Fernando A Calderon-Vargas, Wenzheng Dong, Bikun Li, Junkai Zeng ja Fei Zhuang, Dünaamiliselt korrigeeritud väravad geomeetrilistest ruumikõveratest, Quantum Science and Technology 7, 023001 (2022).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/ac4421

[12] J. True Merrill ja Kenneth R. Brown, Progress in Compensating Impulse Sequences for Quantum Computation, Quantum Information and Computation for Chemistry (John Wiley & Sons, Inc., 2014) lk 241–294, iSSN: 00652385.
https:///doi.org/10.1002/9781118742631.ch10

[13] Xin Wang, Lev S Bishop, J P Kestner, Edwin Barnes, Kai Sun ja S Das Sarma, Komposiitimpulsid singlett-triplettide kubittide jõuliseks universaalseks juhtimiseks., Nature communications 3, 997 (2012), väljaandja: Nature Publishing Group.
https:///doi.org/10.1038/ncomms2003

[14] Charles D. Hill, Robust Controlled-NOT Gates from Almost Any Interaction, Physical Review Letters 98, 180501 (2007), iSBN: 0031-9007; 0031-9007.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.180501

[15] F. A. Calderon-Vargas ja J. P. Kestner, CNOT-värava dünaamiline parandamine mis tahes süstemaatilise loogilise vea korral, Physical Review Letters 118, 150502 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.150502

[16] E. Knill, D. Leibfried, R. Reichle, J. Britton, R. B. Blakestad, J. D. Jost, C. Langer, R. Ozeri, S. Seidelin ja D. J. Wineland, Randomized benchmarking of quantum tes, Physical Review A 77, 10.1103 /physreva.77.012307 (2008).
https:///doi.org/10.1103/physreva.77.012307

[17] Eastwar Magesan, J. M. Gambetta ja Joseph Emerson, Kvantprotsesside skaleeritav ja tugev randomiseeritud võrdlusuuringud, Physical Review Letters 106, 10.1103/physrevlett.106.180504 (2011).
https:///doi.org/10.1103/physrevlett.106.180504

[18] Sarah Sheldon, Lev S. Bishop, Easwar Magesan, Stefan Filipp, Jerry M. Chow ja Jay M. Gambetta, Characterizing errors on qubit operations via iterative randomized benchmarking, Physical Review A 93, 012301 (2016).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.93.012301

[19] Yipeng Huang ja Margaret Martonosi, Statistilised väited mustrite valideerimiseks ja vigade leidmiseks kvantprogrammides, Proceedings of the 46th International Symposium on Computer Architecture (ACM, Phoenix Arizona, 2019), lk 541–553.
https:///doi.org/10.1145/3307650.3322213

[20] Ji Liu, Gregory T. Byrd ja Huiyang Zhou, Quantum Circuits for Dynamic Runtime Assertions in Quantum Computation, Proceedings of the Twenty Fifth International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems (ACM, Lausanne Switzerland, pp 2020). 1017–1030.
https:///doi.org/10.1145/3373376.3378488

[21] Gushu Li, Li Zhou, Nengkun Yu, Yufei Ding, Mingsheng Ying ja Yuan Xie, Projektsioonipõhised käitusaja väited Quantum programmide testimiseks ja silumiseks, Proceedings of the ACM on Programming Languages 4, 1–29 (2020).
https:///doi.org/10.1145/3428218

[22] Ji Liu ja Huiyang Zhou, Systematic Approaches for Precise and Approximate Quantum State Runtime Assertion, 2021. aastal IEEE International Symposium on High-Performance Computer Architecture (HPCA) (IEEE, Soul, Korea (Lõuna), 2021) – lk 179.
https:///doi.org/10.1109/HPCA51647.2021.00025

[23] Tudor Giurgica-Tiron, Yousef Hindy, Ryan LaRose, Andrea Mari ja William J. Zeng, Digital zero noise extrapolation for quantum error mitigation, 2020 IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE) (2020) lk. 306.
https:///doi.org/10.1109/QCE49297.2020.00045

[24] Alexander J. McCaskey, Zachary P. Parks, Jacek Jakowski, Shirley V. Moore, Titus D. Morris, Travis S. Humble ja Raphael C. Pooser, Kvantkeemia kui lähiaja kvantarvutite etalon, npj Quantum Information 5 , 1 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0209-0

[25] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A. de Jong ja Christian W. Bauer, Nullmüra ekstrapoleerimine kvantvärava vigade leevendamiseks identiteedi sisestamisega, Physical Review A 102, 012426 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.102.012426

[26] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone ja Sam Gutmann, Kvantligikaudne optimeerimisalgoritm, arXiv:1411.4028 (2014).
arXiv: 1411.4028v1

[27] Michael A. Nielsen ja Isaac L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information (Cambridge University Press, Cambridge, 2010).
https:///doi.org/10.1017/CBO9780511976667

[28] David C. McKay, Christopher J. Wood, Sarah Sheldon, Jerry M. Chow ja Jay M. Gambetta, Kvantarvutite tõhusad Z-väravad, Physical Review A 96, 022330 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.96.022330

[29] pyQAOA, https:///github.com/gregvw/pyQAOA.
https:///github.com/gregvw/pyQAOA

[30] Robin Blume-Kohout, John King Gamble, Erik Nielsen, Kenneth Rudinger, Jonathan Mizrahi, Kevin Fortier ja Peter Maunz, qubit-operatsioonide demonstreerimine, mis jäävad alla range tõrketaluvuse läve väravakomplekti tomograafiaga, Nature Communications 8, 1–13 (2017) .
https:///doi.org/10.1038/ncomms14485

[31] PyGSTi. Gate Set Tomography python-rakendus, https:///www.pygsti.info/.
https:///www.pygsti.info/

[32] Lukasz Cincio, Kenneth Rudinger, Mohan Sarovar ja Patrick J. Coles, Mürakindlate kvantahelate masinõpe, PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.010324

[33] Kenneth Rudinger, Timothy Proctor, Dylan Langharst, Mohan Sarovar, Kevin Young ja Robin Blume-Kohout, Probing Context-Dependent Errors in Quantum Processors, Physical Review X 9, 021045 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.9.021045

[34] EL Hahn, Spin Echoes, Physical Review 80, 580–594 (1950).
https:///doi.org/10.1103/PhysRev.80.580

[35] Timothy Proctor, Kenneth Rudinger, Kevin Young, Erik Nielsen ja Robin Blume-Kohout, Measuring the Capabilities of Quantum Computers, Nature Physics 18, 75 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41567-021-01409-7

[36] Kui sisendolek on arvutuslikule baasolekule (või sellele lähedane), on QFT-ga antud väljundjaotus peaaegu ühtlane, muutes meie tehnika ebaefektiivseks, nagu on arutatud jaotises Arutelu.

[37] Constantinos Daskalakis, Ilias Diakonikolas ja Rocco A. Servedio, Learning k-Modal Distributions via Testing, Theory of Computing 10, 535–570 (2014).
https:///doi.org/10.4086/toc.2014.v010a020

[38] Kristan Temme, Sergey Bravyi ja Jay M. Gambetta, Error Mitigation for Short-Depth Quantum Circuits, Physical Review Letters 119, 180509 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.180509

[39] Abhinav Kandala, Kristan Temme, Antonio D. Córcoles, Antonio Mezzacapo, Jerry M. Chow ja Jay M. Gambetta, Vigade leevendamine laiendab mürarikka kvantprotsessori arvutuslikku ulatust, Nature 567, 491–495 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1040-7

[40] Ewout van den Berg, Zlatko K. Minev, Abhinav Kandala ja Kristan Temme, Tõenäosuslik vigade tühistamine hõredate pauli-lindblad-mudelitega mürarikastel kvantprotsessoritel 10.48550/arxiv.2201.09866 (2022).
https:///doi.org/10.48550/arxiv.2201.09866

[41] Tirthak Patel, Daniel Silver ja Devesh Tiwari, Harta: Kvantahelate kõige kriitilisemate paisuoperatsioonide tuvastamine võimendatud paisu pööratavuse kaudu, rahvusvahelise kõrgjõudlusega andmetöötluse, võrkude loomise, salvestuse ja analüüsi konverentsi ettekannetes, SC '22 (IEEE Press , 2022).
https:///dl.acm.org/doi/abs/10.5555/3571885.3571904

[42] $ktimes ell$ maatriksi $A$ vektoriseerimist saab esitada lineaarse summana $mathrm{vec}(A) = summa_{i=1}^{ell} mathbf{e}_i otimes A mathbf{e}_i $, kus $mathbf{e}_i = [0,0,ldots ,1,dots ,0]^{mathrm{T}}]$ on $i$-s kanooniline alus $ell$-mõõtmelise ruumi jaoks. Maatriksi korrutise vektoriseeritud kuju annab $mathrm{vec}(ABC)=(C^{mathrm{T}}otimes A)mathrm{vec}(B)$, kus $B$ ($C$) on maatriks $ell korda m$ ($m korda n$).

[43] Robin Blume-Kohout, Marcus P. da Silva, Erik Nielsen, Timothy Proctor, Kenneth Rudinger, Mohan Sarovar ja Kevin Young, A Taxonomy of Small Markovian Errors, PRX Quantum 3, 020335 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.020335

[44] Daniel Greenbaum, Quantum Gate Set Tomography sissejuhatus, arXiv:1509.02921 [quant-ph] (2015), arXiv: 1509.02921.
arXiv: 1509.02921

[45] Jerry M. Chow, Jay M. Gambetta, A. D. Corcoles, Seth T. Merkel, John A. Smolin, Chad Rigetti, S. Poletto, George A. Keefe, Mary B. Rothwell, J. R. Rozen, Mark B. Ketchen ja M Steffen, Universaalne kvantvärava komplekt, mis läheneb ülijuhtivate kubitidega tõrketaluvusele läviväärtustele, Physical Review Letters 109, 060501 (2012).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.060501

[46] T. M. Cover ja Joy A. Thomas, Elements of Information theory, 2. väljaanne. (Wiley-Interscience, Hoboken, N.J, 2006).
https:///onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/047174882X

[47] Mohan Sarovar, Jun Zhang ja Lishan Zeng, Analoogkvantsimulatsiooni usaldusväärsus, EPJ Quantum Technology 4, 1 (2017).
https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-016-0054-4

[48] Yosef Hochberg, Teravam Bonferroni protseduur mitmete oluliste testide jaoks, Biometrika 75, 800–802 (1988).
https:///doi.org/10.1093/biomet/75.4.800

[49] E. L. Lehmann ja Joseph P. Romano, Statistiliste hüpoteeside testimine, 3. väljaanne, Springeri tekstid statistikas (Springer, New York, 2005).
https:///link.springer.com/book/10.1007/0-387-27605-X

Viidatud

[1] Tirthak Patel, Daniel Silver ja Devesh Tiwari, "HARTA: Kvantahelate kõige kriitilisemate väravaoperatsioonide tuvastamine võimendatud värava pööratavuse kaudu", arXiv: 2211.09903, (2022).

Ülaltoodud tsitaadid on pärit SAO/NASA KUULUTUSED (viimati edukalt värskendatud 2023-02-09 17:23:22). Loend võib olla puudulik, kuna mitte kõik väljaandjad ei esita sobivaid ja täielikke viiteandmeid.

Ei saanud tuua Ristviide viidatud andmete alusel viimase katse ajal 2023-02-09 17:23:20: 10.22331/q-2023-02-09-921 viidatud andmeid ei saanud Crossrefist tuua. See on normaalne, kui DOI registreeriti hiljuti.

See raamat on avaldatud Quantum all Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) litsents. Autoriõigus jääb algsetele autoriõiguste valdajatele, näiteks autoritele või nende institutsioonidele.

SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
Allikas: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-02-09-921/

Ajatempel: Veebruar 9, 2023

Ajatempel: Mar 28, 2024

Kvantahela silumine ja tundlikkuse analüüs kohalike inversioonide kaudu

Taasavaldanud Platon

Abstraktne

Populaarne kokkuvõte

► BibTeX-i andmed

► Viited

Viidatud

Veel alates Quantum Journal

Mõõtmishäiringute ja jäävuse seadused kvantmehaanikas

Hübriidne kvantalgoritm kooniliste ristumiskohtade tuvastamiseks

Piiratud vooluahelaga kudumine variatsioonilise kvantdünaamika jaoks

Stabilisaatori entroopiad ja mittestabilisaatori monotoonid

Suvaliste ülijuhtivate kvantahelate analüüs koos Pythoni paketiga: SQcircuit

Universaalne dekoodrite konstruktsioon mustade kastide kodeerimisest

Püsiv mittelokaalsus ülikülma aatomi keskkonnas

Variatsioonilised lahendused fermion-kubiti kaardistamiseks kahes ruumimõõtmes

Sidus tagasiside optomehaanilistes süsteemides külgriba lahendamata režiimis

Meist

Vertikaalne otsing ja Ai

Platvorm

Püsi ühenduses

konto