Estimasi probabilitas Lahir Lebih Cepat melalui penggabungan gerbang dan optimasi bingkai

Stempel Waktu: 13 Oktober 2022 11:24
Node Sumber: 1724475

Nikolaos Koukoulekidis1, Hyukjoon Kwon1,2, Hyejung H.Jee3, David Jennings1,4, dan MS Kim1

1Departemen Fisika, Imperial College London, London SW7 2AZ, Inggris
2Institut Korea untuk Studi Lanjutan, Seoul, 02455, Korea
3Departemen Komputasi, Imperial College London, London SW7 2AZ, Inggris
4Sekolah Fisika dan Astronomi, Universitas Leeds, Leeds, LS2 9JT, Inggris

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

Abstrak

Estimasi probabilitas hasil melalui metode klasik merupakan tugas penting untuk memvalidasi perangkat komputasi kuantum. Probabilitas hasil rangkaian kuantum apa pun dapat diperkirakan menggunakan pengambilan sampel Monte Carlo, di mana jumlah negatif yang ada dalam representasi kerangka rangkaian menghitung overhead pada jumlah sampel yang diperlukan untuk mencapai presisi tertentu. Dalam tulisan ini, kami mengusulkan dua sub-rutin klasik: penggabungan gerbang sirkuit dan optimasi frame, yang mengoptimalkan representasi sirkuit untuk mengurangi overhead pengambilan sampel. Kami menunjukkan bahwa runtime dari kedua sub-rutin berskala polinomial dalam ukuran sirkuit dan kedalaman gerbang. Metode kami dapat diterapkan pada rangkaian umum, terlepas dari kumpulan gerbang pembangkit, dimensi qudit, dan representasi bingkai yang dipilih untuk komponen rangkaian. Kami secara numerik menunjukkan bahwa metode kami memberikan penskalaan yang lebih baik dalam overhead negatif untuk semua kasus rangkaian acak yang diuji dengan gerbang acak Clifford+$T$ dan Haar, dan bahwa kinerja metode kami lebih baik dibandingkan dengan simulator kuasi-probabilitas sebelumnya karena jumlah gerbang non-Clifford meningkat.

Gambar unggulan: Sketsa rutinitas kami di sirkuit mainan. Langkah pertama (a) $rightarrow$ (b) adalah penggabungan gerbang, di sini diterapkan dengan $n = 2$. Gerbang yang berbagi kabel input dan output bergabung dalam skema yang digambarkan pada gambar. Langkah kedua (b) $rightarrow$ (c) adalah optimasi frame, di sini diimplementasikan dengan $ell= 2$ dalam blok $B$ yang terdiri dari tiga gerbang gabungan. Hasil optimasi menjadi frame yang diperbarui $G_4, G_7$, sedangkan frame tersisa yang menghubungkan blok $B$ ke komponen rangkaian lainnya tidak diubah pada siklus optimasi ini.

Ringkasan populer

Komputer kuantum diharapkan memberikan peningkatan kecepatan yang signifikan dibandingkan dengan komputasi klasik untuk tugas-tugas tertentu. Menentukan serangkaian tugas komputasi yang dapat dipercepat dengan penggunaan komputer kuantum adalah pertanyaan yang sangat sulit. Pendekatan alami untuk mewujudkan rangkaian ini terdiri dari mempelajari seberapa baik komputer klasik dapat mensimulasikan tugas-tugas ini. Sejumlah besar simulator klasik semacam itu bergantung pada representasi tugas sebagai proses stokastik yang menyebarkan status masukan secara probabilistik. Tugas kuantum mengandung probabilitas negatif yang pada prinsipnya memerlukan waktu proses eksponensial untuk disimulasikan secara klasik. Dalam karya ini, kami memperkenalkan optimasi yang efisien pada strategi simulasi klasik yang bekerja dengan meminimalkan probabilitas negatif yang muncul selama proses tersebut. Hasil kami memiliki signifikansi praktis karena memberikan cara yang lebih cepat untuk mensimulasikan komputer kuantum, sementara pada tingkat fundamental, hasil tersebut menyelidiki sejauh mana probabilitas negatif merupakan indikator fisika non-klasik.

โ–บ data BibTeX

โ–บ Referensi

[1] RP Feynman, Jurnal Internasional Fisika Teoritis 21, 467 (1982).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02650179

[2] J. Preskill, โ€œKomputasi kuantum 40 tahun kemudian,โ€ (2021), arXiv:2106.10522.
arXiv: 2106.10522

[3] R. Jozsa dan MV den Nest, Quantum Inf. Hitung. 14, 633 (2014).

[4] DE Koh, Info Kuantum. Hitung. 17, 262โ€“282 (2017).

[5] S. Aaronson, A. Bouland, G. Kuperberg, dan S. Mehraban (Asosiasi Mesin Komputasi, New York, NY, USA, 2017) hal. 317โ€“327.

[6] M. Hebenstreit, R. Jozsa, B. Kraus, dan S. Strelchuk, Phys. Pdt.A 102, 052604 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.052604

[7] M. Yoganathan, R. Jozsa, dan S. Strelchuk, Prosiding Royal Society A: Ilmu Matematika, Fisika dan Teknik 475, 20180427 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2018.0427

[8] S. Aaronson dan A. Arkhipov, โ€œKompleksitas komputasi optik linier,โ€ (2010), arXiv:1011.3245.
arXiv: 1011.3245

[9] MJ Bremner, R. Jozsa, dan DJ Shepherd, Prosiding Royal Society A: Ilmu Matematika, Fisika dan Teknik 467, 459 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2010.0301

[10] T. Morimae, K. Fujii, dan JF Fitzsimons, Phys. Pdt. Lett. 112, 130502 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.130502

[11] MJ Bremner, A. Montanaro, dan DJ Shepherd, Phys. Pendeta Lett. 117, 080501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.080501

[12] X.Gao, S.-T. Wang, dan L.-M. Duan, Fis. Pendeta Lett. 118, 040502 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.040502

[13] J. Bermejo-Vega, D. Hangleiter, M. Schwarz, R. Raussendorf, dan J. Eisert, Phys. Pdt. X 8, 021010 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.021010

[14] K. Fujii, H. Kobayashi, T. Morimae, H. Nishimura, S. Tamate, dan S. Tani, Phys. Pendeta Lett. 120, 200502 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.200502

[15] A. Bouland, JF Fitzsimons, dan DE Koh (Schloss Dagstuhlโ€“Leibniz-Zentrum fuer Informatik, Dagstuhl, DEU, 2018).

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

[17] H. Pashayan, SD Bartlett, dan D. Gross, Quantum 4, 223 (2020).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2020-01-13-223

[18] LG Valiant, Jurnal SIAM tentang Komputasi 31, 1229 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0097539700377025

[19] BM Terhal dan DP DiVincenzo, Phys. Pendeta A 65, 032325 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.65.032325

[20] SD Bartlett, BC Sanders, SL Braunstein, dan K. Nemoto, Phys. Pdt. Lett. 88, 097904 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.88.097904

[21] S. Aaronson dan D. Gottesman, Fis. Pdt.A 70, 052328 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.052328

[22] D. Gross, ST Flammia, dan J. Eisert, Phys. Pendeta Lett. 102, 190501 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.190501

[23] DJ Brod, Phys. Pendeta A 93, 062332 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.93.062332

[24] T. Haug dan MS Kim, โ€œUkuran ajaib yang dapat diskalakan untuk komputer kuantum,โ€ (2022).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹ARXIV.2204.10061

[25] H.-S. Zhong, H. Wang, Y.-H. Deng, M.-C. Chen, L.-C. Peng, Y.-H. Luo, J.Qin, D.Wu, X.Ding, Y.Hu, dan dkk., Sains 370, 1460โ€“1463 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.abe8770

[26] F. Arute, K. Arya, R. Babbush, D. Bacon, JC Bardin, R. Barends, R. Biswas, S. Boixo, FGSL Brandao, DA Buell, B. Burkett, Y. Chen, Z. Chen, B Chiaro, R. Collins, W. Courtney, A. Dunsworth, E. Farhi, B. Foxen, A. Fowler, C. Gidney, M. Giustina, R. Graff, K. Guerin, S. Habegger, MP Harrigan, MJ Hartmann, A. Ho, M. Hoffmann, T.Huang, TS Humble, SV Isakov, E. Jeffrey, Z. Jiang, D. Kafri, K. Kechedzhi, J. Kelly, PV Klimov, S. Knysh, A. Korotkov, F. Kostritsa, D. Landhuis, M. Lindmark, E. Lucero, D. Lyakh, S. Mandrร , JR McClean, M. McEwen, A. Megrant, X. Mi, K. Michielsen, M. Mohseni, J . Mutus, O. Naaman, M. Neeley, C. Neill, MY Niu, E. Ostby, A. Petukhov, JC Platt, C. Quintana, EG Rieffel, P. Roushan, NC Rubin, D. Sank, KJ Satzinger, V. Smelyanskiy, KJ Sung, MD Trevithick, A. Vainsencher, B. Villalonga, T. White, ZJ Yao, P. Yeh, A. Zalcman, H. Neven, dan JM Martinis, Nature 574, 505 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41586-019-1666-5

[27] H. Bernien, S. Schwartz, A. Keesling, H. Levine, A. Omran, H. Pichler, S. Choi, AS Zibrov, M. Endres, M. Greiner, dan dkk., Nature 551, 579โ€“584 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature24622

[28] C. Neill, P. Roushan, K. Kechedzhi, S. Boixo, SV Isakov, V. Smelyanskiy, A. Megrant, B. Chiaro, A. Dunsworth, K. Arya, dan dkk., Sains 360, 195โ€“199 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aao4309

[29] JP Bonilla Ataides, DK Tuckett, SD Bartlett, ST Flammia, dan BJ Brown, Komunikasi Alam 12, 2172 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41467-021-22274-1

[30] S. Bravyi, S. Sheldon, A. Kandala, DC Mckay, dan JM Gambetta, Phys. Pdt.A 103, 042605 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.042605

[31] A. Kandala, K. Temme, AD Cรณrcoles, A. Mezzacapo, JM Chow, dan JM Gambetta, Nature 567, 491 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41586-019-1040-7

[32] S. Endo, SC Benjamin, dan Y. Li, Phys. Pdt.X 8, 031027 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.031027

[33] K. Temme, S. Bravyi, dan JM Gambetta, Phys. Pendeta Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[34] J.Preskill, Quantum 2, 79 (2018).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2018-08-06-79

[35] AW Harrow dan A. Montanaro, Alam 549, 203 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23458

[36] RS Bennink, EM Ferragut, TS Humble, JA Laska, JJ Nutaro, MG Pleszkoch, dan RC Pooser, Phys. Rev A 95, 062337 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.062337

[37] V. Veitch, C. Ferrie, D. Gross, dan J. Emerson, Jurnal Fisika Baru 14, 113011 (2012).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹1367-2630/โ€‹14/โ€‹11/โ€‹113011

[38] D. Gottesman, dalam Ensiklopedia Fisika Matematika, diedit oleh J.-P. Franรงoise, GL Naber, dan TS Tsun (Academic Press, Oxford, 2006) hlm.196 โ€“ 201.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1016/โ€‹B0-12-512666-2/โ€‹00273-X

[39] H. Pashayan, O. Reardon-Smith, K. Korzekwa, dan SD Bartlett, โ€œEstimasi cepat probabilitas hasil untuk rangkaian kuantum,โ€ (2021), arXiv:2101.12223.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.020361
arXiv: 2101.12223

[40] JR Seddon, B.Regula, H. Pashayan, Y.Ouyang, dan ET Campbell, PRX Quantum 2, 010345 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010345

[41] S. Bravyi dan D. Gosset, Phys. Pendeta Lett. 116, 250501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.116.250501

[42] S. Bravyi, D. Browne, P. Calpin, E. Campbell, D. Gosset, dan M. Howard, Quantum 3, 181 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2019-09-02-181

[43] S. Bravyi, G. Smith, dan JA Smolin, Phys. Pdt.X 6, 021043 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021043

[44] H.Qassim, JJ Wallman, dan J.Emerson, Quantum 3, 170 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2019-08-05-170

[45] Y. Huang dan P. Love, Fis. Pdt.A 99, 052307 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.052307

[46] L. Kocia dan M. Sarovar, Fis. Pdt.A 103, 022603 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.022603

[47] A. Kissinger, J. van de Wetering, dan R. Vilmart, โ€œSimulasi klasik rangkaian kuantum dengan dekomposisi penstabil parsial dan grafis,โ€ (2022), arXiv:2202.09202.
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.TQC.2022.5
arXiv: 2202.09202

[48] H. Qassim, H. Pashayan, dan D. Gosset, Quantum 5, 606 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2021-12-20-606

[49] H. Pashayan, JJ Wallman, dan SD Bartlett, Phys. Pendeta Lett. 115, 070501 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.115.070501

[50] D. Stahlke, Fis. Pdt.A 90, 022302 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.90.022302

[51] P. Rall, D. Liang, J. Cook, dan W. Kretschmer, Phys. Pdt.A 99, 062337 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062337

[52] JR Seddon dan ET Campbell, Prosiding Royal Society A: Ilmu Matematika, Fisika, dan Teknik 475, 20190251 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2019.0251

[53] C. Ferrie dan J. Emerson, Jurnal Fisika A: Matematika dan Teoritis 41, 352001 (2008).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹1751-8113/โ€‹41/โ€‹35/โ€‹352001

[54] C. Ferrie dan J. Emerson, Jurnal Fisika Baru 11, 063040 (2009).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹1367-2630/โ€‹11/โ€‹6/โ€‹063040

[55] D. Gross, Jurnal Fisika Matematika 47, 122107 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.2393152

[56] M. Ruzzi, MA Marchiolli, dan D. Galetti, Jurnal Fisika A: Matematika dan Umum 38, 6239 (2005).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹0305-4470/โ€‹38/โ€‹27/โ€‹010

[57] MA Marchiolli, M. Ruzzi, dan D. Galetti, Phys. Pdt.A 72, 042308 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.72.042308

[58] DS Franรงa, S. Strelchuk, dan M. Studziล„ski, Phys. Pendeta Lett. 126, 210502 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.210502

[59] M. Howard dan E. Campbell, Phys. Pendeta Lett. 118, 090501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.090501

[60] M. Heinrich dan D. Gross, Quantum 3, 132 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2019-04-08-132

[61] S. Rahimi-Keshari, TC Ralph, dan CM Caves, Phys. Wahyu X 6, 021039 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021039

[62] A. Mari dan J. Eisert, Phys. Pdt. Lett. 109, 230503 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.230503

[63] R. Raussendorf, DE Browne, N. Delfosse, C. Okay, dan J. Bermejo-Vega, Tinjauan Fisik A 95, 052334 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.052334

[64] C.Jones, Fis. Pdt.A 87, 022328 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.022328

[65] DJ Wales dan JPK Doye, Jurnal Kimia Fisika A 101, 5111โ€“5116 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1021 / jp970984n

[66] MSA dkk., โ€œQiskit: Kerangka kerja sumber terbuka untuk komputasi kuantum,โ€ (2021).
https: / / doi.org/ 10.5281 / zenodo.2573505

[67] M. Cerezo, A. Arrasmith, R. Babbush, SC Benjamin, S. Endo, K. Fujii, JR McClean, K. Mitarai, X. Yuan, L. Cincio, dan PJ Coles, Nature Review Physics 3, 625 (2021 ).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s42254-021-00348-9

Dikutip oleh

[1] Tobias Haug dan Lorenzo Piroli, "Mengukur Ketidakstabilan Keadaan Produk Matriks", arXiv: 2207.13076.

[2] Tobias Haug dan MS Kim, "Ukuran sihir yang dapat diskalakan untuk komputer kuantum", arXiv: 2204.10061.

Kutipan di atas berasal dari SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2022-10-16 15:41:40). 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 2022-10-16 15:41:38).

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.

Stempel Waktu:

Lebih dari Jurnal Kuantum