Nopea kvanttipiirin leikkaus satunnaistetuilla mittauksilla

Nopea kvanttipiirin leikkaus satunnaistetuilla mittauksilla

Lähdesolmu: 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
2Center for Theoretical Physics, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 02139, USA
3Center for Computational Quantum Physics, Flatiron Institute, New York, NY, 10010, USA
4Fysiikan laitos, Columbia University, New York, 10027, USA

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

Abstrakti

Ehdotamme uutta menetelmää kvanttilaskennan koon laajentamiseksi yhdessä laitteessa käytettävissä olevien fyysisten kubittien lukumäärää pidemmälle. Tämä saavutetaan lisäämällä satunnaisesti mittaa ja valmistele -kanavia ilmaisemaan suuren piirin lähtötila erotettavissa olevana tilana eri laitteiden välillä. Menetelmämme käyttää satunnaistettuja mittauksia, mikä johtaa näytteen yläpuolelle, joka on $widetilde{O}(4^k / varepsilon ^2)$, missä $varepsilon $ on laskennan tarkkuus ja $k$ rinnakkaisten johtimien lukumäärä. "leikkaa" saadakseen pienempiä alipiirejä. Näytämme myös informaatioteoreettisen alarajan $Omega(2^k / varepsilon ^2)$ mille tahansa vastaavalle menettelylle. Käytämme tekniikoitamme osoittaaksemme, että Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) -piirejä, joissa on $p$:n takertuvia kerroksia, voidaan simuloida piireillä, jotka ovat murto-osalla alkuperäisestä kubittien määrästä, joiden yläraja on noin $2^{O(pkappa) }$, jossa $kappa$ on optimointiongelman koodaavan graafin tunnetun tasapainotetun vertex-erottimen koko. Saamme numeerista näyttöä käytännön nopeuksista QAOA:ssa sovelletulla menetelmällämme verrattuna aikaisempaan työhön. Lopuksi tutkimme käytännöllistä toteutettavuutta piirin katkaisumenettelyn soveltamiselle suuren mittakaavan QAOA-ongelmiin klusteroiduissa kaavioissa käyttämällä 30 dollarin kubitin simulaattoria arvioimaan 129 dollarin kubitin ongelman vaihteluenergiaa sekä suorittamaan 62 dollarin arvoisen ongelman. -qubit-optimointi.

► BibTeX-tiedot

► Viitteet

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

[2] Scott Aaronson ja Daniel Gottesman "Parannettu stabilointipiirien simulointi" Phys. Rev. A 70, 052328 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.052328

[3] J. Avron, Ofer Casper ja Ilan Rozen, "Kvanttietu ja kohinan vähentäminen hajautetussa kvanttilaskentassa" Phys. Rev. A 104, 052404 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.052404

[4] Thomas Ayral, François-Marie Le Régent, Zain Saleem, Juri Alekseev 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 Gatesin hallitsemien kvanttipiirien parannettu klassinen simulaatio" Phys. Rev. Lett. 116, 250501 2016 (XNUMX).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.116.250501

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

[9] Sergey Bravyi, Graeme Smith ja John A. Smolin, "Trading Classical and Quantum Computational Resources" Phys. Rev. X 6, 021043 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021043

[10] Sergey Bravyi, Alexander Kliesch, Robert Koenig ja Eugene Tang, "Esteet variaatiokvanttioptimoinnille symmetrian suojasta" Phys. Rev. Lett. 125, 260505 2020 (XNUMX).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.260505

[11] Sergey Bravyi, Dan Browne, Padraic Calpin, Earl Campbell, David Gosset ja Mark Howard, "Kvanttipiirien simulointi matalaluokkaisilla stabilisaattorihajotuksilla" Quantum 3, 181 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-09-02-181

[12] Thang Nguyen Buiand Curt Jones "Hyvän likimääräisen kärkipisteen ja reunaosion löytäminen on NP-kovaa" 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 "Kanavien kvanttikapasiteetti mielivaltaisesti korreloivalla kohinalla" 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, "Theory of Trotter Error with Commutator Scaling" Physical Review X 11 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevx.11.011020

[16] Thomas M. Coverand Joy A. Thomas "Informaatioteorian elementit" Wiley (2005).
https://​/​doi.org/​10.1002/​047174882x

[17] Vedran Dunjko, Yimin Ge ja J. Ignacio Cirac, "Computational Speedups Using Small Quantum Devices" Phys. Rev. Lett. 121, 250501 2018 (XNUMX).
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, "Satunnaistettu mittaustyökalupakki" (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 "Transmission of Information: a Statistical Theory of Communications" MIT Press (1966).

[21] Edward Farhi, David Gamarnik ja Sam Gutmann, "Kvanttilikimääräinen optimointialgoritmi tarvitsee nähdä koko kaavion: Tyypillinen tapaus" (2020).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2004.09002
https: / / arxiv.org/ abs / 2004.09002

[22] Edward Farhi, David Gamarnik ja Sam Gutmann, "The Quantum Approximate Optimization Algorithm Needs to See Whole Graph: Worst Case Esimerkkejä" (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 "Kvanttiylivalta kvanttilikimääräisen optimointialgoritmin kautta" (2016).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.1602.07674
https: / / arxiv.org/ abs / 1602.07674

[26] Uriel Feige, MohammadTaghi Hajiaghayi ja James R. Lee, "Parannetut approximaatioalgoritmit minimipainoisille pisteerottimille" SIAM Journal on Computing 38, 629–657 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 05064299X

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

[28] M Guţă, J Kahn, R Kueng ja JA Tropp, "Fast state tomography with optimal error bounds" 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, "From the Quantum Approximate Optimization Algorithm to a Quantum Alternating Operator Ansatz" Algorithms 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, "Kvanttijärjestelmän monien ominaisuuksien ennustaminen hyvin harvoista mittauksista" 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, "Kohti kvanttikoneoppimista tensoriverkkojen avulla" Quantum Science and Technology 4, 024001 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / aaea94

[34] Richard Kuengand David Gross "Qubitin stabilointitilat ovat monimutkaisia ​​projektiivisia 3-malleja" (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 "Kvanttitilojen oppimisen alarajat yksikopiomittauksilla" (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 Alekseev, "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, "High Dimensional Quantum Machine Learning With Small Quantum Computers" (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2203.13739
https: / / arxiv.org/ abs / 2203.13739

[41] Matija Medvidović ja Giuseppe Carleo "Kvanttilikimääräisen optimointialgoritmin klassinen variaatiosimulaatio" npj Quantum Information 7 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-021-00440-z

[42] Kosuke Mitarai ja Keisuke Fujii "Virtuaalisen kahden kubitin portin rakentaminen näytteistämällä yhden kubitin operaatioita" New Journal of Physics 23, 023021 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​abd7bc

[43] Kosuke Mitarai ja Keisuke Fujii "Overhead simuloimaan ei-paikallista kanavaa paikallisilla kanavilla kvasitodennäköisyysnäytteenotolla" 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, "Kvanttipiirien tulostodennäköisyyksien arviointi kvasitodennäköisyyksiä käyttäen" 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, "Simulating Large Quantum Circuits on a Small Quantum Computer" 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, "Kvanttipiirileikkaus suurimman todennäköisyyden tomografialla" 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, "Variatiivinen ominaisarvon ratkaisija fotonikvanttisuorittimessa" Nature Communications 5 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[49] Christophe Piveteau ja David Sutter "Circuit neulonta klassisella viestinnällä" (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 Combinatoral Optimization and Distributed Computing" (2021).
arXiv: 2107.07532

[51] Igal Sasonand Sergio Verdú "$f$ - Divergenssin epätasa-arvot" 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 classifiers” 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, “Analyyttisten gradienttien arviointi kvanttilaitteistolla” Phys. Ilm.A 99, 032331 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032331

[54] Hayk Shoukourian, Torsten Wilde, Axel Auweter ja Arndt Bode, "Voiman ja heikon skaalautuvien HPC-sovellusten energian ja tehonkulutuksen ennustaminen" Supercomputing Frontiers and Innovations 1, 20–41 (2014).
https://​/​doi.org/​10.14529/​jsfi140202

[55] Wei Tangand Margaret Martonosi "ScaleQC: ScaleFramework 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 "Yksinkertainen menetelmä satunnaisten Clifford-operaattoreiden otamiseen" 2021 IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE) 54–59 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1109 / QCE52317.2021.00021

[57] Zhihui Wang, Stuart Hadfield, Zhang Jiang ja Eleanor G. Rieffel, "Kvanttilikimääräinen optimointialgoritmi MaxCut:lle: A fermionic view" Phys. Rev. A 97, 022304 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.022304

[58] John Watrous "Kvanttitiedon teoria" Cambridge University Press (2018).
https: / / doi.org/ 10.1017 / +9781316848142

[59] Zak Webb "Clifford-ryhmä muodostaa yhtenäisen 3-designin" (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, "Quantum Simulation with Hybrid Tensor Networks" Phys. Rev. Lett. 127, 040501 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.040501

[62] Huangjun Zhu "Multiqubit Clifford ryhmät ovat yhtenäisiä 3-design" Phys. Rev. A 96, 062336 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.062336

Viitattu

[1] Lirandë Pira ja Chris Ferrie, "Kutsu hajautettuihin kvanttihermoverkkoihin", arXiv: 2211.07056, (2022).

[2] Lukas Brenner, Christophe Piveteau ja David Sutter, "Optimaalinen lankaleikkaus klassisella viestinnällä", arXiv: 2302.03366, (2023).

[3] Matthew DeCross, Eli Chertkov, Megan Kohagen ja Michael Foss-Feig, "Qubit-reuse kokoelma keskipiirin mittauksella ja nollauksella", arXiv: 2210.08039, (2022).

[4] Christian Ufrecht, Maniraman Periyasamy, Sebastian Rietsch, Daniel D. Scherer, Axel Plinge ja Christopher Mutschler, "Multi-control-quantum gates with ZX calculus" arXiv: 2302.00387, (2023).

[5] Marvin Bechtold, Johanna Barzen, Frank Leymann, Alexander Mandl, Julian Obst, Felix Truger ja Benjamin Weder, "QAOA:n piirileikkauksen vaikutuksen tutkiminen MaxCut-ongelmaan NISQ-laitteissa", arXiv: 2302.01792, (2023).

[6] Ritajit Majumdar ja Christopher J. Wood, "Error mitigated quantum circuit cutting", 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, "Rotation-inspired circuit cut optimization", 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, "Kvanttigeneratiivisten mallien suorituskyvyn karakterisointi". arXiv: 2301.09363, (2023).

[10] Diego Guala, Shaoming Zhang, Esther Cruz, Carlos A. Riofrío, Johannes Klepsch ja Juan Miguel Arrazola, "Käytännön yleiskatsaus kuvien luokitteluun variaatiotensoriverkoston kvanttipiireillä". arXiv: 2209.11058, (2022).

Yllä olevat sitaatit ovat peräisin SAO: n ja NASA: n mainokset (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2023-03-03 16:49:02). Lista voi olla puutteellinen, koska kaikki julkaisijat eivät tarjoa sopivia ja täydellisiä viittaustietoja.

On Crossrefin siteerattu palvelu tietoja teosten viittaamisesta ei löytynyt (viimeinen yritys 2023-03-03 16:49:00).

Aikaleima:

Lisää aiheesta Quantum Journal