Mitigasi kesalahan pada perangkat fotonik kuantum jangka pendek

Stempel Waktu: 4 Mei 2021 7
Node Sumber: 844782

Daiqin Su1, Robert Israel1, Kunal Sharma2, Haoyu Qi1, Ish Dhand1, dan Kamil Brádler1

1Xanadu, Toronto, Ontario, M5G 2C8, Kanada
2Institut Hearne untuk Fisika Teoretis dan Departemen Fisika dan Astronomi, Universitas Negeri Louisiana, Baton Rouge, LA USA

Apakah makalah ini menarik atau ingin dibahas? Scite atau tinggalkan komentar di SciRate.

Abstrak

Kehilangan foton merusak kinerja perangkat fotonik kuantum dan oleh karena itu menekan efek kehilangan foton sangat penting bagi teknologi kuantum fotonik. Kami menyajikan dua skema untuk mengurangi efek kehilangan foton untuk perangkat Pengambilan Sampel Boson Gaussian, khususnya, untuk meningkatkan estimasi probabilitas pengambilan sampel. Alih-alih menggunakan kode koreksi kesalahan yang mahal dalam hal overhead sumber daya perangkat kerasnya, skema kami hanya memerlukan sedikit modifikasi perangkat keras atau bahkan tanpa modifikasi. Teknik pengurangan kerugian kami mengandalkan pengumpulan data pengukuran tambahan atau pada pasca-pemrosesan klasik setelah data pengukuran diperoleh. Kami menunjukkan bahwa dengan biaya pemrosesan pasca klasik yang moderat, efek kehilangan foton dapat ditekan secara signifikan untuk sejumlah kerugian. Skema yang diusulkan dengan demikian merupakan enabler kunci untuk aplikasi perangkat kuantum fotonik jangka pendek.

Gambar unggulan: Mengurangi efek kehilangan foton untuk keadaan vakum terjepit dua mode. Di sini $ P ([n, n]) $ adalah probabilitas untuk mendeteksi pola bilangan foton $ [n, n] $.

Ringkasan populer

Perangkat Gaussian boson sampling (GBS) adalah salah satu perangkat fotonik kuantum yang paling menjanjikan. Baru-baru ini telah digunakan untuk mendemonstrasikan keunggulan komputasi kuantum dibandingkan komputer klasik dalam masalah pengambilan sampel tertentu. Perangkat GBS juga dapat menemukan aplikasi praktis, misalnya, dalam memecahkan masalah penggandengan molekul, dalam waktu dekat. Namun, kinerja perangkat GBS secara dramatis menurun karena hilangnya foton. Pada prinsipnya, kehilangan foton dapat dikoreksi menggunakan kode koreksi kesalahan kuantum, tetapi kode ini menyebabkan overhead sumber daya yang besar. Karya ini mengusulkan dua skema untuk mengurangi efek kehilangan foton untuk perangkat GBS jangka pendek, dengan modifikasi perangkat keras kecil atau bahkan tanpa modifikasi. Harga yang harus dibayar adalah melakukan beberapa eksperimen dan pasca-pemrosesan klasik. Karya ini menemukan bahwa efek kehilangan foton dapat ditekan secara signifikan dengan sumber daya klasik dalam jumlah sedang. Oleh karena itu, skema mitigasi kerugian yang diusulkan sangat penting untuk aplikasi jangka pendek teknologi fotonik kuantum.

► data BibTeX

► Referensi

[1] AG Fowler, M. Mariantoni, JM Martinis, dan AN Cleland, Kode permukaan: Menuju perhitungan kuantum skala besar yang praktis, Phys. Pendeta A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[2] J. Preskill, Komputasi Kuantum di era NISQ dan seterusnya, Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[3] S. Boixo, SV Isakov, VN Smelyanskiy, R. Babbush, N. Ding, Z. Jiang, MJ Bremner, JM Martinis, dan H. Neven, Karakterisasi supremasi kuantum dalam perangkat jangka pendek, Fisika Alam 14, 595 (2018) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-018-0124-x

[4] S. Aaronson, dan L. Chen, Dasar-dasar teori kompleksitas eksperimen supremasi kuantum, arXiv: 1612.05903.
arXiv: 1612.05903v1

[5] F. Arute, dkk., Supremasi kuantum menggunakan prosesor superkonduktor yang dapat diprogram, Nature 574, 505 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[6] MJ Bremner, R. Jozsa, dan DJ Shepherd, Simulasi klasik komputasi kuantum komuter menyiratkan runtuhnya hierarki polinomial, Prosiding Royal Society A: Matematika, Fisika dan Ilmu Teknik 467, 459 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2010.0301

[7] MJ Bremner, A. Montanaro, dan DJ Shepherd, Kompleksitas rata-rata kasus versus simulasi perkiraan komputasi kuantum komuter, Phys. Pdt. Lett. 117, 080501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.080501

[8] MJ Bremner, A. Montanaro, dan DJ Shepherd, Mencapai supremasi kuantum dengan komputasi kuantum komuter yang jarang dan berisik, Quantum 1, 8 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-04-25-8

[9] S. Aaronson, A. Arkhipov, Kompleksitas komputasi optik linier, Prosiding simposium ACM tahunan keempat puluh tiga tentang Teori komputasi, 333-342 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

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

[11] S. Rahimi-Keshari, AP Lund, dan TC Ralph, Apa yang Dapat Dikatakan Optik Kuantum tentang Teori Kompleksitas Komputasi ?, Phys. Pdt. Lett. 114, 060501 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.060501

[12] S. Rahimi-Keshari, TC Ralph, dan Gua CM, Kondisi yang Cukup untuk Simulasi Klasik Efisien Optik Kuantum, Phys. Pdt. 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. Aspuru-Guzik, dan JL O'brien, Pemecah nilai eigen variasional pada prosesor kuantum fotonik, Nature Communications 5, 4213 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms5213

[14] E. Farhi, J. Goldstone, dan S. Gutmann, Algoritma optimasi perkiraan kuantum, arXiv: 1411.4028.
arXiv: 1411.4028

[15] E. Farhi, dan AW Harrow, Supremasi kuantum melalui algoritme pengoptimalan perkiraan kuantum, arXiv: 1602.07674.
arXiv: 1602.07674

[16] K. Temme, S. Bravyi, dan JM Gambetta, Mitigasi Kesalahan untuk Sirkuit Kuantum Kedalaman Pendek, Phys. Pdt. Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[17] Y. Li, dan SC Benjamin, Simulator Kuantum Variasi Efisien Menggabungkan Minimisasi Kesalahan Aktif, 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, dan JM Gambetta, Mitigasi kesalahan memperluas jangkauan komputasi prosesor kuantum yang berisik, Nature 567, 491 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[19] S. Endo, SC Benjamin, dan Y. Li, Mitigasi Kesalahan Kuantum Praktis untuk Aplikasi Dekat-Masa Depan, Phys. Pdt. X 8, 031027 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.031027

[20] C. Song, J. Cui, H. Wang, J. Hao, H. Feng, H. dan Li, Ying, komputasi kuantum dengan mitigasi kesalahan universal pada prosesor kuantum superkonduktor, Science Advances 5, (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[21] S. Zhang, Y. Lu, K. Zhang, W. Chen, Y. Li, J. Zhang, dan K. Kim, Gerbang kuantum yang dimitigasi kesalahan melebihi kesetiaan fisik dalam sistem ion yang terperangkap, Nature Communications 11, 1 ( 2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[22] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh, dan TE O'Brien, Mitigasi kesalahan berbiaya rendah dengan verifikasi simetri, Phys. Rev 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, VP Ostroukh, N. Muthusubramanian, A. Bruno, M. Beekman, N. Haider, TE O'Brien , dan L. DiCarlo, Mitigasi kesalahan eksperimental melalui verifikasi simetri dalam eigensolver kuantum variasional, Phys. Rev A 100, 010302 (R) (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.010302

[24] S. McArdle, X. Yuan, dan S. Benjamin, Simulasi Kuantum Digital Mitigasi Kesalahan, Phys. Pdt. Lett. 122, 180501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.180501

[25] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh, dan TE O'Brien, Mitigasi kesalahan berbiaya rendah dengan verifikasi simetri, Phys. Rev A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

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

[27] JR McClean, J. Romero, R. Babbush, dan A. Aspuru-Guzik, Teori variasional hybrid klasik-kuantum algoritma, New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

[28] K. Sharma, S. Khatri, M. Cerezo, dan PJ Coles, Ketahanan kebisingan dari kompilasi kuantum variasional, Jurnal Baru Fisika 22, 043006 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ab784c

[29] L. Cincio, K. Rudinger, M. Sarovar, dan PJ Coles, Pembelajaran mesin sirkuit kuantum tahan-kebisingan, PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[30] Y. Chen, M. Farahzad, S. Yoo, dan T. Wei, Detektor tomografi pada komputer kuantum IBM dan mitigasi pengukuran yang tidak sempurna, Phys. Rev A 100, 052315 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052315

[31] MR Geller, dan M. Sun, Koreksi efisien dari kesalahan pengukuran multiqubit, arXiv: 2001.09980.
arXiv: 2001.09980

[32] L. Funcke, T. Hartung, K. Jansen, S. Kühn, P. Stornati, dan X. Wang, Mitigasi kesalahan pengukuran dalam komputer kuantum melalui koreksi bit-flip klasik, arXiv: 2007.03663.
arXiv: 2007.03663

[33] H. Kwon, dan J. Bae, Pendekatan klasik kuantum hybrid untuk mengurangi kesalahan pengukuran dalam algoritme kuantum, Transaksi IEEE di Komputer (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009664

[34] JR McClean, ME Kimchi-Schwartz, J. Carter, dan WA de Jong, hierarki kuantum-klasik hybrid untuk mitigasi dekoherensi dan penentuan keadaan tereksitasi, Phys. Rev A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[35] J. Sun, X. Yuan, T. Tsunoda, V. Vedral, SC Bejamin, dan S. Endo, Mengurangi Kebisingan Realistis dalam Perangkat Quantum Skala Menengah Bising Praktis, Phys. Rev. Applied 15, 034026 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034026

[36] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, BC Benjamin, dan Y. Li, Mitigasi kesalahan kuantum berbasis pembelajaran, arXiv: 2005.07601.
arXiv: 2005.07601

[37] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles, dan L. Cincio, Mitigasi kesalahan dengan data sirkuit kuantum Clifford, arXiv: 2005.10189.
arXiv: 2005.10189

[38] A. Zlokapa, dan A. Gheorghiu, Sebuah model pembelajaran mendalam untuk prediksi kebisingan pada perangkat kuantum jangka pendek, arXiv: 2005.10811.
arXiv: 2005.10811

[39] J. Arrazola, dan TR Bromley, Menggunakan Pengambilan Sampel Boson Gaussian untuk Menemukan Subgraf Padat, Phys. Pdt. Lett. 121, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.030503

[40] K. Brádler, S. Friedland, J. Izaac, N. Killoran, dan D. Su, Graph isomorphism and Gaussian boson sampling, Spec. Matriks 9, 166 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1515 / spma-2020-0132

[41] M. Schuld, K. Brádler, R. Israel, D. Su, dan B. Gupt, Mengukur kemiripan grafik dengan sampel boson Gaussian, Phys. Rev A 101, 032314 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032314

[42] K. Brádler, R. Israel, M. Schuld, dan D. Su, Dualitas di jantung pengambilan sampel boson Gaussian, arXiv: 1910.04022.
arXiv: 1910.04022v1

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

[44] K. Brádler, P. Dallaire-Demers, P. Rebentrost, D. Su, dan C. Weedbrook, pengambilan sampel boson Gaussian untuk pencocokan sempurna dari grafik arbitrer, Phys. Rev A 98, 032310 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032310

[45] H. Qi, DJ Brod, N. Quesada, dan R. García-Patrón, Rezim Simulabilitas Klasik untuk Pengambilan Sampel Bising Gaussian Boson, Phys. Pdt. Lett. 124, 100502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.100502

[46] WR Clements, PC Humphreys, BJ Metcalf, WS Kolthammer, dan IA Walsmley, Desain optimal untuk interferometer multiport universal, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[47] M. Reck, A. Zeilinger, HJ Bernstein, dan P. Bertani, Realisasi Eksperimental dari Operator Kesatuan Diskrit, Phys. Pdt. Lett. 73, 58 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

[48] M. Jacques, A. Samani, E. El-Fiky, D. Patel, X. Zhenping, dan Pabrik DV, Optimasi desain pengalih fase termo-optik dan mitigasi crosstalk termal pada platform SOI, Opt. Express 27, 10456 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.27.010456

[49] A. Serafini, Variabel Kontinu Kuantum: Dasar Metode Teoritis (CRC Press, 2017).

[50] J. Huh, GG Guerreschi, B. Peropadre, JR McClean, dan A. Aspuru-Guzik, Boson sampling untuk spektrum vibronik molekuler, 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, dan AG White, Karakterisasi langsung dari jaringan linear-optik, Opt. Express 21, 13450 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.21.013450

[52] V. Giovannetti, AS Holevo, dan R. García-Patrón, Solusi dari Konjektur Pengoptimal Gaussian untuk Saluran Kuantum, Commun. Matematika. Phys. 334, 1553 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-014-2150-6

[53] R. García-Patrón, J. Renema, dan V. Shchesnovich, Simulasi pengambilan sampel boson dalam arsitektur lossy, 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, dan I. Jex, Studi rinci tentang pengambilan sampel boson Gaussian, Phys. Rev A 100, 032326 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032326

Dikutip oleh

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

[2] Tyler Volkoff, Zoë Holmes, dan Andrew Sornborger, "Kompilasi universal dan (Tanpa-)Teorema Makan Siang Gratis untuk pembelajaran kuantum variabel berkelanjutan", arXiv: 2105.01049.

[3] Shreya P. Kumar, Leonhard Neuhaus, Lukas G. Helt, Haoyu Qi, Blair Morrison, Dylan H. Mahler, dan Ish Dhand, “Mengurangi ketidaksempurnaan optik linier melalui alokasi dan kompilasi port”, arXiv: 2103.03183.

[4] Saad Yalouz, Bruno Senjean, Filippo Miatto, dan Vedran Dunjko, "Menyandikan fungsi gelombang banyak-boson yang berkorelasi kuat pada komputer kuantum fotonik: aplikasi untuk model Bose-Hubbard yang menarik", arXiv: 2103.15021.

Kutipan di atas berasal dari SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2021-05-07 23:43:35). Daftar ini mungkin tidak lengkap karena tidak semua penerbit menyediakan data kutipan yang cocok dan lengkap.

On Layanan dikutip-oleh Crossref tidak ada data tentang karya mengutip ditemukan (upaya terakhir 2021-05-07 23:43:33).

Makalah ini diterbitkan dalam Quantum di bawah Creative Commons Attribution 4.0 Internasional (CC BY 4.0) lisensi. Hak cipta tetap berada pada pemegang hak cipta asli seperti penulis atau lembaganya.

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

Stempel Waktu:

Lebih dari Jurnal Kuantum