Foutbeperking op een kwantumfotonisch apparaat op korte termijn

Tijdstempel: 4 mei 2021 7:18 uur
Bronknooppunt: 844782

Daiqin Su1, Robert Israël1, Kunal Sharma2, Haoyu Qi1, Ish Dhand1, en Kamil Brádler1

1Xanadu, Toronto, Ontario, M5G 2C8, Canada
2Hearne Instituut voor Theoretische Fysica en Afdeling Fysica en Astronomie, Louisiana State University, Baton Rouge, LA, VS.

Vind je dit artikel interessant of wil je het bespreken? Scite of laat een reactie achter op SciRate.

Abstract

Fotonverlies is destructief voor de prestaties van kwantumfotonische apparaten en daarom is het onderdrukken van de effecten van fotonverlies van het grootste belang voor fotonische kwantumtechnologieën. We presenteren twee schema's om de effecten van fotonverlies voor een Gaussian Boson Sampling-apparaat te verzachten, in het bijzonder om de schatting van de bemonsteringskansen te verbeteren. In plaats van foutcorrectiecodes te gebruiken die duur zijn in termen van hun overhead voor hardwarebronnen, vereisen onze schema's slechts een kleine hoeveelheid hardwaremodificaties of zelfs geen modificatie. Onze technieken voor het onderdrukken van verliezen zijn gebaseerd op het verzamelen van aanvullende meetgegevens of op klassieke nabewerking zodra de meetgegevens zijn verkregen. We laten zien dat met een bescheiden kostprijs van klassieke nabewerking, de effecten van fotonenverlies aanzienlijk kunnen worden onderdrukt voor een bepaalde hoeveelheid verlies. De voorgestelde schema's zijn dus een belangrijke enabler voor toepassingen van fotonische kwantumapparaten op de korte termijn.

Uitgelichte afbeelding: verzacht het effect van fotonverlies voor een vacuümtoestand met twee standen. Hier is $ P ([n, n]) $ de kans om een ​​fotongetalpatroon $ [n, n] $ te detecteren.

Populaire samenvatting

Het Gaussian Boson Sampling (GBS) -apparaat is een van de meest veelbelovende kwantumfotonische apparaten. Het is onlangs gebruikt om het kwantumcomputervoordeel ten opzichte van klassieke computers aan te tonen bij een specifiek bemonsteringsprobleem. Het GBS-apparaat kan in de nabije toekomst ook praktische toepassingen vinden, bijvoorbeeld bij het oplossen van problemen met moleculaire docking. De prestaties van het GBS-apparaat worden echter dramatisch verslechterd door fotonverlies. In principe kan het fotonverlies worden gecorrigeerd met behulp van kwantumfoutcorrectiecodes, maar deze codes introduceren een grote overhead voor resources. Dit werk stelt twee schema's voor om het effect van fotonverlies voor het GBS-apparaat op korte termijn te verzachten, met een kleine hardwaremodificatie of zelfs geen modificatie. De prijs die moet worden betaald, is het uitvoeren van meerdere experimenten en klassieke nabewerking. Dit werk stelt vast dat het effect van fotonverlies aanzienlijk kan worden onderdrukt met een bescheiden hoeveelheid klassieke bronnen. Daarom zijn de voorgestelde schema's voor verliesbeperking essentieel voor toepassingen op korte termijn van kwantumfotonische technologieën.

► BibTeX-gegevens

► Referenties

[1] AG Fowler, M. Mariantoni, JM Martinis en AN Cleland, Surface codes: Op weg naar praktische grootschalige kwantumberekening, Phys. A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[2] J. Preskill, Quantum Computing in het NISQ-tijdperk en daarna, 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 en H. Neven, Karakteriseren van kwantumoverheersing in apparaten op korte termijn, Nature Physics 14, 595 (2018) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-018-0124-x

[4] S. Aaronson, en L. Chen, Complexiteitstheoretische grondslagen van kwantumoverheersingsexperimenten, arXiv: 1612.05903.
arXiv: 1612.05903v1

[5] F. Arute, et al., Quantum supremacy met behulp van een programmeerbare supergeleidende processor, Nature 574, 505 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[6] MJ Bremner, R. Jozsa en DJ Shepherd, Klassieke simulatie van kwantumberekeningen voor woon-werkverkeer impliceert ineenstorting van de polynoomhiërarchie, Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 467, 459 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2010.0301

[7] MJ Bremner, A. Montanaro, en DJ Shepherd, Gemiddelde casuscomplexiteit versus geschatte simulatie van kwantumberekeningen voor woon-werkverkeer, Phys. Rev. Lett. 117, 080501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.080501

[8] MJ Bremner, A.Montanaro en DJ Shepherd, Quantum supremacy bereiken met schaarse en lawaaierige kwantumberekeningen voor woon-werkverkeer, Quantum 1, 8 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-04-25-8

[9] S. Aaronson, A. Arkhipov, The computational complexity of linear optics, Proceedings of the drieënveertigste jaarlijkse ACM symposium on Theory of computing, 333-342 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

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

[11] S. Rahimi-Keshari, AP Lund en TC Ralph, Wat kunnen kwantumoptica zeggen over computationele complexiteitstheorie ?, Phys. Rev. Lett. 114, 060501 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.060501

[12] S. Rahimi-Keshari, TC Ralph en CM Caves, voldoende voorwaarden voor efficiënte klassieke simulatie van kwantumoptica, Phys. Rev. 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, en JL O'brien, een variationele eigenwaarde-oplosser op een fotonische kwantumprocessor, Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[14] E. Farhi, J. Goldstone en S. Gutmann, A quantum approximate optimization algoritme, arXiv: 1411.4028.
arXiv: 1411.4028

[15] E. Farhi en AW Harrow, Quantum supremacy door het quantum benaderende optimalisatie-algoritme, arXiv: 1602.07674.
arXiv: 1602.07674

[16] K. Temme, S. Bravyi en JM Gambetta, foutbeperking voor kwantumcircuits met korte diepte, Phys. Rev. Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[17] Y. Li en SC Benjamin, Efficient Variational Quantum Simulator Incorporating Active Error Minimization, 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 en JM Gambetta, Foutbeperking vergroot het rekenbereik van een lawaaierige kwantumprocessor, Nature 567, 491 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[19] S. Endo, SC Benjamin en Y. Li, Praktische kwantumfoutbeperking voor toepassingen in de nabije toekomst, Phys. Rev. X 8, 031027 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.031027

[20] C. Song, J. Cui, H. Wang, J. Hao, H. Feng, H. en Li, Ying, kwantumberekening met universele foutbeperking op een supergeleidende kwantumprocessor, Science Advances 5, (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[21] S. Zhang, Y. Lu, K. Zhang, W. Chen, Y. Li, J. Zhang, en K. Kim, fout-gemitigeerde kwantumpoorten die de fysieke trouw in een gevangen-ion-systeem overtreffen, Nature Communications 11, 1 ( 2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[22] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh, en TE O'Brien, Goedkope foutbeperking door symmetrieverificatie, 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 , en L. DiCarlo, Experimentele foutvermindering via symmetrieverificatie in een variationele kwantum eigensolver, Phys. Rev.A 100, 010302 (R) (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.010302

[24] S. McArdle, X. Yuan en S. Benjamin, Error-Mitigated Digital Quantum Simulation, Phys. Rev. Lett. 122, 180501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.180501

[25] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh, en TE O'Brien, Goedkope foutbeperking door symmetrieverificatie, Phys. Rev.A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

[26] M. Cerezo, K. Sharma, A. Arrasmith, en PJ Coles, Variationele kwantumtoestand eigensolver, arXiv: 2004.01372.
arXiv: 2004.01372

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

[28] K. Sharma, S. Khatri, M. Cerezo en PJ Coles, Geluidsbestendigheid van variationele kwantumcompilatie, New Journal of Physics 22, 043006 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ab784c

[29] L. Cincio, K. Rudinger, M. Sarovar en PJ Coles, Machine learning van ruisbestendige kwantumcircuits, PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[30] Y. Chen, M. Farahzad, S. Yoo en T. Wei, Detectortomografie op IBM-kwantumcomputers en beperking van een imperfecte meting, Phys. Rev.A 100, 052315 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052315

[31] MR Geller en M. Sun, Efficient correction of multiqubit-meetfouten, arXiv: 2001.09980.
arXiv: 2001.09980

[32] L. Funcke, T. Hartung, K. Jansen, S. Kühn, P. Stornati en X. Wang, Beperking van meetfouten in kwantumcomputers door middel van klassieke bit-flip-correctie, arXiv: 2007.03663.
arXiv: 2007.03663

[33] H. Kwon en J. Bae, een hybride kwantum-klassieke benadering voor het verminderen van meetfouten in kwantumalgoritmen, IEEE Transactions on Computers (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009664

[34] JR McClean, ME Kimchi-Schwartz, J. Carter en WA de Jong, Hybride kwantum-klassieke hiërarchie voor het verminderen van decoherentie en bepaling van aangeslagen toestanden, 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 en S. Endo, Realistische ruis verminderen in praktische, lawaaierige kwantumapparaten op gemiddelde schaal, Phys. Rev. Applied 15, 034026 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034026

[36] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, BC Benjamin en Y. Li, op leren gebaseerde kwantumfoutbeperking, arXiv: 2005.07601.
arXiv: 2005.07601

[37] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles en L. Cincio, Foutbeperking met Clifford-kwantumcircuitgegevens, arXiv: 2005.10189.
arXiv: 2005.10189

[38] A. Zlokapa, en A. Gheorghiu, een diep leermodel voor ruisvoorspelling op kwantumapparaten op korte termijn, arXiv: 2005.10811.
arXiv: 2005.10811

[39] J. Arrazola en TR Bromley, met behulp van Gaussian Boson-bemonstering om dichte subgraphs te vinden, Phys. Rev. Lett. 121, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.030503

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

[41] M. Schuld, K. Brádler, R. Israel, D. Su en B. Gupt, De gelijkenis van grafieken meten met een Gaussian boson sampler, Phys. Rev.A 101, 032314 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032314

[42] K. Brádler, R. Israel, M. Schuld en D. Su, A dualiteit in het hart van Gaussian boson sampling, arXiv: 1910.04022.
arXiv: 1910.04022v1

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

[44] K. Brádler, P. Dallaire-Demers, P. Rebentrost, D. Su en C. Weedbrook, Gauss-boson-sampling voor perfecte afstemming van willekeurige grafieken, Phys. Rev.A 98, 032310 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032310

[45] H. Qi, DJ Brod, N. Quesada en 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

[46] WR Clements, PC Humphreys, BJ Metcalf, WS Kolthammer en IA Walsmley, Optimaal ontwerp voor universele multipoort-interferometers, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[47] M. Reck, A. Zeilinger, HJ Bernstein en P. Bertani, Experimentele realisatie van elke afzonderlijke unitaire operator, Phys. Rev. Lett. 73, 58 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

[48] M. Jacques, A. Samani, E. El-Fiky, D. Patel, X. Zhenping en DV Plant, Optimalisatie van thermo-optisch faseverschuiverontwerp en beperking van thermische overspraak op het SOI-platform, Opt. Express 27, 10456 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.27.010456

[49] A. Serafini, Quantum continue variabelen: een primer van theoretische methoden (CRC Press, 2017).

[50] J. Huh, GG Guerreschi, B. Peropadre, JR McClean en A. Aspuru-Guzik, Boson-sampling voor moleculaire vibronische spectra, 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 en AG White, Directe karakterisering van lineair-optische netwerken, Opt. Express 21, 13450 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.21.013450

[52] V. Giovannetti, AS Holevo en R. García-Patrón, A Solution of Gaussian Optimizer Conjecture for Quantum Channels, Commun. Wiskunde. Phys. 334, 1553 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-014-2150-6

[53] R. García-Patrón, J. Renema en V. Shchesnovich, simuleren boson sampling in lossy architectures, 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, en I. Jex, Gedetailleerde studie van Gaussiaanse boson-sampling, Phys. Rev.A 100, 032326 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032326

Geciteerd door

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

[2] Tyler Volkoff, Zoë Holmes en Andrew Sornborger, "Universele compilatie en (No-)Free-Lunch stellingen voor continu variabel kwantumleren", arXiv: 2105.01049.

[3] Shreya P. Kumar, Leonhard Neuhaus, Lukas G. Helt, Haoyu Qi, Blair Morrison, Dylan H. Mahler en Ish Dhand, "Beperking van onvolkomenheden in lineaire optica via poorttoewijzing en compilatie", arXiv: 2103.03183.

[4] Saad Yalouz, Bruno Senjean, Filippo Miatto en Vedran Dunjko, "Codering van sterk gecorreleerde veelbosonen golffuncties op een fotonische kwantumcomputer: toepassing op het aantrekkelijke Bose-Hubbard-model", arXiv: 2103.15021.

Bovenstaande citaten zijn afkomstig van SAO / NASA ADS (laatst bijgewerkt met succes 2021-05-07 23:43:35). De lijst is mogelijk onvolledig omdat niet alle uitgevers geschikte en volledige citatiegegevens verstrekken.

On De door Crossref geciteerde service er zijn geen gegevens gevonden over het citeren van werken (laatste poging 2021-05-07 23:43:33).

Dit artikel is gepubliceerd in Quantum onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationaal (CC BY 4.0) licentie. Het auteursrecht blijft berusten bij de oorspronkelijke houders van auteursrechten, zoals de auteurs of hun instellingen.

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

Tijdstempel:

Meer van Quantum Journaal