Ublažitev napak na kratkotrajni kvantni fotonski napravi

Časovni žig: 4. maj 2021 7:18
Izvorno vozlišče: 844782

Daiqin Su1, Robert Izrael1, Kunal Sharma2, Haoyu Qi1, Ish Dhand1in Kamil Brádler1

1Xanadu, Toronto, Ontario, M5G 2C8, Kanada
2Inštitut za teoretično fiziko Hearne in Oddelek za fiziko in astronomijo, Državna univerza Louisiana, Baton Rouge, LA ZDA

Se vam zdi ta članek zanimiv ali želite razpravljati? Zaslišite ali pustite komentar na SciRate.

Minimalizem

Izguba fotonov uničuje delovanje kvantnih fotonskih naprav, zato je zatiranje učinkov izgube fotonov najpomembnejše za fotonske kvantne tehnologije. Predstavljamo dve shemi za ublažitev učinkov izgube fotonov za napravo za vzorčenje Gaussian Boson, zlasti za izboljšanje ocene verjetnosti vzorčenja. Namesto da bi uporabili kode za odpravo napak, ki so drage glede na stroške virov strojne opreme, naše sheme zahtevajo le majhno količino sprememb strojne opreme ali celo nobene spremembe. Naše tehnike zatiranja izgub temeljijo na zbiranju dodatnih merilnih podatkov ali na klasični naknadni obdelavi, ko pridobimo merilne podatke. Pokazali smo, da lahko z zmernimi stroški klasične naknadne obdelave učinke izgube fotonov za določeno mero izgube znatno zatremo. Predlagane sheme so torej ključno sredstvo za uporabo kratkoročnih fotonskih kvantnih naprav.

Predstavljena slika: Ublaži učinek izgube fotonov za dvonačinsko stisnjeno vakuumsko stanje. Tu je $ P ([n, n]) $ verjetnost zaznavanja vzorca števil fotona $ [n, n] $.

Priljubljen povzetek

Naprava za vzorčenje Gaussovega bozona (GBS) je ena najbolj obetavnih kvantnih fotonskih naprav. V zadnjem času se uporablja za prikaz kvantne računske prednosti pred klasičnimi računalniki pri določenem problemu vzorčenja. Naprava GBS bo v bližnji prihodnosti morda našla tudi praktično uporabo, na primer pri reševanju težav z molekularnim priklopom. Vendar pa se zmogljivost naprave GBS močno poslabša zaradi izgube fotonov. Načeloma lahko izgubo fotona popravimo s kvantnimi kodami za odpravljanje napak, vendar te kode uvajajo velike režijske stroške. To delo predlaga dve shemi za ublažitev učinka izgube fotonov za bližnjo napravo GBS z majhno spremembo strojne opreme ali celo brez nje. Cena, ki jo je treba plačati, je izvedba več poskusov in klasična naknadna obdelava. To delo ugotavlja, da je učinek izgube fotonov mogoče znatno zatreti z zmerno količino klasičnih virov. Zato so predlagane sheme za zmanjšanje izgube bistvene za kratkoročne uporabe kvantnih fotonskih tehnologij.

► BibTeX podatki

► Reference

[1] AG Fowler, M. Mariantoni, JM Martinis in AN Cleland, Površinske oznake: Praktično obsežno kvantno računanje, Phys. Rev. A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[2] J. Preskill, Kvantno računalništvo v dobi NISQ in naprej, 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 in H. Neven, Karakterizacija kvantne prevlade v kratkoročnih napravah, Nature Physics 14, 595 (2018) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-018-0124-x

[4] S. Aaronson in L. Chen, Teoretično zapleteni temelji eksperimentov kvantne nadvlade, arXiv: 1612.05903.
arXiv: 1612.05903v1

[5] F. Arute, et al., Kvantna nadvlada z uporabo programabilnega superprevodnega procesorja, Nature 574, 505 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[6] MJ Bremner, R. Jozsa in DJ Shepherd, Klasična simulacija komutiranja kvantnih izračunov pomeni kolaps polinomske hierarhije, 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 in DJ Shepherd, Zapletenost povprečnega primera v primerjavi s približno simulacijo kvantnih izračunov v delo, Phys. Rev. Lett. 117, 080501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.080501

[8] MJ Bremner, A. Montanaro in DJ Shepherd, Doseganje kvantne nadvlade z redkimi in hrupnimi komutacijskimi kvantnimi izračuni, Quantum 1, 8 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-04-25-8

[9] S. Aaronson, A. Arkhipov, Računska zapletenost linearne optike, Zbornik triinštiridesetega letnega simpozija ACM o teoriji računalništva, 333-342 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[10] CS Hamilton, R. Kruse, L. Sansoni, S. Barkhofen, C. Silberhorn, Christine in 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 in TC Ralph, Kaj lahko kvantna optika pove o teoriji računske kompleksnosti ?, Phys. Rev. Lett. 114, 060501 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.060501

[12] S. Rahimi-Keshari, TC Ralph in CM Caves, Zadostni pogoji za učinkovito klasično simulacijo kvantne optike, 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 in JL O'brien, variacijski razreševalec lastnih vrednosti na fotonskem kvantnem procesorju, Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[14] E. Farhi, J. Goldstone in S. Gutmann, Kvantno približni algoritem za optimizacijo, arXiv: 1411.4028.
arXiv: 1411.4028

[15] E. Farhi in AW Harrow, Kvantna nadmoč skozi algoritem kvantne približne optimizacije, arXiv: 1602.07674.
arXiv: 1602.07674

[16] K. Temme, S. Bravyi in JM Gambetta, Ublažitev napak za kvantna vezja kratke globine, Phys. Rev. Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[17] Y. Li in SC Benjamin, Učinkovit variacijski kvantni simulator, ki vključuje aktivno zmanjševanje napak, 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 in JM Gambetta, Ublažitev napak razširja računski doseg hrupnega kvantnega procesorja, Nature 567, 491 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[19] S. Endo, SC Benjamin in Y. Li, Praktično ublažitev kvantnih napak za aplikacije v bližnji prihodnosti, 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. in Li, Ying, Kvantno računanje z univerzalnim blaženjem napak na superprevodnem kvantnem procesorju, Science Advances 5, (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[21] S. Zhang, Y. Lu, K. Zhang, W. Chen, Y. Li, J. Zhang in K. Kim, Kvantna vrata, ublažena z napakami, ki presegajo fizične zvestobe v ujetem ionskem sistemu, Nature Communications 11, 1 ( 2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[22] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh in TE O'Brien, Nizkocenovno blaženje napak s preverjanjem simetrije, 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 , in L. DiCarlo, Eksperimentalno ublažitev napak s preverjanjem simetrije v variacijskem kvantnem lastnem rešitelju, Phys. Rev. A 100, 010302 (R) (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.010302

[24] S. McArdle, X. Yuan in S. Benjamin, Digitalno kvantna simulacija z napakami, Phys. Rev. Lett. 122, 180501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.180501

[25] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh in TE O'Brien, Nizkocenovno blaženje napak s preverjanjem simetrije, Phys. Rev. A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

[26] M. Cerezo, K. Sharma, A. Arrasmith in PJ Coles, Variacijsko lastno kvantno stanje, arXiv: 2004.01372.
arXiv: 2004.01372

[27] JR McClean, J. Romero, R. Babbush in A. Aspuru-Guzik, Teorija variacijskih hibridnih kvantno-klasičnih algoritmov, New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

[28] K. Sharma, S. Khatri, M. Cerezo in PJ Coles, Odpornost na hrup variacijskega kvantnega sestavljanja, New Journal of Physics 22, 043006 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ab784c

[29] L. Cincio, K. Rudinger, M. Sarovar in PJ Coles, Strojno učenje hrupno odpornih kvantnih vezij, PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[30] Y. Chen, M. Farahzad, S. Yoo in T. Wei, Detektorska tomografija na IBM-ovih kvantnih računalnikih in ublažitev nepopolne meritve, Phys. Rev. A 100, 052315 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052315

[31] MR Geller in M. Sun, Učinkovito odpravljanje večkvotnih merilnih napak, arXiv: 2001.09980.
arXiv: 2001.09980

[32] L. Funcke, T. Hartung, K. Jansen, S. Kühn, P. Stornati in X. Wang, Ublažitev merilnih napak v kvantnih računalnikih s klasično korekcijo bit-flip, arXiv: 2007.03663.
arXiv: 2007.03663

[33] H. Kwon in J. Bae, Hibridni kvantno-klasični pristop k ublažitvi merilnih napak v kvantnih algoritmih, IEEE Transakcije na računalnikih (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009664

[34] JR McClean, ME Kimchi-Schwartz, J. Carter in WA de Jong, Hibridna kvantno-klasična hierarhija za ublažitev dekoherentnosti in določanje vzbujenih stanj, 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 in S. Endo, Blažitev realističnega hrupa v praktičnih hrupnih vmesnih kvantnih napravah, Phys. Rev. Uporabljeno 15, 034026 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034026

[36] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, BC Benjamin in Y. Li, Učenje na osnovi blaženja kvantnih napak, arXiv: 2005.07601.
arXiv: 2005.07601

[37] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles in L. Cincio, Ublažitev napak s podatki o kvantnih vezjih Clifforda, arXiv: 2005.10189.
arXiv: 2005.10189

[38] A. Zlokapa in A. Gheorghiu, Model globokega učenja za napovedovanje šuma na kratkoročnih kvantnih napravah, arXiv: 2005.10811.
arXiv: 2005.10811

[39] J. Arrazola in TR Bromley, Uporaba Gaussovega bozonskega vzorčenja za iskanje gostih podgrafov, Phys. Rev. Lett. 121, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.030503

[40] K. Brádler, S. Friedland, J. Izaac, N. Killoran in D. Su, Izomorfizem grafov in vzorčenje Gaussovega bozona, Spec. Matrice 9, 166 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1515 / spma-2020-0132

[41] M. Schuld, K. Brádler, R. Israel, D. Su in B. Gupt, Merjenje podobnosti grafov z vzorčevalnikom Gaussovega bozona, Phys. Rev. A 101, 032314 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032314

[42] K. Brádler, R. Israel, M. Schuld in D. Su, Dvojnost v središču vzorčenja Gaussovega bozona, arXiv: 1910.04022.
arXiv: 1910.04022v1

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

[44] K. Brádler, P. Dallaire-Demers, P. Rebentrost, D. Su in C. Weedbrook, Gaussovo vzorčenje bozona za popolno ujemanje poljubnih grafov, Phys. Rev. A 98, 032310 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032310

[45] H. Qi, DJ Brod, N. Quesada in R. García-Patrón, Režimi klasične simulabilnosti za hrupno vzorčenje Gaussovega bozona, Phys. Rev. Lett. 124, 100502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.100502

[46] WR Clements, PC Humphreys, BJ Metcalf, WS Kolthammer in IA Walsmley, Optimalna zasnova za univerzalne večportne interferometre, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[47] M. Reck, A. Zeilinger, HJ Bernstein in P. Bertani, Eksperimentalna realizacija katerega koli diskretnega enotnega operaterja, 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 in DV Plant, Optimizacija zasnove termo-optičnega faznega preklopnika in ublažitev toplotnih preslušanj na platformi SOI, Opt. Express 27, 10456 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.27.010456

[49] A. Serafini, Kvantne kontinuirane spremenljivke: priročnik teoretičnih metod (CRC Press, 2017).

[50] J. Huh, GG Guerreschi, B. Peropadre, JR McClean in A. Aspuru-Guzik, Bosonovo vzorčenje za molekularne vibronske spektre, 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 in AG White, Neposredna karakterizacija linearno-optičnih omrežij, Opt. Express 21, 13450 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.21.013450

[52] V. Giovannetti, AS Holevo in R. García-Patrón, Rešitev pretvorbe Gaussovega optimizatorja za kvantne kanale, Commun. Matematika. Fiz. 334, 1553 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-014-2150-6

[53] R. García-Patrón, J. Renema in V. Shchesnovich, Simulacija vzorčenja bozonov v arhitekturah z izgubami, 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 in I. Jex, Podrobna študija vzorčenja Gaussovega bozona, Phys. Rev. A 100, 032326 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032326

Navedel

[1] M. Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C. Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R. McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan, Lukasz Cincio in Patrick J. Coles, „Variacijski kvantni algoritmi“, arXiv: 2012.09265.

[2] Tyler Volkoff, Zoë Holmes in Andrew Sornborger, "Univerzalno sestavljanje in (brez-) brezplačni kosili za neprekinjeno spremenljivo kvantno učenje", arXiv: 2105.01049.

[3] Shreya P. Kumar, Leonhard Neuhaus, Lukas G. Helt, Haoyu Qi, Blair Morrison, Dylan H. Mahler in Ish Dhand, „Blaženje linearnih optičnih pomanjkljivosti z dodeljevanjem in kompilacijo pristanišč“, arXiv: 2103.03183.

[4] Saad Yalouz, Bruno Senjean, Filippo Miatto in Vedran Dunjko, "Kodiranje močno koreliranih mnogobozonskih valovnih funkcij na fotonskem kvantnem računalniku: uporaba privlačnega modela Bose-Hubbard", arXiv: 2103.15021.

Zgornji citati so iz SAO / NASA ADS (zadnjič posodobljeno 2021-05-07 23:43:35). Seznam je morda nepopoln, saj vsi založniki ne dajejo ustreznih in popolnih podatkov o citiranju.

On Crossref je navedel storitev ni bilo najdenih podatkov o navajanju del (zadnji poskus 2021-05-07 23:43:33).

Ta dokument je objavljen v Quantumu pod Priznanje avtorstva Creative Commons 4.0 International (CC BY 4.0) licenca. Avtorske pravice ostajajo pri izvirnih imetnikih avtorskih pravic, kot so avtorji ali njihove ustanove.

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

Časovni žig:

Več od Quantum Journal