Felreducering på en kortvarig kvantfotonanordning

Tidsstämpel: 4 maj 2021 7:18
Källnod: 844782

Daiqin Su1Robert Israel1, Kunal Sharma2, Haoyu Qi1, Ish Dhand1och Kamil Brádler1

1Xanadu, Toronto, Ontario, M5G 2C8, Kanada
2Hearne Institute for Theoretical Physics och Institutionen för fysik och astronomi, Louisiana State University, Baton Rouge, LA USA

Hitta det här uppsatsen intressant eller vill diskutera? Scite eller lämna en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Fotonförlust är destruktivt för prestanda hos kvantfotonanordningar och därför är det viktigast för fotoniska kvantteknologier att undertrycka effekterna av fotonförlust. Vi presenterar två scheman för att mildra effekterna av fotonförlust för en Gaussian Boson Sampling-enhet, särskilt för att förbättra uppskattningen av samplingssannolikheterna. Istället för att använda felkorrigeringskoder som är dyra när det gäller deras hårdvaruresurskostnader kräver våra system bara en liten mängd hårdvaruändringar eller till och med inga modifieringar. Våra förlustdämpningstekniker förlitar sig antingen på att samla in ytterligare mätdata eller på klassisk efterbehandling när mätdata erhållits. Vi visar att med en måttlig kostnad för klassisk efterbehandling kan effekterna av fotonförlust undertryckas avsevärt för en viss förlust. De föreslagna scheman är således en viktig möjliggörare för tillämpningar av kortvariga fotoniska kvantenheter.

Utvalda bilder: Minska effekten av fotonförlust för ett tvåläges pressat vakuumtillstånd. Här är $ P ([n, n]) $ sannolikheten att detektera ett fotonummermönster $ [n, n] $.

Populär sammanfattning

Den Gaussiska bosonprovtagningsenheten (GBS) är en av de mest lovande kvantfotoniska enheterna. Den har nyligen använts för att visa kvantberäkningsfördelen jämfört med klassiska datorer i ett specifikt samplingsproblem. GBS-enheten kan också hitta praktiska tillämpningar, t.ex. för att lösa molekylära dockningsproblem, inom en snar framtid. Emellertid försämras GBS-enhetens prestanda dramatiskt av fotonförlust. I princip kan fotonförlusten korrigeras med kvantfelkorrigeringskoder, men dessa koder introducerar en stor resurskostnad. Detta arbete föreslår två scheman för att mildra effekten av fotonförlust för den kortvariga GBS-enheten, med en liten hårdvaruändring eller till och med ingen modifiering. Priset att betala är att utföra flera experiment och klassisk efterbehandling. Detta arbete visar att effekten av fotonförlust kan undertryckas avsevärt med en måttlig mängd klassiska resurser. Därför är de föreslagna förlustreduceringssystemen väsentliga för kortvariga tillämpningar av kvantfotonisk teknik.

► BibTeX-data

► Referenser

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

[2] Preskill, Quantum Computing i och med NISQ-eran, 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 och L. Chen, komplexitetsteoretiska grunder för kvantöverhöghetsexperiment, arXiv: 1612.05903.
arXiv: 1612.05903v1

[5] F. Arute et al., Quantum supremacy med hjälp av en programmerbar superledande processor, Nature 574, 505 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[6] MJ Bremner, R. Jozsa och DJ Shepherd, Klassisk simulering av pendlingskvantberäkningar innebär kollaps av polynomhierarkin, 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 och DJ Shepherd, genomsnittlig komplexitet jämfört med ungefärlig simulering av pendlingskvantberäkningar, Phys. Pastor Lett. 117, 080501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.080501

[8] MJ Bremner, A. Montanaro och DJ Shepherd, Uppnå kvantöverhöghet med glesa och bullriga pendlingskvantberäkningar, Quantum 1, 8 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-04-25-8

[9] S. Aaronson, A. Arkhipov, Beräkningskomplexiteten hos linjär optik, 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 och I. Jex, Gaussian Boson Sampling, Phys. Pastor Lett. 119, 170501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.170501

[11] S. Rahimi-Keshari, AP Lund och TC Ralph, Vad kan kvantoptik säga om Computational Complexity Theory ?, Phys. Pastor Lett. 114, 060501 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.060501

[12] S. Rahimi-Keshari, TC Ralph och CM Caves, tillräckliga förhållanden för effektiv klassisk simulering av kvantoptik, Phys. Rev.X 6, 021039 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021039

[13] A. Peruzzo, J.McClean, P. (5).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[14] E. Farhi, J. Goldstone och S. Gutmann, en kvant approximativ optimeringsalgoritm, arXiv: 1411.4028.
arXiv: 1411.4028

[15] E. Farhi och AW Harrow, Quantum supremacy genom den kvant approximativa optimeringsalgoritmen, arXiv: 1602.07674.
arXiv: 1602.07674

[16] K. Temme, S. Bravyi och JM Gambetta, felreducering för kortdjupade kvantkretsar, Phys. Pastor Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[17] Y. Li och SC Benjamin, Effektiv variationskvantsimulator med aktiv felminimering, 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 och JM Gambetta, felreducering utökar beräkningsområdet för en bullrig kvantprocessor, Nature 567, 491 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[19] S. Endo, SC Benjamin och Y. Li, Praktisk kvantfelsreducering för tillämpningar nära framtiden, 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. och Li, Ying, Kvantberäkning med universell felreducering på en supraledande kvantprocessor, Science Advances 5, (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[21] S. Zhang, Y. Lu, K. Zhang, W. Chen, Y. Li, J. Zhang och K. Kim, felreducerade kvantgrindar som överskrider fysiska trovärdigheter i ett fångat jonsystem, Nature Communications 11, 1 ( 2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[22] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh och TE O'Brien, Lågkostnadsfelreduktion genom symmetriverifiering, 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 och L. DiCarlo, Experimentell felreducering via symmetriverifiering i en variationskvantumensolver, Phys. Rev. A 100, 010302 (R) (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.010302

[24] S. McArdle, X. Yuan och S. Benjamin, Felreducerad digital kvantsimulering, Phys. Pastor Lett. 122, 180501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.180501

[25] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh och TE O'Brien, Lågkostnadsfelreduktion genom symmetriverifiering, Phys. Rev A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

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

[27] JR McClean, J. Romero, R. Babbush och A. Aspuru-Guzik, Teorin om variationella hybridkvant-klassiska algoritmer, New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

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

[29] L. Cincio, K. Rudinger, M. Sarovar och PJ Coles, maskininlärning av brusbeständiga kvantkretsar, PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[30] Y. Chen, M. Farahzad, S. Yoo och T. Wei, detektortomografi på IBM kvantdatorer och lindring av en ofullständig mätning, Phys. Rev. A 100, 052315 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052315

[31] MR Geller och M. Sun, Effektiv korrigering av multiqubit-mätfel, arXiv: 2001.09980.
arXiv: 2001.09980

[32] L. Funcke, T. Hartung, K. Jansen, S. Kühn, P. Stornati och X. Wang, Mätfelreducering i kvantdatorer genom klassisk bit-flip-korrigering, arXiv: 2007.03663.
arXiv: 2007.03663

[33] H. Kwon och J. Bae, En hybridkvantklassisk metod för att mildra mätfel i kvantalgoritmer, IEEE-transaktioner på datorer (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009664

[34] JR McClean, ME Kimchi-Schwartz, J. Carter och WA de Jong, hybrid kvantklassisk hierarki för att mildra dekoherens och bestämning av upphetsade tillstånd, 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 och S. Endo, Mitigating Realistic Noise in Practical Noisy Intermediate-Scale Quantum Devices, Phys. Rev. Tillämpad 15, 034026 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034026

[36] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, BC Benjamin och Y. Li, inlärningsbaserad kvantfelsreduktion, arXiv: 2005.07601.
arXiv: 2005.07601

[37] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles och L. Cincio, Felreducering med Clifford kvantkretsdata, arXiv: 2005.10189.
arXiv: 2005.10189

[38] A. Zlokapa och A. Gheorghiu, en djupinlärningsmodell för bulleprognos på kortvariga kvantenheter, arXiv: 2005.10811.
arXiv: 2005.10811

[39] J. Arrazola och TR Bromley, med hjälp av Gaussian Boson Sampling för att hitta täta underbilder, Phys. Pastor Lett. 121, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.030503

[40] K. Brádler, S. Friedland, J. Izaac, N. Killoran och 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 och B. Gupt, Mätning av likheterna mellan grafer med en Gaussisk bosonprovtagare, Phys. Rev A 101, 032314 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032314

[42] K. Brádler, R. Israel, M. Schuld och D. Su, En dualitet i hjärtat av Gaussisk bosonprovtagning, arXiv: 1910.04022.
arXiv: 1910.04022v1

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

[44] K. Brádler, P. Dallaire-Demers, P. Rebentrost, D. Su och C. Weedbrook, Gaussian boson sampling för perfekt matchning av godtyckliga grafer, Phys. Rev A 98, 032310 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032310

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

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

[47] M. Reck, A. Zeilinger, HJ Bernstein och P. Bertani, experimentell förverkligande av någon diskret enhetlig operatör, Phys. Pastor Lett. 73, 58 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

[48] M. Jacques, A. Samani, E. El-Fiky, D. Patel, X. Zhenping och DV Plant, Optimering av termooptisk fasförskjutningsdesign och lindring av termisk överhörning 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 och A. Aspuru-Guzik, Boson sampling för molekylära vibroniska spektra, 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 och AG White, Direkt karakterisering av linjärt optiska nätverk, Opt. Express 21, 13450 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.21.013450

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

[53] R. García-Patrón, J. Renema och V. Shchesnovich, Simulering av bosonprovtagning i förlorade arkitekturer, 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 och I. Jex, Detaljerad studie av Gaussisk bosonprovtagning, Phys. Rev A 100, 032326 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032326

Citerad av

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

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

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

[4] Saad Yalouz, Bruno Senjean, Filippo Miatto och Vedran Dunjko, "Kodning av starkt korrelerade många bosonvågfunktioner på en fotonisk kvantdator: tillämpning på den attraktiva Bose-Hubbard-modellen", arXiv: 2103.15021.

Ovanstående citat är från SAO / NASA ADS (senast uppdaterad framgångsrikt 2021-05-07 23:43:35). Listan kan vara ofullständig eftersom inte alla utgivare tillhandahåller lämpliga och fullständiga citatdata.

On Crossrefs citerade service Inga uppgifter om citerande verk hittades (sista försök 2021-05-07 23:43:33).

Detta papper publiceras i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Upphovsrätten kvarstår med de ursprungliga upphovsrättsinnehavarna som författarna eller deras institutioner.

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

Tidsstämpel:

Mer från Quantum Journal