Debugging Sirkuit Kuantum Dan Analisis Sensitivitas Melalui Inversi Lokal

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Fernando A. Calderon-Vargas¹, Timotius Proctor², Kenneth Rudinger², dan Mohan Sarovar¹

¹Laboratorium Nasional Sandia, Livermore, CA 94550, AS
²Laboratorium Kinerja Kuantum, Laboratorium Nasional Sandia, Albuquerque, NM 87185, AS dan Livermore, CA 94550, AS

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

Abstrak

Ketika lebar dan kedalaman sirkuit kuantum yang diterapkan oleh prosesor kuantum canggih meningkat pesat, analisis dan penilaian sirkuit melalui simulasi klasik menjadi tidak mungkin dilakukan. Oleh karena itu, penting untuk mengembangkan metode baru untuk mengidentifikasi sumber kesalahan yang signifikan dalam rangkaian kuantum yang besar dan kompleks. Dalam karya ini, kami menyajikan teknik yang menunjukkan dengan tepat bagian rangkaian kuantum yang paling mempengaruhi keluaran rangkaian dan dengan demikian membantu mengidentifikasi sumber kesalahan paling signifikan. Teknik ini tidak memerlukan verifikasi klasik terhadap keluaran rangkaian dan dengan demikian merupakan alat yang dapat diskalakan untuk men-debug program kuantum besar dalam bentuk rangkaian. Kami mendemonstrasikan kepraktisan dan kemanjuran teknik yang diusulkan dengan menerapkannya pada contoh rangkaian algoritmik yang diterapkan pada mesin kuantum IBM.

Gambar unggulan: Teknik $textit{local inversion}$ menunjukkan sejauh mana kesalahan di masing-masing lapisan $d$ ($L$) dari rangkaian $C$ mengganggu distribusi probabilitas keluaran. Hal ini dilakukan dengan menghitung total variasi jarak (TVD) antara distribusi probabilitas keluaran rangkaian $C$ dan distribusi probabilitas masing-masing rangkaian $d$ $C^{(i)}$. Di setiap sirkuit $C^{(i)}$, kita membalikkan lapisan ke-$i$ dan mengulanginya sedemikian rupa sehingga, jika tidak ada kesalahan pada $L_i$, $L_i L_i^{-1} L_i=L_i$ . Besaran relatif TVD antara distribusi probabilitas $C$ dan $C^{(i)}$ sebanding dengan derajat gangguan hasil rangkaian oleh kesalahan pada lapisan $L_i$.

Ringkasan populer

Peningkatan pesat dalam jumlah qubit dan kedalaman sirkuit kuantum yang dapat dieksekusi akan segera mencapai titik di mana memprediksi tingkat keberhasilan program secara akurat dan mengidentifikasi sumber kesalahan dalam implementasi sirkuit kuantum tidak mungkin dilakukan dengan teknik saat ini berdasarkan karakterisasi tingkat gerbang individu. Karya ini memperkenalkan alat in-situ baru untuk men-debug implementasi rangkaian kuantum yang mengidentifikasi lapisan rangkaian yang paling memengaruhi keluaran rangkaian dan juga menemukan mode kesalahan yang bergantung pada waktu, seperti degradasi gerbang selama eksekusi. Teknik kami didasarkan pada pembalik lapisan sirkuit individual secara lokal, yang memperkuat kesalahan pada lapisan yang dibalik. Melalui analisis, simulasi, dan eksperimen pada komputer kuantum IBM, kami menunjukkan efektivitas dan kepraktisan teknik kami dalam mengidentifikasi lapisan yang paling mengganggu keluaran rangkaian. Selain itu, kami menunjukkan bahwa dampak lapisan tertentu tidak hanya bergantung pada tingkat kesalahan gerbang yang membentuk lapisan tersebut tetapi juga pada struktur keseluruhan rangkaian. Teknik yang diusulkan adalah alat diagnostik dan debugging in-situ yang berguna untuk implementasi algoritma kuantum yang semakin kompleks.

► data BibTeX

@article{CalderonVargas2023quantumcircir, doi = {10.22331/q-2023-02-09-921}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-02-09-921}, title = {Sirkuit kuantum debugging dan analisis sensitivitas melalui inversi lokal}, penulis = {Calderon-Vargas, Fernando A. dan Proctor, Timothy dan Rudinger, Kenneth dan Sarovar, Mohan}, jurnal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, penerbit = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volume = {7}, halaman = {921}, bulan = feb, tahun = {2023} }

► Referensi

[1] IBM Meluncurkan terobosan prosesor kuantum 127-qubit, https://newsroom.ibm.com/2021-11-16-IBM-Unveils-Breakthrough-127-Qubit-Quantum-Processor.
https://newsroom.ibm.com/2021-11-16-IBM-Meluncurkan-Terobosan-127-Qubit-Quantum-Processor

[2] Pratinjau Bristlecone, prosesor kuantum baru Google, https://ai.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html.
https: / / ai.googleblog.com/ 2018/03 / a-preview-dari-bristlecone-googles-new.html

[3] Philip Ball, Fisikawan di Tiongkok menantang 'keunggulan kuantum' Google, Nature 588, 380–380 (2020).
https://doi.org/10.1038/d41586-020-03434-7

[4] Rigetti, apa yang kami bangun, https:///www.rigetti.com/what-we-build.
https:///www.rigetti.com/what-we-build

[5] Matthew Treinish, Jay Gambetta, dkk., Qiskit/qiskit: Qiskit 0.28.0 (2021).
https: / / doi.org/ 10.5281 / zenodo.5096364

[6] Pengembang Cirq, Cirq (2021).
https:///doi.org/10.5281/ZENODO.5182845

[7] Peter J. Karalekas dkk., PyQuil: Pemrograman kuantum dengan Python (2020).
https:///doi.org/10.5281/ZENODO.3631770

[8] Krysta Svore, Martin Roetteler, Alan Geller, Matthias Troyer, John Azariah, Christopher Granade, Bettina Heim, Vadym Kliuchnikov, Mariia Mykhailova, dan Andres Paz, T#: Mengaktifkan Komputasi dan Pengembangan Kuantum yang Dapat Diskalakan dengan DSL Tingkat Tinggi, dalam Prosiding Lokakarya Bahasa Spesifik Domain Dunia Nyata 2018 tentang – RWDSL2018 (ACM Press, Wina, Austria, 2018) hal. 1–10.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3183895.3183901

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

[10] Kaveh Khodjasteh, Daniel a. Lidar, dan Lorenza Viola, Kontrol Dinamis Akurat Sewenang-wenang dalam Sistem Kuantum Terbuka, Physical Review Letters 104, 090501 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.090501

[11] Edwin Barnes, Fernando A Calderon-Vargas, Wenzheng Dong, Bikun Li, Junkai Zeng, dan Fei Zhuang, Gerbang yang dikoreksi secara dinamis dari kurva ruang geometris, Sains dan Teknologi Kuantum 7, 023001 (2022).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/ac4421

[12] J. True Merrill dan Kenneth R. Brown, Kemajuan dalam Komputasi Urutan Nadi untuk Komputasi Kuantum, dalam Informasi Kuantum dan Komputasi Kimia (John Wiley & Sons, Inc., 2014) hlm.241–294, iSSN: 00652385.
https: / / doi.org/ 10.1002 / 9781118742631.ch10

[13] Xin Wang, Lev S Bishop, JP Kestner, Edwin Barnes, Kai Sun, dan S Das Sarma, Pulsa komposit untuk kontrol universal yang kuat dari qubit singlet-triplet., Nature communications 3, 997 (2012), penerbit: Nature Publishing Group.
https:///doi.org/10.1038/ncomms2003

[14] Charles D. Hill, Gerbang Terkendali-BUKAN yang Kuat dari Hampir Semua Interaksi, Physical Review Letters 98, 180501 (2007), iSBN: 0031-9007; 0031-9007.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.180501

[15] F. A. Calderon-Vargas dan J. P. Kestner, Mengoreksi Gerbang CNOT Secara Dinamis untuk Kesalahan Logika Sistematis, Physical Review Letters 118, 150502 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.150502

[16] E. Knill, D. Leibfried, R. Reichle, J. Britton, R. B. Blakestad, J. D. Jost, C. Langer, R. Ozeri, S. Seidelin, dan D. J. Wineland, Pembandingan acak gerbang kuantum, Tinjauan Fisik A 77, 10.1103 /physreva.77.012307 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.77.012307

[17] Easwar Magesan, J. M. Gambetta, dan Joseph Emerson, Pembandingan proses kuantum acak yang terukur dan kuat, Physical Review Letters 106, 10.1103/physrevlett.106.180504 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.106.180504

[18] Sarah Sheldon, Lev S. Bishop, Easwar Magesan, Stefan Filipp, Jerry M. Chow, dan Jay M. Gambetta, Mengkarakterisasi kesalahan pada operasi qubit melalui pembandingan acak berulang, Tinjauan Fisik A 93, 012301 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.93.012301

[19] Yipeng Huang dan Margaret Martonosi, Pernyataan statistik untuk memvalidasi pola dan menemukan bug dalam program kuantum, dalam Prosiding Simposium Internasional ke-46 tentang Arsitektur Komputer (ACM, Phoenix Arizona, 2019) hlm.541–553.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3307650.3322213

[20] Ji Liu, Gregory T. Byrd, dan Huiyang Zhou, Sirkuit Kuantum untuk Pernyataan Waktu Proses Dinamis dalam Komputasi Kuantum, dalam Prosiding Konferensi Internasional Kedua Puluh Lima tentang Dukungan Arsitektur untuk Bahasa Pemrograman dan Sistem Operasi (ACM, Lausanne Swiss, 2020) hal. 1017–1030.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3373376.3378488

[21] Gushu Li, Li Zhou, Nengkun Yu, Yufei Ding, Mingsheng Ying, dan Yuan Xie, Pernyataan runtime berbasis proyeksi untuk pengujian dan debugging program Quantum, Prosiding ACM tentang Bahasa Pemrograman 4, 1–29 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3428218

[22] Ji Liu dan Huiyang Zhou, Pendekatan Sistematis untuk Pernyataan Waktu Proses Keadaan Kuantum yang Tepat dan Perkiraan, pada Simposium Internasional IEEE tentang Arsitektur Komputer Berkinerja Tinggi (HPCA) tahun 2021 (IEEE, Seoul, Korea (Selatan), 2021) hlm.
https:///doi.org/10.1109/HPCA51647.2021.00025

[23] Tudor Giurgica-Tiron, Yousef Hindy, Ryan LaRose, Andrea Mari, dan William J. Zeng, Ekstrapolasi derau nol digital untuk mitigasi kesalahan kuantum, pada Konferensi Internasional IEEE 2020 tentang Komputasi dan Rekayasa Kuantum (QCE) (2020) hal. 306.
https: / / doi.org/ 10.1109 / QCE49297.2020.00045

[24] Alexander J. McCaskey, Zachary P. Parks, Jacek Jakowski, Shirley V. Moore, Titus D. Morris, Travis S. Humble, dan Raphael C. Pooser, Kimia kuantum sebagai tolok ukur untuk komputer kuantum jangka pendek, npj Informasi Kuantum 5 , 1 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0209-0

[25] Andre He, Benjamin Nachman, Wibe A. de Jong, dan Christian W. Bauer, Ekstrapolasi zero-noise untuk mitigasi kesalahan gerbang kuantum dengan penyisipan identitas, Tinjauan Fisik A 102, 012426 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.012426

[26] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone, dan Sam Gutmann, Algoritma optimasi perkiraan kuantum, arXiv:1411.4028 (2014).
arXiv: 1411.4028v1

[27] Michael A. Nielsen dan Isaac L. Chuang, Komputasi Kuantum dan Informasi Kuantum (Cambridge University Press, Cambridge, 2010).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[28] David C. McKay, Christopher J. Wood, Sarah Sheldon, Jerry M. Chow, dan Jay M. Gambetta, Gerbang Z yang efisien untuk komputasi kuantum, Tinjauan Fisik A 96, 022330 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.022330

[29] pyQAOA, https:///github.com/gregvw/pyQAOA.
https:///github.com/gregvw/pyQAOA

[30] Robin Blume-Kohout, John King Gamble, Erik Nielsen, Kenneth Rudinger, Jonathan Mizrahi, Kevin Fortier, dan Peter Maunz, Demonstrasi operasi qubit di bawah ambang batas toleransi kesalahan yang ketat dengan tomografi set gerbang, Nature Communications 8, 1–13 (2017) .
https:///doi.org/10.1038/ncomms14485

[31] PyGSTi. implementasi python dari Gate Set Tomography, https:///www.pygsti.info/.
https:///www.pygsti.info/

[32] Lukasz Cincio, Kenneth Rudinger, Mohan Sarovar, dan Patrick J. Coles, Pembelajaran Mesin Sirkuit Kuantum Tahan Kebisingan, PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[33] Kenneth Rudinger, Timothy Proctor, Dylan Langharst, Mohan Sarovar, Kevin Young, dan Robin Blume-Kohout, Menyelidiki Kesalahan Bergantung Konteks dalam Prosesor Kuantum, Tinjauan Fisik X 9, 021045 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.021045

[34] E. L. Hahn, Spin Echoes, Tinjauan Fisik 80, 580–594 (1950).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.80.580

[35] Timothy Proctor, Kenneth Rudinger, Kevin Young, Erik Nielsen, dan Robin Blume-Kohout, Mengukur Kemampuan Komputer Kuantum, Fisika Alam 18, 75 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41567-021-01409-7

[36] Ketika status masukan (atau mendekati) status dasar komputasi, distribusi keluaran yang diberikan oleh QFT mendekati seragam, sehingga membuat teknik kami tidak efisien seperti yang dibahas di bagian Diskusi.

[37] Constantinos Daskalakis, Ilias Diakonikolas, dan Rocco A. Servedio, Mempelajari Distribusi k-Modal melalui Pengujian, Teori Komputasi 10, 535–570 (2014).
https: / / doi.org/ 10.4086 / toc.2014.v010a020

[38] Kristan Temme, Sergey Bravyi, dan Jay M. Gambetta, Mitigasi Kesalahan untuk Sirkuit Kuantum Kedalaman Pendek, Physical Review Letters 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[39] Abhinav Kandala, Kristan Temme, Antonio D. Córcoles, Antonio Mezzacapo, Jerry M. Chow, dan Jay M. Gambetta, Mitigasi kesalahan memperluas jangkauan komputasi prosesor kuantum yang berisik, Nature 567, 491–495 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1040-7

[40] Ewout van den Berg, Zlatko K. Minev, Abhinav Kandala, dan Kristan Temme, Pembatalan kesalahan probabilistik dengan model pauli-lindblad yang jarang pada prosesor kuantum berisik 10.48550/arxiv.2201.09866 (2022).
https:///doi.org/10.48550/arxiv.2201.09866

[41] Tirthak Patel, Daniel Silver, dan Devesh Tiwari, Piagam: Mengidentifikasi operasi gerbang paling kritis di sirkuit kuantum melalui reversibilitas gerbang yang diperkuat, dalam Prosiding Konferensi Internasional tentang Komputasi, Jaringan, Penyimpanan dan Analisis Kinerja Tinggi, SC '22 (IEEE Press , 2022).
https: / / dl.acm.org/ doi / abs / 10.5555 / 3571885.3571904

[42] Vektorisasi matriks $ktimes ell$ $A$ dapat direpresentasikan sebagai jumlah linier $mathrm{vec}(A) = sum_{i=1}^{ell} mathbf{e}_i otimes A mathbf{e}_i $, di mana $mathbf{e}_i = [0,0,ldots ,1,dots ,0]^{mathrm{T}}]$ adalah basis kanonik ke-$i$ untuk ruang dimensi $ell$. Bentuk vektor perkalian matriks diberikan oleh $mathrm{vec}(ABC)=(C^{mathrm{T}}otimes A)mathrm{vec}(B)$, dengan $B$ ($C$) adalah matriks $ell kali m$ ($mtimes n$).

[43] Robin Blume-Kohout, Marcus P. da Silva, Erik Nielsen, Timothy Proctor, Kenneth Rudinger, Mohan Sarovar, dan Kevin Young, Taksonomi Kesalahan Markovian Kecil, PRX Quantum 3, 020335 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.020335

[44] Daniel Greenbaum, Pengantar Tomografi Kumpulan Gerbang Kuantum, arXiv:1509.02921 [quant-ph] (2015), arXiv: 1509.02921.
arXiv: 1509.02921

[45] Jerry M. Chow, Jay M. Gambetta, A. D. Corcoles, Seth T. Merkel, John A. Smolin, Chad Rigetti, S. Poletto, George A. Keefe, Mary B. Rothwell, J. R. Rozen, Mark B. Ketchen, dan M Steffen, Gerbang kuantum universal mendekati ambang batas toleransi kesalahan dengan qubit superkonduktor, Physical Review Letters 109, 060501 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.060501

[46] T. M. Cover dan Joy A. Thomas, Elemen teori informasi, edisi ke-2. (Wiley-Interscience, Hoboken, NJ, 2006).
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/047174882X

[47] Mohan Sarovar, Jun Zhang, dan Lishan Zeng, Keandalan simulasi kuantum analog, EPJ Quantum Technology 4, 1 (2017).
https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-016-0054-4

[48] Yosef Hochberg, Prosedur Bonferroni yang lebih tajam untuk uji signifikansi berganda, Biometrika 75, 800–802 (1988).
https: / / doi.org/ 10.1093 / biomet / 75.4.800

[49] E. L. Lehmann dan Joseph P. Romano, Menguji hipotesis statistik, edisi ke-3, teks Springer dalam statistik (Springer, New York, 2005).
https:///link.springer.com/book/10.1007/0-387-27605-X

Dikutip oleh

[1] Tirthak Patel, Daniel Silver, dan Devesh Tiwari, “PIAGAM: Mengidentifikasi Operasi Gerbang Paling Kritis di Sirkuit Kuantum melalui Reversibilitas Gerbang yang Diperkuat”, arXiv: 2211.09903, (2022).

Kutipan di atas berasal dari SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2023-02-09 17:23:22). Daftar ini mungkin tidak lengkap karena tidak semua penerbit menyediakan data kutipan yang cocok dan lengkap.

Tidak dapat mengambil Crossref dikutip oleh data selama upaya terakhir 2023-02-09 17:23:20: Tidak dapat mengambil data yang dikutip oleh untuk 10.22331 / q-2023-02-09-921 dari Crossref. Ini normal jika DOI terdaftar baru-baru ini.

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.