Ograniczanie błędów w krótkoterminowym kwantowym urządzeniu fotonicznym

Znacznik czasu: 4 maja 2021 r. 7:18
Węzeł źródłowy: 844782

Daiqin Su1, Robert Izrael1, Kunal Sharma2, Haoyu Qi1, Isz Dhand1i Kamil Brádler1

1Xanadu, Toronto, Ontario, M5G 2C8, Kanada
2Hearne Institute for Theoretical Physics and Department of Physics and Astronomy, Louisiana State University, Baton Rouge, LA, USA

Czy ten artykuł jest interesujący czy chcesz dyskutować? Napisz lub zostaw komentarz do SciRate.

Abstrakcyjny

Utrata fotonów ma destrukcyjny wpływ na działanie kwantowych urządzeń fotonicznych, dlatego tłumienie skutków utraty fotonów ma kluczowe znaczenie dla fotonicznych technologii kwantowych. Przedstawiamy dwa schematy łagodzenia skutków utraty fotonów dla urządzenia do próbkowania bozonów gaussowskich, w szczególności w celu poprawy oszacowania prawdopodobieństwa próbkowania. Zamiast używać kodów korekcji błędów, które są drogie ze względu na obciążenie zasobów sprzętowych, nasze programy wymagają tylko niewielkiej liczby modyfikacji sprzętu lub nawet żadnych modyfikacji. Nasze techniki tłumienia strat polegają albo na gromadzeniu dodatkowych danych pomiarowych, albo na klasycznym przetwarzaniu końcowym po uzyskaniu danych pomiarowych. Pokazujemy, że przy umiarkowanym koszcie klasycznej obróbki końcowej skutki utraty fotonów można znacznie stłumić przy określonej utracie. Proponowane schematy są zatem kluczowym czynnikiem umożliwiającym zastosowanie krótkoterminowych fotonicznych urządzeń kwantowych.

Wyróżniony obraz: Łagodzenie efektu utraty fotonów w dwusystemowym stanie ściśniętej próżni. Tutaj $ P ([n, n]) $ jest prawdopodobieństwem wykrycia wzoru liczby fotonów $ [n, n] $.

Popularne podsumowanie

Urządzenie do pobierania próbek bozonu Gaussa (GBS) jest jednym z najbardziej obiecujących kwantowych urządzeń fotonicznych. Ostatnio został użyty do wykazania przewagi obliczeniowej kwantowej nad klasycznymi komputerami w konkretnym problemie próbkowania. Urządzenie GBS może również znaleźć praktyczne zastosowanie, np. W rozwiązywaniu molekularnych problemów dokowania w najbliższej przyszłości. Jednak wydajność urządzenia GBS jest dramatycznie obniżona z powodu utraty fotonów. Zasadniczo utratę fotonów można skorygować za pomocą kodów kwantowej korekcji błędów, ale te kody powodują duże obciążenie zasobów. W tej pracy zaproponowano dwa schematy łagodzenia skutków utraty fotonów w krótkoterminowym urządzeniu GBS, z niewielką modyfikacją sprzętową lub nawet bez modyfikacji. Ceną do zapłacenia jest wykonanie wielu eksperymentów i klasyczna obróbka końcowa. W pracy tej stwierdzono, że efekt utraty fotonów można znacznie stłumić przy użyciu umiarkowanej ilości klasycznych zasobów. Dlatego proponowane schematy ograniczania strat mają zasadnicze znaczenie dla krótkoterminowych zastosowań kwantowych technologii fotonicznych.

► Dane BibTeX

► Referencje

[1] AG Fowler, M. Mariantoni, JM Martinis i AN Cleland, Surface code: Towards praktyczne wielkoskalowe obliczenia kwantowe, Phys. Wersja A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[2] J. Preskill, Quantum Computing in the NISQ era and dalej, 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 i 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 i L. Chen, Teoria złożoności podstaw eksperymentów supremacji kwantowej, arXiv: 1612.05903.
arXiv: 1612.05903v1

[5] F. Arute i in., Quantum supremacy using a programmable nadprzewodnikowy procesor, Nature 574, 505 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[6] MJ Bremner, R. Jozsa i DJ Shepherd, Classical simulation of commuting quantum computations implikuje upadek hierarchii wielomianów, 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 i DJ Shepherd, Złożoność średniego przypadku a przybliżona symulacja obliczeń kwantowych dojeżdżających do pracy, Phys. Rev. Lett. 117, 080501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.080501

[8] MJ Bremner, A.Montanaro i DJ Shepherd, Osiągnięcie supremacji kwantowej dzięki rzadkim i hałaśliwym dojeżdżającym obliczeniom kwantowym, 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 czterdziestego trzeciego dorocznego sympozjum ACM 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 i 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 i TC Ralph, What Can Quantum Optics Say about Computational Complexity Theory ?, Phys. Rev. Lett. 114, 060501 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.060501

[12] S. Rahimi-Keshari, TC Ralph i CM Caves, Warunki wystarczające do efektywnej klasycznej symulacji optyki kwantowej, Fiz. Wersja 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 i JL O'brien, A Variational eigenvalue solver on a photonic quantum Processor, Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[14] E. Farhi, J. Goldstone i S. Gutmann, kwantowy algorytm przybliżonej optymalizacji, arXiv: 1411.4028.
arXiv: 1411.4028

[15] E. Farhi i AW Harrow, Supremacja kwantowa poprzez kwantowy algorytm przybliżonej optymalizacji, arXiv: 1602.07674.
arXiv: 1602.07674

[16] K. Temme, S. Bravyi i JM Gambetta, Error Mitigation for Short-Depth Quantum Circuits, Phys. Rev. Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[17] Y. Li i SC Benjamin, Efficient Variational Quantum Simulator Incorporating Active Error Minimization, Phys. Wersja X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[18] A. Kandala, K. Temme, AD Córcoles, A. Mezzacapo, JM Chow i JM Gambetta, Error mitigation extends the computational zasięg of a noisy quantum Processor, Nature 567, 491 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[19] S. Endo, SC Benjamin i Y. Li, Practical Quantum Error Mitigation for Near-Future Applications, Phys. Wersja X 8, 031027 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.031027

[20] C. Song, J. Cui, H. Wang, J. Hao, H. Feng, H. and Li, Ying, Quantum computation with universal error mitigation on a nadprzewodnikowy procesor kwantowy, Science Advances 5, (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[21] S. Zhang, Y. Lu, K. Zhang, W. Chen, Y. Li, J. Zhang i K. Kim, Error-mitigated quantum gates ponad Physical Fidelities in a trapped-ion system, Nature Communications 11, 1 ( 2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[22] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh i TE O'Brien, Low-cost error mitigation by symmetry weryfikacja, Phys. Wersja 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 i L. DiCarlo, Experimental error mitigation via symmetry authentication in a variation quantum eigensolver, Phys. Wydanie A 100, 010302 (R) (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.010302

[24] S. McArdle, X. Yuan i 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 i TE O'Brien, Low-cost error mitigation by symmetry weryfikacja, Phys. Wersja A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

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

[27] JR McClean, J. Romero, R. Babbush i A. Aspuru-Guzik, Teoria wariacyjnych hybrydowych algorytmów kwantowo-klasycznych, New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

[28] K. Sharma, S. Khatri, M. Cerezo i PJ Coles, Odporność na hałas wariacyjnej kompilacji kwantowej, New Journal of Physics 22, 043006 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ab784c

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

[30] Y. Chen, M. Farahzad, S. Yoo i T. Wei, Tomografia detektorowa na komputerach kwantowych IBM i łagodzenie niedoskonałego pomiaru, Phys. Wersja A 100, 052315 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052315

[31] MR Geller i M. Sun, Efektywna korekta błędów pomiaru wielokubitowego, arXiv: 2001.09980.
arXiv: 2001.09980

[32] L. Funcke, T. Hartung, K. Jansen, S. Kühn, P. Stornati i X. Wang, Pomiary błędów w komputerach kwantowych poprzez klasyczną korekcję odwracania bitów, arXiv: 2007.03663.
arXiv: 2007.03663

[33] H. Kwon i J. Bae, Hybrydowe kwantowo-klasyczne podejście do łagodzenia błędów pomiarowych w algorytmach kwantowych, IEEE Transactions on Computers (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009664

[34] JR McClean, ME Kimchi-Schwartz, J. Carter i WA de Jong, Hybrydowa kwantowo-klasyczna hierarchia dla ograniczenia dekoherencji i określania stanów wzbudzonych, Phys. Wersja A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[35] J. Sun, X. Yuan, T. Tsunoda, V. Vedral, SC Bejamin i S. Endo, Mitigating Realistic Noise in Practical Noisy Intermediate-Scale Quantum Devices, Phys. Wersja zastosowana 15, 034026 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034026

[36] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, BC Benjamin i Y. Li, Learning-based quantum error mitigation, arXiv: 2005.07601.
arXiv: 2005.07601

[37] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles i L. Cincio, Error mitigation with Clifford quantum-circuit data, arXiv: 2005.10189.
arXiv: 2005.10189

[38] A. Zlokapa i A. Gheorghiu, Model głębokiego uczenia się dla przewidywania szumu na krótkoterminowych urządzeniach kwantowych, arXiv: 2005.10811.
arXiv: 2005.10811

[39] J. Arrazola i TR Bromley, Using Gaussian Boson Sampling to Find Dense Subgraphs, Phys. Rev. Lett. 121, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.030503

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

[41] M. Schuld, K. Brádler, R. Israel, D. Su i B. Gupt, Pomiar podobieństwa grafów za pomocą próbnika bozonów Gaussa, Phys. Wersja A 101, 032314 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032314

[42] K. Brádler, R. Israel, M. Schuld i D. Su, A duality at the heart of Gaussian boson sampling, arXiv: 1910.04022.
arXiv: 1910.04022v1

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

[44] K. Brádler, P. Dallaire-Demers, P. Rebentrost, D. Su i C. Weedbrook, Gaussian bozon sampling for perfect match of arbitrary graphs, Phys. Wersja A 98, 032310 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032310

[45] H. Qi, DJ Brod, N. Quesada i 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 i IA Walsmley, Optimal design for universal multiport interferometers, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[47] M. Reck, A. Zeilinger, HJ Bernstein i P. Bertani, Experimental Realization of Any Discrete Unitary Operator, Phys. Rev. Lett. 73 (58).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

[48] M. Jacques, A. Samani, E. El-Fiky, D. Patel, X. Zhenping i DV Plant, Optymalizacja projektu termooptycznego przesuwnika fazowego i łagodzenie przesłuchów termicznych na platformie SOI, 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 i 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 i AG White, Bezpośrednia charakterystyka sieci liniowo-optycznych, Opt. Express 21, 13450 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.21.013450

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

[53] R. García-Patrón, J. Renema i V. Shchesnovich, Simulating boson sampling in straty 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 i I. Jex, Detailed study of Gaussian boson sampling, Phys. Wersja A 100, 032326 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032326

Cytowany przez

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

[2] Tyler Volkoff, Zoë Holmes i Andrew Sornborger, „Universal compiling and (No-) Free-Lunch theorems for continuous variable quantum learning”, arXiv: 2105.01049.

[3] Shreya P. Kumar, Leonhard Neuhaus, Lukas G. Helt, Haoyu Qi, Blair Morrison, Dylan H. Mahler i Ish Dhand, „Łagodzenie niedoskonałości optyki liniowej poprzez przydzielanie i kompilację portów”, arXiv: 2103.03183.

[4] Saad Yalouz, Bruno Senjean, Filippo Miatto i Vedran Dunjko, „Encoding silnie skorelowane funkcje falowe wielu bozonów na fotonicznym komputerze kwantowym: zastosowanie do atrakcyjnego modelu Bosego-Hubbarda”, arXiv: 2103.15021.

Powyższe cytaty pochodzą z Reklamy SAO / NASA (ostatnia aktualizacja pomyślnie 2021-05-07 23:43:35). Lista może być niekompletna, ponieważ nie wszyscy wydawcy podają odpowiednie i pełne dane cytowania.

On Serwis cytowany przez Crossref nie znaleziono danych na temat cytowania prac (ostatnia próba 2021-05-07 23:43:33).

Niniejszy artykuł opublikowano w Quantum pod Creative Commons Uznanie autorstwa 4.0 Międzynarodowe (CC BY 4.0) licencja. Prawa autorskie należą do pierwotnych właścicieli praw autorskich, takich jak autorzy lub ich instytucje.

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

Znak czasu:

Więcej z Dziennik kwantowy