Atténuation des erreurs sur un dispositif photonique quantique à court terme

Horodatage: 4 mai 2021, 7 h 18
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Daiqin Su1, Robert Israël1, Kunal Sharma2, Hao Yu Qi1, Ish Dhand1et Kamil Brádler1

1Xanadu, Toronto, Ontario, M5G 2C8, Canada
2Hearne Institute for Theoretical Physics et Department of Physics and Astronomy, Louisiana State University, Baton Rouge, LA USA

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Abstract

La perte de photons est destructrice pour les performances des dispositifs photoniques quantiques et, par conséquent, la suppression des effets de la perte de photons est primordiale pour les technologies quantiques photoniques. Nous présentons deux schémas pour atténuer les effets de la perte de photons pour un dispositif d'échantillonnage en boson gaussien, en particulier, pour améliorer l'estimation des probabilités d'échantillonnage. Au lieu d'utiliser des codes de correction d'erreurs qui sont coûteux en termes de surcharge de ressources matérielles, nos schémas ne nécessitent qu'une petite quantité de modifications matérielles, voire aucune modification. Nos techniques de suppression des pertes reposent soit sur la collecte de données de mesure supplémentaires, soit sur un post-traitement classique une fois les données de mesure obtenues. Nous montrons qu'avec un coût modéré du post-traitement classique, les effets de la perte de photons peuvent être considérablement supprimés pour une certaine quantité de perte. Les schémas proposés sont donc un catalyseur clé pour les applications de dispositifs quantiques photoniques à court terme.

Image en vedette: atténuez l'effet de la perte de photons pour un état de vide comprimé à deux modes. Ici $ P ([n, n]) $ est la probabilité de détecter un modèle de nombre de photons $ [n, n] $.

Résumé populaire

Le dispositif d'échantillonnage du boson gaussien (GBS) est l'un des dispositifs photoniques quantiques les plus prometteurs. Il a récemment été utilisé pour démontrer l'avantage du calcul quantique par rapport aux ordinateurs classiques dans un problème d'échantillonnage spécifique. Le dispositif GBS peut également trouver des applications pratiques, par exemple, pour résoudre des problèmes d'amarrage moléculaire, dans un proche avenir. Cependant, les performances du dispositif GBS sont considérablement dégradées par la perte de photons. En principe, la perte de photons peut être corrigée à l'aide de codes de correction d'erreur quantique, mais ces codes introduisent une surcharge de ressources importante. Ce travail propose deux schémas pour atténuer l'effet de la perte de photons pour le dispositif GBS à court terme, avec une petite modification matérielle voire aucune modification. Le prix à payer est de réaliser plusieurs expériences et un post-traitement classique. Ce travail montre que l'effet de la perte de photons peut être considérablement supprimé avec une quantité modérée de ressources classiques. Par conséquent, les schémas d'atténuation des pertes proposés sont essentiels pour les applications à court terme des technologies photoniques quantiques.

► Données BibTeX

► Références

AG Fowler, M. Mariantoni, JM Martinis et AN Cleland, Codes de surface: Vers un calcul quantique pratique à grande échelle, Phys. Rev. A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

J. Preskill, L'informatique quantique à l'ère NISQ et au-delà, Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

S. Boixo, SV Isakov, VN Smelyanskiy, R. Babbush, N. Ding, Z. Jiang, MJ Bremner, JM Martinis et H. Neven, Caractérisation de la suprématie quantique dans les dispositifs à court terme, Nature Physics 14, 595 (2018) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-018-0124-x

S. Aaronson et L. Chen, Fondements théoriques de la complexité des expériences de suprématie quantique, arXiv: 1612.05903.
arXiv: 1612.05903v1

F.Arute, et al., Suprématie quantique utilisant un processeur supraconducteur programmable, Nature 574, 505 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

MJ Bremner, R. Jozsa et DJ Shepherd, La simulation classique des calculs quantiques de navettage implique l'effondrement de la hiérarchie polynomiale, Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 467, 459 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2010.0301

MJ Bremner, A. Montanaro et DJ Shepherd, Complexité moyenne des cas par rapport à la simulation approximative des calculs quantiques de navettage, Phys. Rev. Lett. 117, 080501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.080501

MJ Bremner, A. Montanaro et DJ Shepherd, Atteindre la suprématie quantique avec des calculs quantiques de navettage clairsemés et bruyants, Quantum 1, 8 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-04-25-8

S. Aaronson, A. Arkhipov, La complexité computationnelle de l'optique linéaire, Actes du quarante-troisième symposium annuel de l'ACM sur la théorie de l'informatique, 333-342 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

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

S. Rahimi-Keshari, AP Lund et TC Ralph, Que peut dire l'optique quantique sur la théorie de la complexité informatique?, Phys. Rev. Lett. 114, 060501 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.060501

S. Rahimi-Keshari, TC Ralph et CM Caves, Conditions suffisantes pour une simulation classique efficace de l'optique quantique, Phys. Rev. X 6, 021039 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021039

A. Peruzzo, J. McClean, P. Shadbolt, M. Yung, X. Zhou, PJ Love, A. Aspuru-Guzik et JL O'brien, Un solveur variationnel de valeurs propres sur un processeur quantique photonique, Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

E. Farhi, J. Goldstone et S. Gutmann, Un algorithme d'optimisation approximative quantique, arXiv: 1411.4028.
arXiv: 1411.4028

E. Farhi et AW Harrow, suprématie quantique à travers l'algorithme d'optimisation quantique approximative, arXiv: 1602.07674.
arXiv: 1602.07674

K. Temme, S. Bravyi et JM Gambetta, Atténuation des erreurs pour les circuits quantiques à courte profondeur, Phys. Rev. Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

Y. Li et SC Benjamin, Simulateur quantique variationnel efficace intégrant la minimisation active des erreurs, Phys. Rev. X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

A. Kandala, K.Temme, AD Córcoles, A. Mezzacapo, JM Chow et JM Gambetta, L'atténuation des erreurs étend la portée de calcul d'un processeur quantique bruyant, Nature 567, 491 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

S. Endo, SC Benjamin et Y. Li, Atténuation pratique des erreurs quantiques pour les applications à court terme, Phys. Rev. X 8, 031027 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.031027

C.Song, J.Cui, H.Wang, J.Hao, H.Feng, H. et Li, Ying, Calcul quantique avec atténuation d'erreur universelle sur un processeur quantique supraconducteur, Science Advances 5, (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

S. Zhang, Y. Lu, K. Zhang, W. Chen, Y. Li, J. Zhang et K. Kim, Portes quantiques atténuées d'erreur dépassant les fidélité physiques dans un système d'ions piégés, Nature Communications 11, 1 ( 2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh et TE O'Brien, Atténuation des erreurs à faible coût par vérification de symétrie, Phys. Rev. A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

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 , et L. DiCarlo, Atténuation des erreurs expérimentales via la vérification de symétrie dans un eigensolver quantique variationnel, Phys. Rév.A 100, 010302 (R) (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.010302

S. McArdle, X. Yuan et S. Benjamin, Simulation quantique numérique à atténuation des erreurs, Phys. Rev. Lett. 122 et 180501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.180501

X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh et TE O'Brien, Atténuation des erreurs à faible coût par vérification de symétrie, Phys. Rev. A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

M. Cerezo, K. Sharma, A. Arrasmith et PJ Coles, Eigensolver variationnel quantique d'état, arXiv: 2004.01372.
arXiv: 2004.01372

JR McClean, J. Romero, R. Babbush et A. Aspuru-Guzik, The theory of variationational hybrid quantum-classic algorithms, New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

K. Sharma, S.Khatri, M. Cerezo et PJ Coles, Résilience au bruit de la compilation quantique variationnelle, New Journal of Physics 22, 043006 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ab784c

L. Cincio, K. Rudinger, M. Sarovar et PJ Coles, Machine learning of noise-resilient quantum circuits, PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

Y. Chen, M. Farahzad, S. Yoo et T. Wei, Tomographie avec détecteur sur les ordinateurs quantiques IBM et atténuation d'une mesure imparfaite, Phys. Rév.A 100, 052315 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052315

MR Geller et M. Sun, Correction efficace des erreurs de mesure multiqubit, arXiv: 2001.09980.
arXiv: 2001.09980

L. Funcke, T. Hartung, K. Jansen, S. Kühn, P. Stornati et X. Wang, Atténuation des erreurs de mesure dans les ordinateurs quantiques grâce à la correction classique par retournement de bits, arXiv: 2007.03663.
arXiv: 2007.03663

H.Kwon et J.Bae, Une approche hybride quantique-classique pour atténuer les erreurs de mesure dans les algorithmes quantiques, IEEE Transactions on Computers (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009664

JR McClean, ME Kimchi-Schwartz, J. Carter et WA de Jong, Hiérarchie hybride quantique-classique pour l'atténuation de la décohérence et la détermination des états excités, Phys. Rev. A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

J. Sun, X. Yuan, T. Tsunoda, V. Vedral, SC Bejamin et S. Endo, Atténuation du bruit réaliste dans les dispositifs quantiques bruyants pratiques à échelle intermédiaire, Phys. Rev. Applied 15, 034026 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034026

A. Strikis, D.Qin, Y. Chen, BC Benjamin et Y. Li, Atténuation des erreurs quantiques basée sur l'apprentissage, arXiv: 2005.07601.
arXiv: 2005.07601

P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles et L. Cincio, Atténuation des erreurs avec les données du circuit quantique de Clifford, arXiv: 2005.10189.
arXiv: 2005.10189

A. Zlokapa et A. Gheorghiu, A deep learning model for noise prediction on near-term quantum devices, arXiv: 2005.10811.
arXiv: 2005.10811

J. Arrazola et TR Bromley, Utilisation de l'échantillonnage de boson gaussien pour trouver des sous-graphes denses, Phys. Rev. Lett. 121, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.030503

K. Brádler, S. Friedland, J. Izaac, N. Killoran et D. Su, Isomorphisme des graphes et échantillonnage des bosons gaussiens, Spec. Matrices 9, 166 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1515 / spma-2020-0132

M. Schuld, K. Brádler, R. Israel, D. Su et B. Gupt, Mesure de la similitude des graphes avec un échantillonneur de bosons gaussiens, Phys. Rev. A 101, 032314 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032314

K. Brádler, R. Israel, M. Schuld et D. Su, A duality at the heart of Gaussian boson sampling, arXiv: 1910.04022.
arXiv: 1910.04022v1

C. Weedbrook, S. Pirandola, R. García-Patrón, NJ Cerf, TC Ralph, JH Shapiro et S. Lloyd, informations quantiques gaussiennes, Rev. Mod. Phys. 84, 621 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.84.621

K. Brádler, P. Dallaire-Demers, P. Rebentrost, D. Su et C. Weedbrook, échantillonnage de bosons gaussiens pour des appariements parfaits de graphes arbitraires, Phys. Rev. A 98, 032310 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032310

H. Qi, DJ Brod, N. Quesada et 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

WR Clements, PC Humphreys, BJ Metcalf, WS Kolthammer et IA Walsmley, Conception optimale pour les interféromètres multiports universels, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

M. Reck, A. Zeilinger, HJ Bernstein et P. Bertani, Réalisation expérimentale de tout opérateur unitaire discret, Phys. Rev. Lett. 73, 58 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

M. Jacques, A. Samani, E. El-Fiky, D. Patel, X. Zhenping et DV Plant, Optimisation de la conception des déphaseurs thermo-optiques et atténuation de la diaphonie thermique sur la plateforme SOI, Opt. Express 27, 10456 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.27.010456

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

J. Huh, GG Guerreschi, B. Peropadre, JR McClean et A. Aspuru-Guzik, Échantillonnage de boson pour les spectres vibroniques moléculaires, Nature Photonics 9, 615 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2015.153

S. Rahimi-Keshari, MA Broome, R. Fickler, A. Fedrizzi, TC Ralph et AG White, Caractérisation directe des réseaux linéaires-optiques, Opt. Express 21, 13450 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.21.013450

V. Giovannetti, AS Holevo et R. García-Patrón, Une solution de conjecture d'optimisation gaussienne pour les canaux quantiques, Commun. Math. Phys. 334, 1553 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-014-2150-6

R. García-Patrón, J. Renema et V. Shchesnovich, Simulation de l'échantillonnage de bosons dans les architectures avec perte, Quantum 3, 169 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-08-05-169

R. Kruse, CS Hamilton, L. Sansoni, S. Barkhofen, C. Silberhorn et I. Jex, Étude détaillée de l'échantillonnage de bosons gaussiens, Phys. Rév.A 100, 032326 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032326

Cité par

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

[2] Tyler Volkoff, Zoë Holmes et Andrew Sornborger, «Théorèmes de compilation universelle et (No-) Free-Lunch pour l'apprentissage quantique à variable continue», arXiv: 2105.01049.

[3] Shreya P. Kumar, Leonhard Neuhaus, Lukas G. Helt, Haoyu Qi, Blair Morrison, Dylan H. Mahler et Ish Dhand, «Mitigating linear optics imperfections via port allocation and compilation», arXiv: 2103.03183.

[4] Saad Yalouz, Bruno Senjean, Filippo Miatto et Vedran Dunjko, «Encodage de fonctions d'onde à plusieurs bosons fortement corrélées sur un ordinateur quantique photonique: application au modèle attractif de Bose-Hubbard», arXiv: 2103.15021.

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

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