Устранение ошибок на квантовом фотонном устройстве краткосрочного использования

Отметка времени: 4 мая 2021 г., 7:18
Исходный узел: 844782

Дайцинь Су1, Роберт Исраэль1, Кунал Шарма2, Хаоюй Ци1, Иш Дханд1, и Камил Брадлер1

1Занаду, Торонто, Онтарио, M5G 2C8, Канада
2Институт теоретической физики Херна и факультет физики и астрономии Государственного университета Луизианы, Батон-Руж, Лос-Анджелес, США

Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.

Абстрактные

Потеря фотонов разрушительна для работы квантовых фотонных устройств, и поэтому подавление эффектов потери фотонов имеет первостепенное значение для фотонных квантовых технологий. Мы представляем две схемы для смягчения эффектов потери фотонов для устройства отбора проб гауссовского бозона, в частности, для улучшения оценки вероятностей дискретизации. Вместо использования кодов исправления ошибок, которые являются дорогостоящими с точки зрения накладных расходов на аппаратные ресурсы, наши схемы требуют лишь небольшого количества модификаций оборудования или даже не модификаций. Наши методы подавления потерь основаны либо на сборе дополнительных данных измерений, либо на классической постобработке после получения данных измерений. Мы показываем, что при умеренной стоимости классической постобработки эффекты потери фотонов могут быть значительно подавлены для определенного количества потерь. Таким образом, предлагаемые схемы являются ключевым фактором для приложений фотонных квантовых устройств ближнего действия.

Лучшее изображение: Смягчение эффекта потери фотонов для двухмодового состояния сжатого вакуума. Здесь $ P ([n, n]) $ - вероятность обнаружения шаблона числа фотонов $ [n, n] $.

Популярное резюме

Устройство отбора проб гауссовых бозонов (GBS) - одно из самых многообещающих устройств квантовой фотоники. Недавно его использовали для демонстрации преимущества квантовых вычислений над классическими компьютерами в конкретной задаче выборки. В ближайшем будущем устройство GBS также может найти практическое применение, например, в решении задач молекулярного стыковки. Однако производительность устройства GBS резко ухудшается из-за потери фотонов. В принципе, потерю фотонов можно скорректировать с помощью кодов квантовой коррекции ошибок, но эти коды приводят к большим накладным расходам ресурсов. В этой работе предлагаются две схемы для смягчения эффекта потери фотонов для устройства GBS в ближайшем будущем, с небольшой модификацией оборудования или даже без модификации. Цена, которую нужно заплатить, - выполнение нескольких экспериментов и классическая постобработка. Эта работа показывает, что эффект потери фотонов может быть значительно подавлен с помощью умеренного количества классических ресурсов. Таким образом, предлагаемые схемы уменьшения потерь необходимы для краткосрочного применения квантовых фотонных технологий.

► Данные BibTeX

► Рекомендации

[1] А. Г. Фаулер, М. Мариантони, Дж. М. Мартинис и А. Н. Клиленд, Поверхностные коды: На пути к практическим крупномасштабным квантовым вычислениям, Phys. Rev. A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[2] Дж. Прескилл, Квантовые вычисления в эпоху NISQ и далее, Квант 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[3] С. Бойшо, С. В. Исаков, В. Н. Смелянский, Р. Баббуш, Н. Динг, З. Цзян, М. Дж. Бремнер, Дж. М. Мартинис и Х. Невен, Характеристика квантового превосходства в устройствах краткосрочного использования, Nature Physics 14, 595 (2018) .
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-018-0124-х

[4] С. Ааронсон, Л. Чен, Теоретико-сложные основы экспериментов по квантовому превосходству, arXiv: 1612.05903.
Arxiv: 1612.05903v1

[5] Ф. Аруте и др., Квантовое превосходство с использованием программируемого сверхпроводящего процессора, Nature 574, 505 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[6] М. Дж. Бремнер, Р. Джозса и Д. Д. Шеперд, Классическое моделирование коммутирующих квантовых вычислений подразумевает коллапс полиномиальной иерархии, Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки 467, 459 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2010.0301

[7] MJ Bremner, A. Montanaro и DJ Shepherd, Средняя сложность по сравнению с приближенным моделированием коммутирующих квантовых вычислений, Phys. Rev. Lett. 117, 080501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.080501

[8] MJ Bremner, A. Montanaro и DJ Shepherd, Достижение квантового превосходства с помощью разреженных и шумных коммутирующих квантовых вычислений, Quantum 1, 8 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-04-25-8

[9] С. Ааронсон, А. Архипов, Вычислительная сложность линейной оптики, Труды сорок третьего ежегодного симпозиума ACM по теории вычислений, 333-342 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[10] К. С. Гамильтон, Р. Круз, Л. Сансони, С. Баркхофен, К. Зильберхорн, Кристин и И. Йекс, Отбор проб гауссовского бозона, Phys. Rev. Lett. 119, 170501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.170501

[11] С. Рахими-Кешари, А. П. Лунд и Т. К. Ральф, Что может сказать квантовая оптика о теории вычислительной сложности? // Phys. Rev. Lett. 114, 060501 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.060501

[12] С. Рахими-Кешари, Т. К. Ральф и С. М. Пещеры, Достаточные условия для эффективного классического моделирования квантовой оптики, Phys. Ред. X 6, 021039 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021039

[13] А. Перуццо, Дж. МакКлин, П. Шадболт, М. Юнг, Х. Чжоу, П. Дж. Лав, А. Аспуру-Гузик и Дж. Л. О'брайен, Вариационный решатель собственных значений на фотонном квантовом процессоре, Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[14] Э. Фархи, Дж. Голдстоун и С. Гутманн, Квантовый приближенный алгоритм оптимизации, arXiv: 1411.4028.
Arxiv: 1411.4028

[15] Э. Фархи, А. В. Харроу, Квантовое превосходство через алгоритм квантовой приближенной оптимизации, arXiv: 1602.07674.
Arxiv: 1602.07674

[16] Темме К., Брави С., Гамбетта Дж. Снижение ошибок для квантовых схем с короткой глубиной // Phys. Rev. Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[17] Ю. Ли, С. К. Бенджамин, Эффективный вариационный квантовый симулятор, включающий активную минимизацию ошибок, Phys. Ред. X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[18] А. Кандала, К. Темме, А. Д. Корколес, А. Меззакапо, Дж. М. Чоу и Дж. М. Гамбетта, Устранение ошибок расширяет вычислительные возможности шумного квантового процессора, Nature 567, 491 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[19] С. Эндо, С. К. Бенджамин, Ю. Ли, Практическое квантовое смягчение ошибок для приложений ближайшего будущего, Phys. Ред. X 8, 031027 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.031027

[20] Ч. Сонг, Дж. Цуй, Х. Ван, Дж. Хао, Х. Фэн, Х. и Ли, Ин, Квантовые вычисления с универсальным уменьшением ошибок на сверхпроводящем квантовом процессоре, Science Advances 5, (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[21] С. Чжан, Ю. Лу, К. Чжан, В. Чен, Ю. Ли, Дж. Чжан и К. Ким, Квантовые вентили с уменьшенными ошибками, превышающие физическую точность в системе захваченных ионов, Nature Communications 11, 1 ( 2020).
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-г

[22] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh и TE O'Brien, Недорогое уменьшение ошибок путем проверки симметрии, Phys. Ред. A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

[23] Р. Сагастизабал, Х. Бонет-Монройг, М. Сингх, М. А. Рол, С. К. Бултинк, Х. Фу, С. К. Прайс, В. П. Остроух, Н. Мутусубраманян, А. Бруно, М. Бикман, Н. Хайдер, Т. Э. О'Брайен , и Л. ДиКарло, Снижение экспериментальных ошибок путем проверки симметрии в вариационном квантовом собственном преобразователе, Phys. Ред. A 100, 010302 (R) (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.010302

[24] С. Макардл, Х. Юань, С. Бенджамин, Цифровое квантовое моделирование с уменьшением ошибок, Phys. Rev. Lett. 122, 180501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.180501

[25] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh и TE O'Brien, Недорогое уменьшение ошибок путем проверки симметрии, Phys. Ред. A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

[26] М. Сересо, К. Шарма, А. Арразмит и П. Дж. Коулз, Собственный преобразователь вариационного квантового состояния, arXiv: 2004.01372.
Arxiv: 2004.01372

[27] JR McClean, J. Romero, R. Babbush и A. Aspuru-Guzik, Теория вариационных гибридных квантово-классических алгоритмов, New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

[28] К. Шарма, С. Хатри, М. Сересо и П. Дж. Коулз, Устойчивость к шуму вариационного квантового компиляции, New Journal of Physics 22, 043006 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ab784c

[29] Л. Чинчио, К. Рудингер, М. Саровар и П. Дж. Коулз, Машинное обучение устойчивых к шумам квантовых схем, PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[30] Y. Chen, M. Farahzad, S. Yoo, T. Wei, Детекторная томография на квантовых компьютерах IBM и уменьшение несовершенных измерений, Phys. Ред. A 100, 052315 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052315

[31] М. Р. Геллер и М. Сан, Эффективное исправление ошибок многокубитовых измерений, arXiv: 2001.09980.
Arxiv: 2001.09980

[32] Л. Функе, Т. Хартунг, К. Янсен, С. Кюн, П. Сторнати и X. Ван, Снижение ошибок измерения в квантовых компьютерах с помощью классической коррекции переворота битов, arXiv: 2007.03663.
Arxiv: 2007.03663

[33] Х. Квон и Дж. Бэ, Гибридный квантово-классический подход к уменьшению ошибок измерения в квантовых алгоритмах, IEEE Transactions on Computers (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009664

[34] JR McClean, ME Kimchi-Schwartz, J. Carter и WA de Jong, Гибридная квантово-классическая иерархия для смягчения декогеренции и определения возбужденных состояний, Phys. Ред. A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[35] J. Sun, X. Yuan, T. Tsunoda, V. Vedral, SC Bejamin, S. Endo, Снижение реалистичного шума в практических зашумленных квантовых устройствах среднего уровня, Phys. Ред. Заявлено 15, 034026 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034026

[36] А. Стрикис, Д. Цинь, Ю. Чен, BC Бенджамин и Ю. Ли, Устранение квантовых ошибок на основе обучения, arXiv: 2005.07601.
Arxiv: 2005.07601

[37] П. Чарник, А. Арразмит, П. Дж. Коулз и Л. Чинчио, Устранение ошибок с помощью данных квантовой схемы Клиффорда, arXiv: 2005.10189.
Arxiv: 2005.10189

[38] А. Злокапа, А. Георгиу, Модель глубокого обучения для прогнозирования шума на квантовых устройствах в ближайшем будущем, arXiv: 2005.10811.
Arxiv: 2005.10811

[39] J. Arrazola, TR Bromley, Использование гауссовской дискретизации бозона для поиска плотных подграфов, Phys. Rev. Lett. 121, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.030503

[40] К. Брадлер, С. Фридланд, Дж. Изаак, Н. Киллоран и Д. Су, Изоморфизм графов и выборка гауссовских бозонов, Spec. Матрицы 9, 166 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1515 / spma-2020-0132

[41] М. Шульд, К. Брадлер, Р. Исраэль, Д. Су и Б. Гупт, Измерение подобия графов с помощью пробоотборника гауссовских бозонов, Phys. Ред. A 101, 032314 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032314

[42] К. Брадлер, Р. Исраэль, М. Шульд и Д. Су, Двойственность в основе выборки гауссовых бозонов, arXiv: 1910.04022.
Arxiv: 1910.04022v1

[43] К. Видбрук, С. Пирандола, Р. Гарсия-Патрон, Н. Дж. Серф, Т. К. Ральф, Дж. Х. Шапиро и С. Ллойд, Гауссова квантовая информация, Rev. Mod. Phys. 84, 621 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.84.621

[44] K. Brádler, P. Dallaire-Demers, P. Rebentrost, D. Su, and C. Weedbrook, Выборка гауссовских бозонов для идеального сопоставления произвольных графов, Phys. Ред. A 98, 032310 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032310

[45] Х. Ци, Д. Д. Брод, Н. Кесада и Р. Гарсиа-Патрон, Режимы классической моделируемости для шумовой выборки гауссовского бозона, Phys. Rev. Lett. 124, 100502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.100502

[46] В. Р. Клементс, П. К. Хамфрис, Б. Дж. Меткалф, В. С. Колтхаммер и И. А. Уолсмли, Оптимальная конструкция универсальных многопортовых интерферометров, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[47] Рек М., Цайлингер А., Бернштейн Х., Бертани П. Экспериментальная реализация любого дискретного унитарного оператора // Phys. Rev. Lett. 73, 58 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

[48] М. Жак, А. Самани, Э. Эль-Фики, Д. Патель, X. Женпин и Д. В. Плант, Оптимизация конструкции термооптического фазовращателя и уменьшение тепловых перекрестных помех на платформе SOI, Опт. Экспресс 27, 10456 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.27.010456

[49] А. Серафини, Квантовые непрерывные переменные: Введение в теоретические методы (CRC Press, 2017).

[50] Дж. Ха, Г. Г. Геррески, Б. Перопадре, Дж. Р. МакКлин и А. Аспуру-Гузик, Отбор проб бозона для молекулярных вибронных спектров, Nature Photonics 9, 615 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2015.153

[51] С. Рахими-Кешари, М. А. Брум, Р. Фиклер, А. Федрицци, Т. К. Ральф, А. Г. Уайт, Прямая характеристика линейно-оптических сетей, Опт. Экспресс 21, 13450 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.21.013450

[52] В. Джованнетти, А.С. Холево, Р. Гарсиа-Патрон, Решение гипотезы гауссовского оптимизатора для квантовых каналов, Коммуник. Математика. Phys. 334, 1553 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-014-2150-6

[53] Р. Гарсия-Патрон, Дж. Ренема и В. Щеснович, Моделирование дискретизации бозонов в архитектурах с потерями, Quantum 3, 169 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-08-05-169

[54] Р. Круз, К. С. Гамильтон, Л. Сансони, С. Баркхофен, К. Зильберхорн и И. Йекс, Детальное исследование выборки гауссовых бозонов, Phys. Ред. A 100, 032326 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032326

Цитируется

[1] М. Сересо, Эндрю Аррасмит, Райан Бэббуш, Саймон К. Бенджамин, Сугуру Эндо, Кейсуке Фуджи, Джаррод Р. МакКлин, Косуке Митараи, Сяо Юань, Лукаш Чинчо и Патрик Дж. Коулз, «Вариационные квантовые алгоритмы», Arxiv: 2012.09265.

[2] Тайлер Волкофф, Зои Холмс и Эндрю Сорнборгер, «Универсальные теоремы о компиляции и (без) бесплатного обеда для непрерывного переменного квантового обучения», Arxiv: 2105.01049.

[3] Шрейя П. Кумар, Леонхард Нойхаус, Лукас Г. Хелт, Хаою Ци, Блэр Моррисон, Дилан Х. Малер и Иш Дханд, «Устранение недостатков линейной оптики с помощью распределения портов и компиляции», Arxiv: 2103.03183.

[4] Саад Ялуз, Бруно Сенджан, Филиппо Миатто и Ведран Дунько, «Кодирование сильно коррелированных многих бозонных волновых функций на фотонном квантовом компьютере: приложение к привлекательной модели Бозе-Хаббарда», Arxiv: 2103.15021.

Приведенные цитаты из САО / НАСА ADS (последнее обновление успешно 2021-05-07 23:43:35). Список может быть неполным, поскольку не все издатели предоставляют подходящие и полные данные о цитировании.

On Цитируемый сервис Crossref Данные о цитировании работ не найдены (последняя попытка 2021-05-07 23:43:33).

Эта статья опубликована в Quantum под Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) лицензия. Авторское право остается за первоначальными правообладателями, такими как авторы или их учреждения.

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

Отметка времени:

Больше от Квантовый журнал