Atenuarea erorilor pe un dispozitiv fotonic cuantic pe termen scurt

Marca temporală: 4 mai 2021, ora 7:18
Nodul sursă: 844782

Daiqin Su1, Robert Israel1, Kunal Sharma2, Haoyu Qi1, Ish Dhand1și Kamil Brádler1

1Xanadu, Toronto, Ontario, M5G 2C8, Canada
2Institutul Hearne pentru Fizică Teoretică și Departamentul de Fizică și Astronomie, Universitatea de Stat Louisiana, Baton Rouge, LA, SUA

Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.

Abstract

Pierderea de fotoni este distructivă pentru performanța dispozitivelor fotonice cuantice și, prin urmare, suprimarea efectelor pierderii de fotoni este esențială pentru tehnologiile cuantice fotonice. Prezentăm două scheme pentru a atenua efectele pierderii de fotoni pentru un dispozitiv de eșantionare a bosonilor gaussian, în special, pentru a îmbunătăți estimarea probabilităților de eșantionare. În loc să folosiți coduri de corectare a erorilor care sunt costisitoare în ceea ce privește supraîncărcarea resurselor hardware, schemele noastre necesită doar o cantitate mică de modificări hardware sau chiar nicio modificare. Tehnicile noastre de suprimare a pierderilor se bazează fie pe colectarea datelor de măsurare suplimentare, fie pe post-procesarea clasică odată ce datele de măsurare sunt obținute. Arătăm că, cu un cost moderat al postprocesării clasice, efectele pierderii fotonilor pot fi suprimate semnificativ pentru o anumită cantitate de pierdere. Schemele propuse sunt astfel un factor cheie pentru aplicațiile dispozitivelor cuantice fotonice pe termen scurt.

Imagine prezentată: atenuează efectul pierderii fotonilor pentru o stare de vid comprimat în două moduri. Aici $P([n, n])$ este probabilitatea de a detecta un model de număr de fotoni $[n, n]$.

Rezumat popular

Dispozitivul de prelevare a bosonilor gaussian (GBS) este unul dintre cele mai promițătoare dispozitive fotonice cuantice. Acesta a fost folosit recent pentru a demonstra avantajul computațional cuantic față de computerele clasice într-o problemă specifică de eșantionare. Dispozitivul GBS poate găsi, de asemenea, aplicații practice, de exemplu, în rezolvarea problemelor de andocare moleculară, în viitorul apropiat. Cu toate acestea, performanța dispozitivului GBS este degradată dramatic de pierderea de fotoni. În principiu, pierderea de fotoni poate fi corectată folosind coduri de corectare a erorilor cuantice, dar aceste coduri introduc o suprasarcină mare a resurselor. Această lucrare propune două scheme pentru a atenua efectul pierderii de fotoni pentru dispozitivul GBS pe termen scurt, cu o mică modificare hardware sau chiar fără nicio modificare. Prețul de plătit este efectuarea de experimente multiple și post-procesare clasică. Această lucrare constată că efectul pierderii fotonilor poate fi suprimat semnificativ cu o cantitate moderată de resurse clasice. Prin urmare, schemele de atenuare a pierderilor propuse sunt esențiale pentru aplicațiile pe termen scurt ale tehnologiilor fotonice cuantice.

► Date BibTeX

► Referințe

[1] AG Fowler, M. Mariantoni, JM Martinis și AN Cleland, Coduri de suprafață: Către calcule cuantice practice la scară largă, Phys. Rev. A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[2] J. Preskill, Quantum Computing in the NISQ era and beyond, 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 și 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 și L. Chen, Fundamentele teoretice ale complexității experimentelor de supremație cuantică, arXiv:1612.05903.
arXiv: 1612.05903v1

[5] F. Arute și colab., Supremația cuantică folosind un procesor superconductor programabil, Nature 574, 505 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[6] MJ Bremner, R. Jozsa și DJ Shepherd, Classical simulation of commuting quantum calcules implica collapse of the polynomial hierarchy, 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 și DJ Shepherd, Complexitatea medie a cazului versus simularea aproximativă a calculelor cuantice de navetă, Phys. Rev. Lett. 117, 080501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.080501

[8] MJ Bremner, A. Montanaro și DJ Shepherd, Achieving quantum supremacy with sparse and noisy commuting quantum calculations, 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 fourty-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 și 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 și 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 și CM Caves, Sufficient Conditions for Efficient Classical Simulation of Quantum Optics, 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 și 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 și S. Gutmann, Un algoritm de optimizare cuantică aproximativă, arXiv:1411.4028.
arXiv: 1411.4028

[15] E. Farhi și AW Harrow, Supremația cuantică prin algoritmul de optimizare aproximativă cuantică, arXiv:1602.07674.
arXiv: 1602.07674

[16] K. Temme, S. Bravyi și 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 și 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 și JM Gambetta, Error mitigation extends the computational reach of a noisy quantum processor, Nature 567, 491 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[19] S. Endo, SC Benjamin și Y. Li, Practical Quantum Error Mitigation for Near-Future Applications, 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. și Li, Ying, calcul cuantic cu atenuare universală a erorilor pe un procesor cuantic supraconductor, Science Advances 5, (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[21] S. Zhang, Y. Lu, K. Zhang, W. Chen, Y. Li, J. Zhang și K. Kim, Porți cuantice atenuate de erori care depășesc fidelitățile fizice într-un sistem de ioni prins, Nature Communications 11, 1 ( 2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

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

[24] S. McArdle, X. Yuan și S. Benjamin, Simulare cuantică digitală atenuată de erori, Phys. Rev. Lett. 122, 180501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.180501

[25] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh și TE O'Brien, Low-cost error mitigation by symmetry verification, Phys. Rev. A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

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

[27] JR McClean, J. Romero, R. Babbush și A. Aspuru-Guzik, Teoria algoritmilor cuantici-clasici hibrizi variaționali, New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

[28] K. Sharma, S. Khatri, M. Cerezo și 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. Cicio, K. Rudinger, M. Sarovar și 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 și T. Wei, Detector tomography on IBM quantum computers and mitigation of an imperfect measurement, Phys. Rev. A 100, 052315 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052315

[31] MR Geller și M. Sun, Corectarea eficientă a erorilor de măsurare multiqubit, arXiv:2001.09980.
arXiv: 2001.09980

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

[33] H. Kwon și J. Bae, O abordare hibridă cuantică-clasică pentru atenuarea erorilor de măsurare în algoritmii cuantici, IEEE Transactions on Computers (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009664

[34] JR McClean, ME Kimchi-Schwartz, J. Carter și WA de Jong, Hybrid quantum-classical hierarchy for mitigation of decoerence and determination of excited states, 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 și S. Endo, Mitigating Realistic Noise in Practical Noisy Intermediate-Scale Quantum Devices, Phys. Rev. Applied 15, 034026 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034026

[36] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, BC Benjamin și Y. Li, Atenuarea erorilor cuantice bazată pe învățare, arXiv:2005.07601.
arXiv: 2005.07601

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

[38] A. Zlokapa și A. Gheorghiu, A deep learning model for noise prediction on near-term quantum devices, arXiv:2005.10811.
arXiv: 2005.10811

[39] J. Arrazola și TR Bromley, Folosind eșantionarea bosonilor Gaussian pentru a găsi subgrafe dense, Phys. Rev. Lett. 121, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.030503

[40] K. Brádler, S. Friedland, J. Izaac, N. Killoran și D. Su, Izomorfismul grafic și eșantionarea bosonilor gaussiani, Spec. Matrice 9, 166 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1515/​spma-2020-0132

[41] M. Schuld, K. Brádler, R. Israel, D. Su și B. Gupt, Măsurarea similarității graficelor cu un prelevator de bosoni Gaussian, Phys. Rev. A 101, 032314 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032314

[42] K. Brádler, R. Israel, M. Schuld și 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 și 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 și C. Weedbrook, Eșantionarea bosonilor gaussian pentru potriviri perfecte ale graficelor arbitrare, Phys. Rev. A 98, 032310 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032310

[45] H. Qi, DJ Brod, N. Quesada și 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 și 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 și P. Bertani, Experimental Realization of Any Discrete Unitary 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 și DV Plant, Optimization of thermo-optic phase-shifter design and mitigation of thermal crosstalk on the SOI platform, 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 și 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 și AG White, Caracterizarea directă a rețelelor liniar-optice, Opt. Express 21, 13450 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.21.013450

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

[53] R. García-Patrón, J. Renema și 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 și I. Jex, Studiu detaliat al eșantionării bosonilor Gaussi, Phys. Rev. A 100, 032326 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032326

Citat de

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

[2] Tyler Volkoff, Zoë Holmes, and 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 și Ish Dhand, „Mitigating linear optics imperfections via port allocation and compilation”, arXiv: 2103.03183.

[4] Saad Yalouz, Bruno Senjean, Filippo Miatto și Vedran Dunjko, „Codificarea funcțiilor de undă cu mulți bozoni puternic corelate pe un computer cuantic fotonic: aplicare la modelul atractiv Bose-Hubbard”, arXiv: 2103.15021.

Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2021-05-07 23:43:35). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.

On Serviciul citat de Crossref nu s-au găsit date despre citarea lucrărilor (ultima încercare 2021-05-07 23:43:33).

Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.

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

Timestamp-ul:

Mai mult de la Jurnalul cuantic