Virheiden lieventäminen lyhytaikaisessa kvanttifotonisessa laitteessa

Aikaleima: 4. toukokuuta 2021 klo 7
Lähdesolmu: 844782

Daiqin Su1, Robert Israel1, Kunal Sharma2, Haoyu Qi1, Ish Dhand1ja Kamil Brádler1

1Xanadu, Toronto, Ontario, M5G 2C8, Kanada
2Hearne-teoreettisen fysiikan instituutti sekä fysiikan ja tähtitieteen laitos, Louisiana State University, Baton Rouge, LA USA

Onko tämä artikkeli mielenkiintoinen vai haluatko keskustella? Scite tai jätä kommentti SciRate.

Abstrakti

Fotonihäviö on tuhoavaa kvanttifotonijärjestelmien suorituskyvylle ja siksi fotonihäviön vaikutusten tukahduttaminen on ensiarvoisen tärkeää fotonikvanttiteknologioille. Esitämme kaksi kaaviota fotonihäviön vaikutusten lieventämiseksi Gaussian Bosonin näytteenottolaitteelle, erityisesti näytteenottotodennäköisyyksien estimoinnin parantamiseksi. Sen sijaan, että käytettäisimme laitteistoresurssien yleiskustannuksiltaan kalliita virhekorjauskoodeja, järjestelmämme edellyttävät vain vähän laitteistomuutoksia tai edes ilman muutoksia. Häviönpoistotekniikkamme perustuvat joko ylimääräisten mittaustietojen keräämiseen tai klassiseen jälkikäsittelyyn, kun mittaustiedot on saatu. Osoitamme, että klassisen jälkikäsittelyn kohtuullisilla kustannuksilla fotonihäviön vaikutuksia voidaan vaimentaa merkittävästi tietyn määrän menetyksiä vastaan. Ehdotetut järjestelmät ovat siten avaintekijä lyhytaikaisten fotonisten kvanttilaitteiden sovelluksissa.

Esillä oleva kuva: Vähennä fotonihäviön vaikutusta kaksimoodisessa puristetussa tyhjiötilassa. Tässä $ P ([n, n]) $ on todennäköisyys havaita fotonilukumalli $ [n, n] $.

Suosittu yhteenveto

Gaussin bosoninäytteenottolaite (GBS) on yksi lupaavimmista kvanttifotonisista laitteista. Sitä on äskettäin käytetty osoittamaan kvanttilaskennan etu klassisiin tietokoneisiin nähden tietyssä näytteenotto-ongelmassa. GBS-laite voi löytää lähitulevaisuudessa myös käytännön sovelluksia, esimerkiksi molekyylitelakointiongelmien ratkaisemisessa. Kuitenkin fotonihäviö heikentää dramaattisesti GBS-laitteen suorituskykyä. Periaatteessa fotonihäviö voidaan korjata käyttämällä kvanttivirheenkorjauskoodeja, mutta nämä koodit tuovat suuren resurssiyksikön. Tässä työssä ehdotetaan kahta mallia fotonihäviön vaikutusten lieventämiseksi lähiajan GBS-laitteelle pienellä laitteistomuutoksella tai jopa ilman muutoksia. Maksettava hinta on suorittaa useita kokeita ja klassinen jälkikäsittely. Tässä työssä havaitaan, että fotonihäviön vaikutus voidaan huomattavasti tukahduttaa kohtuullisella määrällä klassisia resursseja. Siksi ehdotetut menetysmenetelmät ovat välttämättömiä kvanttifotonitekniikoiden lähiaikoina käytettäessä.

► BibTeX-tiedot

► Viitteet

[1] AG Fowler, M. Mariantoni, JM Martinis ja AN Cleland, Pintakoodit: Kohti käytännöllistä laajamittaista kvanttilaskentaa, Phys. Rev. A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[2] J. Preskill, Quantum Computing NISQ-aikakaudella ja sen jälkeen, Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[3] Boixo, SV Isakov, VN Smelyanskiy, R.Babbush, N.Ding, Z.Jiang, MJ Bremner, JM Martinis ja H.Neven, Luonteenomainen kvantti-ylivalta lyhytaikaisissa laitteissa, Nature Physics 14, 595 (2018) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-018-0124-x

[4] S. Aaronson ja L. Chen, Kvanttivaltiuskokeiden monimutkaisuusteoreettiset perustukset, arXiv: 1612.05903.
arXiv: 1612.05903v1

[5] F.Arute et ai., Quantum-valta-asema ohjelmoitavaa suprajohtavaa prosessoria käyttäen, Nature 574, 505 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[6] MJ Bremner, R.Jozsa ja DJ Shepherd, Kvanttilaskennan klassinen simulointi merkitsee polynomihierarkian romahtamista, Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 467, 459 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2010.0301

[7] MJ Bremner, A.Montanaro ja DJ Shepherd, Keskimääräinen tapauksen monimutkaisuus vs. likimääräinen simulaatio työmatkoista kvanttilaskennoista, Phys. Tohtori Lett. 117, 080501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.080501

[8] MJ Bremner, A.Montanaro ja DJ Shepherd, Kvantti-ylivallan saavuttaminen harvoilla ja meluisilla työmatkoilla kvanttilaskennoilla, Quantum 1, 8 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-04-25-8

[9] S.Aronson, A.Arhipov, Lineaarisen optiikan laskennallinen monimutkaisuus, Proceedings of the Fourth-333rd Annual ACM symposium on Theory of computing, 342-2011 (XNUMX).
https: / / doi.org/ 10.1145 / +1993636.1993682

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

[11] S. Rahimi-Keshari, AP Lund ja TC Ralph, What Quantum Optics Say about Computational Complexity Theory ?, Phys. Tohtori Lett. 114, 060501 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.060501

[12] S. Rahimi-Keshari, TC Ralph ja CM-luolat, riittävät olosuhteet kvanttioptiikan tehokkaaseen klassiseen simulointiin, Phys. Rev. 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.Aspur-Guzik ja JL O'brien, muunneltavan ominaisarvon ratkaisija fotonikvanttisuorittimessa, Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[14] E. Farhi, J. Goldstone ja S. Gutmann, kvantti-likimääräinen optimointialgoritmi, arXiv: 1411.4028.
arXiv: 1411.4028

[15] E.Farhi ja AW Harrow, Quantum-ylivalta kvantti-likimääräisen optimointialgoritmin kautta, arXiv: 1602.07674.
arXiv: 1602.07674

[16] K. Temme, S. Bravyi ja JM Gambetta, Lyhyen syvyyden kvanttipiirien virheiden lieventäminen, Phys. Tohtori Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[17] Y. Li ja SC Benjamin, tehokas vaihteleva kvanttisimulaattori, joka sisältää aktiivisen virheen minimoinnin, Phys. Rev. X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[18] A. Kandala, K. Temme, AD Córcoles, A. Mezzacapo, JM Chow ja JM Gambetta, Virheiden lieventäminen laajentaa meluisen kvanttiprosessorin laskennallista ulottuvuutta, Nature 567, 491 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[19] S. Endo, SC Benjamin ja Y. Li, käytännön kvanttivirheiden lieventäminen lähitulevaisuuden sovelluksissa, Phys. Rev. X 8, 031027 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.031027

[20] C. Song, J.Cui, H.Wang, J.Hao, H.Feng, H. ja Li, Ying, Kvanttilaskenta universaalilla virheiden lieventämisellä suprajohtavalla kvanttiprosessorilla, Science Advances 5, (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[21] Zhang, Y.Lu, K.Zhang, W.Chen, Y.Li, J.Zhang ja K.Kim, virheitä lieventävät kvanttiportit, jotka ylittävät fyysisen uskollisuuden loukkuun jääneessä ionijärjestelmässä, Nature Communications 11, 1 ( 2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[22] X. Bonet-Monroig, R.Sagastizabal, M.Singh ja TE O'Brien, edullisten virheiden lieventäminen symmetriatodennuksella, Phys. Ilm.A 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, varapuheenjohtaja Ostroukh, N. Muthusubramanian, A. Bruno, M. Beekman, N. Haider, TE O'Brien ja L. DiCarlo, kokeellinen virheiden lieventäminen symmetrian todentamisen avulla variaatiokvantti-eigensolverissa, Phys. Rev. 100, 010302 (R) (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.010302

[24] S. McArdle, X. Yuan ja S. Benjamin, virheitä lieventävä digitaalinen kvanttisimulaatio, Phys. Tohtori Lett. 122, 180501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.180501

[25] X. Bonet-Monroig, R.Sagastizabal, M.Singh ja TE O'Brien, edullisten virheiden lieventäminen symmetriatodennuksella, Phys. Ilm.A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

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

[27] JR McClean, J. Romero, R. Babbush ja A. Aspuru-Guzik, The variant of variational hybrid kvantti-klassiset algoritmit, New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

[28] K.Sharma, S.Khatri, M.Cerezo ja PJ Coles, Variational quantum compilingin melutasoisuus, New Journal of Physics 22, 043006 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ab784c

[29] L.Cincio, K.Rudinger, M.Sarovar ja PJ Coles, melua kestävien kvanttipiirien koneoppiminen, PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[30] Y. Chen, M. Farahzad, S. Yoo ja T. Wei, detektoritomografia IBM: n kvanttitietokoneissa ja epätäydellisen mittauksen lieventäminen, Phys. Ilmoitus A 100, 052315 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052315

[31] MR Geller ja M.Sun, monikiekkomittausvirheiden tehokas korjaus, arXiv: 2001.09980.
arXiv: 2001.09980

[32] L. Funcke, T. Hartung, K. Jansen, S. Kühn, P. Stornati ja X. Wang, Mittausvirheiden vähentäminen kvanttitietokoneissa klassisen bittikäännön korjauksen avulla, arXiv: 2007.03663.
arXiv: 2007.03663

[33] H. Kwon ja J. Bae, Hybridi-kvantti-klassinen lähestymistapa kvanttialgoritmien mittausvirheiden lieventämiseen, IEEE Transactions on Computers (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009664

[34] JR McClean, ME Kimchi-Schwartz, J.Carter ja WA de Jong, Hybridi kvanttiklassinen hierarkia dekoherenssin lieventämiseksi ja viritettyjen tilojen määrittämiseksi, Phys. Ilm.A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[35] J. Sun, X. Yuan, T. Tsunoda, V. Vedral, SC Bejamin ja S. Endo, Realistisen melun lieventäminen käytännöllisissä meluisissa keskiasteen kvanttilaitteissa, Phys. Rev. Applied 15, 034026 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034026

[36] Strikis, D. Qin, Y. Chen, BC Benjamin ja Y. Li, oppimiseen perustuva kvanttivirheiden lieventäminen, arXiv: 2005.07601.
arXiv: 2005.07601

[37] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles ja L. Cincio, Virheiden vähentäminen Cliffordin kvanttipiiritiedoilla, arXiv: 2005.10189.
arXiv: 2005.10189

[38] A. Zlokapa ja A. Gheorghiu, Syvä oppimismalli melun ennustamiseksi lyhytaikaisissa kvanttilaitteissa, arXiv: 2005.10811.
arXiv: 2005.10811

[39] J. Arrazola ja TR Bromley, käyttävät Gaussian Boson -näytteenottoa tiheiden aligrafien löytämiseen, Phys. Tohtori Lett. 121, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.030503

[40] K. Brádler, S. Friedland, J. Izaac, N. Killoran ja D. Su, graafinen isomorfismi ja Gaussin bosoninäytteet, Spec. Matriisit 9, 166 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1515 / spma-2020-0132

[41] M. Schuld, K. Brádler, R. Israel, D. Su ja B. Gupt, Kuvaajien samankaltaisuuden mittaaminen Gaussin bosoninäytteenottimella, Phys. Rev. 101, 032314 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032314

[42] K. Brádler, R. Israel, M. Schuld ja D. Su, kaksinaisuus Gaussin bosoninäytteen ytimessä, arXiv: 1910.04022.
arXiv: 1910.04022v1

[43] C. Weedbrook, S. Pirandola, R. García-Patrón, NJ Cerf, TC Ralph, JH Shapiro ja S. Lloyd, Gaussin kvanttitiedot, Rev. Mod. Phys. 84, 621 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.84.621

[44] K. Brádler, P. Dallaire-Demers, P. Rebentrost, D. Su ja C. Weedbrook, Gaussin bosoninäytteenotto mielivaltaisten kaavioiden täydelliseen sovittamiseen, Phys. Ilm.A 98, 032310 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032310

[45] H. Qi, DJ Brod, N. Quesada ja R. García-Patrón, Noisy Gaussian Boson Samplingin klassisen simuloitavuuden järjestelmät, Phys. Tohtori Lett. 124, 100502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.100502

[46] WR Clements, PC Humphreys, BJ Metcalf, WS Kolthammer ja IA Walsmley, optimaalinen muotoilu universaaleille moniporttisille interferometreille, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[47] M. Reck, A. Zeilinger, HJ Bernstein ja P. Bertani, minkä tahansa erillisen yksikön operaattorin kokeellinen toteutus, Phys. Tohtori Lett. 73, 58 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

[48] M. Jacques, A.Samani, E.El-Fiky, D.Patel, X.Zhenping, and DV Plant, Thermo-Optic Phase-Shifter Design and Optimization of Thermo Crosstalk SOI-alustalla, Opt. Express 27, 10456 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.27.010456

[49] Serafini, Jatkuvat kvanttimuuttujat: teoreettisten menetelmien pohja (CRC Press, 2017).

[50] J.Huh, GG Guerreschi, B.Peropadre, JR McClean ja A.Aspuru-Guzik, Bosonin näytteenotto molekyylivärähtelyspektreille, 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 ja AG White, Lineaaristen-optisten verkkojen suora karakterisointi, Opt. Express 21, 13450 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.21.013450

[52] V. Giovannetti, AS Holevo, ja R. García-Patrón, ratkaisu Gaussian optimoijan arveluihin kvanttikanaville, Commun. Matematiikka. Phys. 334, 1553 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-014-2150-6

[53] R.García-Patrón, J.Renema ja V.Schesnovich, Bosoninäytteen simulointi häviöllisissä arkkitehtuureissa, 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 ja I. Jex, Yksityiskohtainen tutkimus Gaussin bosoninäytteistä, Phys. Rev. 100, 032326 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032326

Viitattu

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

[2] Tyler Volkoff, Zoë Holmes ja Andrew Sornborger, "Universal compiling and (No-) Free-Lunch theorems for jatkuvasti variable quantum learning", arXiv: 2105.01049.

[3] Shreya P.Kumar, Leonhard Neuhaus, Lukas G.Helt, Haoyu Qi, Blair Morrison, Dylan H.Mahler ja Ish Dhand, "Lineaaristen optioiden epätäydellisyyksien lieventäminen porttien allokoinnin ja kokoamisen kautta", arXiv: 2103.03183.

[4] Saad Yalouz, Bruno Senjean, Filippo Miatto ja Vedran Dunjko, "Koodaavat voimakkaasti korreloivia monen bosonin aaltofunktioita fotonikvanttitietokoneessa: sovellus houkuttelevaan Bose-Hubbard-malliin", arXiv: 2103.15021.

Yllä olevat sitaatit ovat peräisin SAO: n ja NASA: n mainokset (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2021-05-07 23:43:35). Lista voi olla puutteellinen, koska kaikki julkaisijat eivät tarjoa sopivia ja täydellisiä viittaustietoja.

On Crossrefin siteerattu palvelu tietoja teosten viittaamisesta ei löytynyt (viimeinen yritys 2021-05-07 23:43:33).

Tämä kirja on julkaistu Quantum - lehdessä Creative Commons Nimeäminen 4.0 Kansainvälinen (CC BY 4.0) lisenssin. Tekijänoikeudet säilyvät alkuperäisillä tekijänoikeuksien haltijoilla, kuten tekijöillä tai heidän instituutioillaan.

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

Aikaleima:

Lisää aiheesta Quantum Journal