Feilreduksjon på en kortvarig kvantefotonisk enhet

Tidsstempel: 4. mai 2021 7:18
Kilde node: 844782

Daiqin Su1, Robert Israel1, Kunal Sharma2, Haoyu Qi1, Ish Dhand1og Kamil Brádler1

1Xanadu, Toronto, Ontario, M5G 2C8, Canada
2Hearne Institute for Theoretical Physics og Institutt for fysikk og astronomi, Louisiana State University, Baton Rouge, LA USA

Finn dette papiret interessant eller vil diskutere? Scite eller legg igjen en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Fotontap er ødeleggende for ytelsen til kvantefotoniske enheter, og det er derfor viktig med fotonisk kvanteteknologi å undertrykke effekten av fotonstap. Vi presenterer to skjemaer for å redusere effekten av fotonstap for en Gaussisk Boson Sampling-enhet, spesielt for å forbedre estimeringen av sannsynlighetene for sampling. I stedet for å bruke feilkorreksjonskoder som er dyre når det gjelder maskinvarens ressursomkostninger, krever våre ordninger bare en liten mengde maskinvaremodifikasjoner eller til og med ingen modifikasjoner. Våre tapssuppresjonsteknikker er avhengig av å samle inn ytterligere måledata eller på klassisk etterbehandling når måledataene er innhentet. Vi viser at med en moderat kostnad for klassisk etterbehandling kan effekten av foton-tap undertrykkes betydelig for en viss mengde tap. De foreslåtte ordningene er således en nøkkelaktivator for applikasjoner av kortvarige fotoniske kvanteenheter.

Utvalgt bilde: Demp effekten av foton-tap for en to-modus presset vakuumtilstand. Her er $ P ([n, n]) $ sannsynligheten for å oppdage et fotonummermønster $ [n, n] $.

Populært sammendrag

Den Gaussian boson sampling (GBS) enheten er en av de mest lovende kvantefotoniske enhetene. Det har nylig blitt brukt til å demonstrere kvanteberegningsfordelen i forhold til klassiske datamaskiner i et bestemt samplingsproblem. GBS-enheten kan også finne praktiske anvendelser, for eksempel i å løse molekylære dockingproblemer, i nær fremtid. Imidlertid blir ytelsen til GBS-enheten dramatisk svekket av foton-tap. I prinsippet kan fotontapet korrigeres ved hjelp av kvantefeilkorrigeringskoder, men disse kodene introduserer en stor ressursomkostning. Dette arbeidet foreslår to ordninger for å redusere effekten av foton-tap for den kortsiktige GBS-enheten, med en liten maskinvaremodifikasjon eller til og med ingen modifikasjon. Prisen å betale er å utføre flere eksperimenter og klassisk etterbehandling. Dette arbeidet finner ut at effekten av foton-tap kan undertrykkes betydelig med en moderat mengde klassiske ressurser. Derfor er de foreslåtte tapsreduserende ordningene avgjørende for kortvarige anvendelser av kvantefotoniske teknologier.

► BibTeX-data

► Referanser

[1] AG Fowler, M. Mariantoni, JM Martinis og AN Cleland, Overflatekoder: Mot praktisk kvanteberegning i stor skala, Phys. Rev. A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[2] J. Preskill, Quantum Computing i NISQ-tiden og utover, 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, and H. Neven, Characterizing quantum supremacy in near-term devices, Nature Physics 14, 595 (2018) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-018-0124-x

[4] S. Aaronson og L. Chen, kompleksitetsteoretiske grunnlag for kvanteoverlegenhetseksperimenter, arXiv: 1612.05903.
arxiv: 1612.05903v1

[5] F. Arute, et al., Quantum supremacy ved hjelp av en programmerbar superledende prosessor, Nature 574, 505 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[6] MJ Bremner, R. Jozsa og DJ Shepherd, Klassisk simulering av pendling av kvanteberegninger innebærer kollaps av polynomhierarkiet, 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 og DJ Shepherd, gjennomsnittlig sakskompleksitet versus omtrentlig simulering av pendling av kvanteberegninger, Phys. Prest Lett. 117, 080501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.080501

[8] MJ Bremner, A. Montanaro, og DJ Shepherd, Oppnå kvanteoverlegenhet med sparsomme og støyende pendlingskvantumberegninger, Quantum 1, 8 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-04-25-8

[9] S. Aaronson, A. Arkhipov, Computational complexity of linear optics, Proceedings of the forty-third annual 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 og I. Jex, Gaussian Boson Sampling, Phys. Prest Lett. 119, 170501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.170501

[11] S. Rahimi-Keshari, AP Lund og TC Ralph, Hva kan kvanteoptikk si om Computational Complexity Theory ?, Phys. Prest Lett. 114, 060501 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.060501

[12] S. Rahimi-Keshari, TC Ralph og CM Caves, Tilstrekkelige forhold for effektiv klassisk simulering av kvanteoptikk, 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 og JL O'brien, En variasjonell egenverdiløser på en fotonisk kvanteprosessor, Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[14] E. Farhi, J. Goldstone og S. Gutmann, en kvantet tilnærmet optimaliseringsalgoritme, arXiv: 1411.4028.
arxiv: 1411.4028

[15] E. Farhi, og AW Harrow, Quantum supremacy through the quantum approximate optimization algoritme, arXiv: 1602.07674.
arxiv: 1602.07674

[16] K. Temme, S. Bravyi og JM Gambetta, feilreduksjon for kortdypede kvantekretser, Phys. Prest Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[17] Y. Li, og SC Benjamin, Effektiv variasjonell kvantesimulator som inkluderer aktiv feilminimering, 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 og JM Gambetta, feilreduksjon utvider beregningsrekkevidden til en støyende kvanteprosessor, Nature 567, 491 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[19] S. Endo, SC Benjamin og Y. Li, praktisk kvantefeilreduksjon for nær fremtidige applikasjoner, 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. og Li, Ying, Quantum-beregning med universell feilreduksjon på en superledende kvanteprosessor, Science Advances 5, (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[21] S. Zhang, Y. Lu, K. Zhang, W. Chen, Y. Li, J. Zhang og K. Kim, feilreduserte kvanteporter som overstiger fysiske troskap i et fanget ion-system, Nature Communications 11, 1 ( 2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[22] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh og TE O'Brien, Rimelig feilreduksjon ved symmetriverifisering, 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 , og L. DiCarlo, eksperimentell feilreduksjon via symmetriverifisering i en variasjonskvanteeigensolver, Phys. Rev.A 100, 010302 (R) (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.010302

[24] S. McArdle, X. Yuan og S. Benjamin, feilredusert digital kvantesimulering, Phys. Prest Lett. 122, 180501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.180501

[25] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh og TE O'Brien, Rimelig feilreduksjon ved symmetriverifisering, Phys. Rev.A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

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

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

[28] K. Sharma, S. Khatri, M. Cerezo og PJ Coles, Noise resilience of variational quantum compiling, New Journal of Physics 22, 043006 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ab784c

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

[30] Y. Chen, M. Farahzad, S. Yoo og T. Wei, detektortomografi på IBM-kvantecomputere og reduksjon av en ufullkommen måling, Phys. Rev. A 100, 052315 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052315

[31] MR Geller, og M. Sun, Effektiv korreksjon av multiqubit målefeil, arXiv: 2001.09980.
arxiv: 2001.09980

[32] L. Funcke, T. Hartung, K. Jansen, S. Kühn, P. Stornati og X. Wang, Measurement error mitigation in quantum computers through classic bit-flip correction, arXiv: 2007.03663.
arxiv: 2007.03663

[33] H. Kwon og J. Bae, En hybrid kvante-klassisk tilnærming til å redusere målefeil i kvantealgoritmer, IEEE Transactions on Computers (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009664

[34] JR McClean, ME Kimchi-Schwartz, J. Carter og WA de Jong, Hybrid kvanteklassisk hierarki for å dempe dekoherens og bestemme eksiterte tilstander, 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 og S. Endo, Mitigating Realistic Noise in Practical Noisy Intermediate-Scale Quantum Devices, Phys. Pastor Anvendt 15, 034026 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034026

[36] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, BC Benjamin og Y. Li, Læringsbasert kvantefeilreduksjon, arXiv: 2005.07601.
arxiv: 2005.07601

[37] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles og L. Cincio, feilreduksjon med Clifford-kvantekretsdata, arXiv: 2005.10189.
arxiv: 2005.10189

[38] A. Zlokapa og A. Gheorghiu, en dyp læringsmodell for støyforutsigelse på nærtids kvanteenheter, arXiv: 2005.10811.
arxiv: 2005.10811

[39] J. Arrazola og TR Bromley, ved hjelp av Gaussian Boson Sampling for å finne tette underbilder, Phys. Prest Lett. 121, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.030503

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

[41] M. Schuld, K. Brádler, R. Israel, D. Su og B. Gupt, Måling av likhet mellom grafer med en Gaussisk bosonprøver, Phys. Rev. A 101, 032314 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032314

[42] K. Brádler, R. Israel, M. Schuld og D. Su, En dualitet i hjertet av Gaussisk bosonprøvetaking, arXiv: 1910.04022.
arxiv: 1910.04022v1

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

[44] K. Brádler, P. Dallaire-Demers, P. Rebentrost, D. Su og C. Weedbrook, Gaussisk bosonprøve for perfekt samsvar med vilkårlige grafer, Phys. Rev. A 98, 032310 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032310

[45] H. Qi, DJ Brod, N. Quesada og R. García-Patrón, Regimes of Classical Simulability for Noisy Gaussian Boson Sampling, Phys. Prest Lett. 124, 100502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.100502

[46] WR Clements, PC Humphreys, BJ Metcalf, WS Kolthammer og IA Walsmley, Optimal design for universelle flerportinterferometre, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[47] M. Reck, A. Zeilinger, HJ Bernstein og P. Bertani, eksperimentell realisering av enhver diskret enhetsoperatør, Phys. Prest Lett. 73, 58 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

[48] M. Jacques, A. Samani, E. El-Fiky, D. Patel, X. Zhenping og DV Plant, Optimalisering av termo-optisk faseskiftdesign og avbøting av termisk overhør på SOI-plattformen, Opt. Express 27, 10456 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.27.010456

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

[50] J. Huh, GG Guerreschi, B. Peropadre, JR McClean, and A. Aspuru-Guzik, Boson sampling for molecular vibronic 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 og AG White, Direkte karakterisering av lineær-optiske nettverk, Opt. Express 21, 13450 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.21.013450

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

[53] R. García-Patrón, J. Renema og V. Shchesnovich, Simulating 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 og I. Jex, Detaljert studie av Gaussisk bosonprøvetaking, Phys. Rev. A 100, 032326 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032326

Sitert av

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

[2] Tyler Volkoff, Zoë Holmes og Andrew Sornborger, "Universal compiling and (No-) Free-Lunch theorems for kontinuerlig variabel kvantelæring", arxiv: 2105.01049.

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

[4] Saad Yalouz, Bruno Senjean, Filippo Miatto og Vedran Dunjko, "Koding av sterkt korrelerte mange-boson-bølgefunksjoner på en fotonisk kvantecomputer: applikasjon til den attraktive Bose-Hubbard-modellen", arxiv: 2103.15021.

Sitatene ovenfor er fra SAO / NASA ADS (sist oppdatert vellykket 2021-05-07 23:43:35). Listen kan være ufullstendig fordi ikke alle utgivere gir passende og fullstendige sitasjonsdata.

On Crossrefs siterte tjeneste ingen data om sitering av verk ble funnet (siste forsøk 2021-05-07 23:43:33).

Denne artikkelen er utgitt i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) tillatelse. Opphavsrett forblir hos de opprinnelige rettighetshaverne som forfatterne eller institusjonene deres.

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

Tidstempel:

Mer fra Kvantejournal