Kısa vadeli kuantum fotonik cihazda hata azaltma

Zaman Damgası: 4 Mayıs 2021 7:18
Kaynak Düğüm: 844782

Daiqin Su1, Robert İsrail1, Kunal Sharma2, Haoyu Çi1, İş Dhand1ve Kamil Brádler1

1Xanadu, Toronto, Ontario, M5G 2C8, Kanada
2Hearne Teorik Fizik Enstitüsü ve Fizik ve Astronomi Bölümü, Louisiana Eyalet Üniversitesi, Baton Rouge, LA ABD

Bu makaleyi ilginç mi buldunuz yoksa tartışmak mı istiyorsunuz? SciRate'e çığlık at veya yorum bırak.

Özet

Foton kaybı, kuantum fotonik cihazların performansına zarar verir ve bu nedenle foton kaybının etkilerini bastırmak, fotonik kuantum teknolojileri için çok önemlidir. Özellikle örnekleme olasılıklarının tahminini iyileştirmek için bir Gauss Boson Örnekleme cihazı için foton kaybının etkilerini azaltmak için iki şema sunuyoruz. Donanım kaynak ek yükü açısından pahalı olan hata düzeltme kodlarını kullanmak yerine, şemalarımız yalnızca az miktarda donanım değişikliği veya hatta hiçbir değişiklik gerektirmez. Kayıp bastırma tekniklerimiz, ek ölçüm verilerinin toplanmasına veya ölçüm verileri elde edildikten sonra klasik son işlemeye dayanır. Klasik post işlemenin makul bir maliyetiyle, foton kaybının etkilerinin belirli bir miktar kayıp için önemli ölçüde bastırılabileceğini gösteriyoruz. Bu nedenle önerilen şemalar, kısa süreli fotonik kuantum cihazlarının uygulamaları için önemli bir etkinleştiricidir.

Öne çıkan görüntü: İki modlu sıkıştırılmış vakum durumu için foton kaybının etkisini azaltın. Burada $ P ([n, n]) $, bir foton numarası örüntüsü $ [n, n] $ saptama olasılığıdır.

Popüler özet

Gauss bozonu örnekleme (GBS) cihazı, en umut verici kuantum fotonik cihazlardan biridir. Son zamanlarda, belirli bir örnekleme probleminde klasik bilgisayarlara göre kuantum hesaplama avantajını göstermek için kullanılmıştır. GBS cihazı ayrıca yakın gelecekte, örneğin moleküler yerleştirme problemlerinin çözülmesinde pratik uygulamalar bulabilir. Bununla birlikte, GBS cihazının performansı, foton kaybıyla önemli ölçüde düşer. Prensip olarak, foton kaybı, kuantum hata düzeltme kodları kullanılarak düzeltilebilir, ancak bu kodlar büyük bir kaynak yükü ortaya çıkarır. Bu çalışma, kısa süreli GBS cihazı için foton kaybının etkisini küçük bir donanım değişikliği ile veya hatta hiçbir değişiklik olmadan azaltmak için iki şema önermektedir. Ödenecek bedel, birden fazla deney ve klasik son işlem yapmaktır. Bu çalışma, foton kaybının etkisinin makul miktarda klasik kaynaklarla önemli ölçüde bastırılabileceğini bulmuştur. Bu nedenle, önerilen kayıp azaltma planları, kuantum fotonik teknolojilerin kısa vadeli uygulamaları için gereklidir.

► BibTeX verileri

► Referanslar

[1] AG Fowler, M. Mariantoni, JM Martinis ve AN Cleland, Yüzey kodları: Pratik büyük ölçekli kuantum hesaplamasına doğru, Phys. Rev. A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[2] J. Preskill, NISQ döneminde ve ötesinde Quantum Computing, 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 ve H. Neven, Kısa vadeli cihazlarda kuantum üstünlüğünü karakterize etme, Nature Physics 14, 595 (2018) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-018-0124-x

[4] S. Aaronson ve L. Chen, Kuantum üstünlüğü deneylerinin karmaşıklık-teorik temelleri, arXiv: 1612.05903.
arXiv: 1612.05903v1

[5] F. Arute ve diğerleri, Programlanabilir bir süper iletken işlemci kullanan Kuantum üstünlüğü, Nature 574, 505 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[6] MJ Bremner, R. Jozsa ve DJ Shepherd, işe gidip gelme kuantum hesaplamalarının klasik simülasyonu, polinom hiyerarşisinin çöküşünü ima eder, Kraliyet Topluluğu A: Matematiksel, Fiziksel ve Mühendislik Bilimleri 467, 459 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2010.0301

[7] MJ Bremner, A. Montanaro ve DJ Shepherd, Kuantum hesaplamalarının yaklaşık simülasyonuna karşı ortalama durum karmaşıklığı, Phys. Rev. Lett. 117, 080501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.080501

[8] MJ Bremner, A. Montanaro ve DJ Shepherd, Seyrek ve gürültülü işe gidip gelen kuantum hesaplamalarıyla kuantum üstünlüğüne ulaşmak, Quantum 1, 8 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-04-25-8

[9] S. Aaronson, A. Arkhipov, Doğrusal optiğin hesaplama karmaşıklığı, Hesaplama Teorisi üzerine kırk üçüncü yıllık ACM sempozyumunun bildirileri, 333-342 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[10] CS Hamilton, R. Kruse, L. Sansoni, S. Barkhofen, C. Silberhorn, Christine ve 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 ve TC Ralph, Kuantum Optiği Hesaplamalı Karmaşıklık Teorisi Hakkında Ne Söyleyebilir ?, Phys. Rev. Lett. 114, 060501 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.060501

[12] S. Rahimi-Keshari, TC Ralph ve CM Mağaraları, Kuantum Optiğinin Etkin Klasik Simülasyonu İçin Yeterli Koşullar, 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 ve JL O'brien, Fotonik kuantum işlemcide bir varyasyonel özdeğer çözücü, Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[14] E. Farhi, J. Goldstone ve S. Gutmann, Bir kuantum yaklaşık optimizasyon algoritması, arXiv: 1411.4028.
arXiv: 1411.4028

[15] E. Farhi ve AW Harrow, yaklaşık kuantum optimizasyon algoritması aracılığıyla kuantum üstünlüğü, arXiv: 1602.07674.
arXiv: 1602.07674

[16] K. Temme, S. Bravyi ve JM Gambetta, Kısa Derinlik Kuantum Devreleri için Hata Azaltma, Phys. Rev. Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[17] Y. Li ve SC Benjamin, Etkin Hata Minimizasyonu İçeren Etkili Değişken Kuantum Simülatörü, 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 ve JM Gambetta, Hata azaltma gürültülü bir kuantum işlemcisinin hesaplama erişimini genişletir, Nature 567, 491 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[19] S. Endo, SC Benjamin ve Y. Li, Yakın Gelecek Uygulamaları için Pratik Kuantum Hata Azaltma, 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. ve Li, Ying, Süperiletken kuantum işlemcide evrensel hata azaltma ile kuantum hesaplama, Science Advances 5, (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[21] S. Zhang, Y. Lu, K. Zhang, W. Chen, Y. Li, J. Zhang ve K. Kim, bir tuzak iyon sistemindeki fiziksel doğrulukları aşan hata azaltılmış kuantum kapıları, Nature Communications 11, 1 ( 2020).
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[22] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh ve TE O'Brien, Simetri doğrulama ile düşük maliyetli hata azaltma, 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 ve L. DiCarlo, Varyasyonel kuantum özçözücüsünde simetri doğrulaması yoluyla deneysel hata azaltma, Phys. Rev. A 100, 010302 (R) (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.010302

[24] S. McArdle, X. Yuan ve S. Benjamin, Hata Azaltılmış Dijital Kuantum Simülasyonu, Phys. Rev. Lett. 122, 180501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.180501

[25] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh ve TE O'Brien, Simetri doğrulama ile düşük maliyetli hata azaltma, Phys. Rev. A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

[26] M. Cerezo, K. Sharma, A. Arrasmith ve PJ Coles, Varyasyonel kuantum durumu eigensolver, arXiv: 2004.01372.
arXiv: 2004.01372

[27] JR McClean, J. Romero, R. Babbush ve A. Aspuru-Guzik, Varyasyonel hibrit kuantum-klasik algoritmalar teorisi, New Physics Journal 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

[28] K. Sharma, S. Khatri, M. Cerezo ve PJ Coles, Varyasyonel kuantum derlemesinin gürültü direnci, New Journal of Physics 22, 043006 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ab784c

[29] L. Cincio, K. Rudinger, M. Sarovar ve PJ Coles, Gürültüye dirençli kuantum devrelerinin makine öğrenimi, PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[30] Y. Chen, M. Farahzad, S. Yoo ve T. Wei, IBM kuantum bilgisayarlarda Dedektör tomografisi ve kusurlu bir ölçümün azaltılması, Phys. Rev. A 100, 052315 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052315

[31] MR Geller ve M. Sun, multiqubit ölçüm hatalarının verimli bir şekilde düzeltilmesi, arXiv: 2001.09980.
arXiv: 2001.09980

[32] L. Funcke, T. Hartung, K. Jansen, S. Kühn, P. Stornati ve X. Wang, Klasik bit çevirme düzeltmesi yoluyla kuantum bilgisayarlarda ölçüm hatası azaltma, arXiv: 2007.03663.
arXiv: 2007.03663

[33] H. Kwon ve J. Bae, Kuantum algoritmalarındaki ölçüm hatalarını azaltmak için hibrit bir kuantum-klasik yaklaşım, Bilgisayarlarda IEEE İşlemleri (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009664

[34] JR McClean, ME Kimchi-Schwartz, J. Carter ve WA de Jong, uyumsuzluğun azaltılması ve uyarılmış durumların belirlenmesi için Hibrit kuantum-klasik hiyerarşi, 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 ve S. Endo, Pratik Gürültülü Orta Ölçekli Kuantum Cihazlarında Gerçekçi Gürültünün Azaltılması, Phys. Rev. Uygulandı 15, 034026 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034026

[36] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, BC Benjamin ve Y. Li, Öğrenme tabanlı kuantum hatası azaltma, arXiv: 2005.07601.
arXiv: 2005.07601

[37] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles ve L. Cincio, Clifford kuantum devre verileriyle hata azaltma, arXiv: 2005.10189.
arXiv: 2005.10189

[38] A. Zlokapa ve A. Gheorghiu, Kısa vadeli kuantum cihazlarında gürültü tahmini için derin öğrenme modeli, arXiv: 2005.10811.
arXiv: 2005.10811

[39] J. Arrazola ve TR Bromley, Yoğun Alt Grafikleri Bulmak İçin Gauss Boson Örneklemesini Kullanma, Phys. Rev. Lett. 121, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.030503

[40] K. Brádler, S. Friedland, J. Izaac, N. Killoran ve D. Su, Graph izomorfizmi ve Gauss bozonu örneklemesi, Spec. Matrisler 9, 166 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1515 / spma-2020-0132

[41] M. Schuld, K. Brádler, R. Israel, D. Su ve B. Gupt, Grafiklerin Gausslu bir bozon örnekleyici ile benzerliğinin ölçülmesi, Phys. Rev. A 101, 032314 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032314

[42] K. Brádler, R. Israel, M. Schuld ve D. Su, Gauss bozonu örneklemesinin kalbindeki bir ikilik, arXiv: 1910.04022.
arXiv: 1910.04022v1

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

[44] K. Brádler, P. Dallaire-Demers, P. Rebentrost, D. Su ve C. Weedbrook, rastgele grafiklerin mükemmel eşleşmeleri için Gauss bozonu örneklemesi, Phys. Rev. A 98, 032310 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032310

[45] H. Qi, DJ Brod, N. Quesada ve R. García-Patrón, Gürültülü Gauss Bozonu Örneklemesi için Klasik Benzetilebilirlik Rejimleri, Phys. Rev. Lett. 124, 100502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.100502

[46] WR Clements, PC Humphreys, BJ Metcalf, WS Kolthammer ve IA Walsmley, Evrensel çok noktalı interferometreler için optimum tasarım, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[47] M. Reck, A. Zeilinger, HJ Bernstein ve P. Bertani, Herhangi Bir Ayrık Üniter Operatörün Deneysel Gerçekleştirilmesi, 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 ve DV Plant, Termo-optik faz kaydırıcı tasarımının optimizasyonu ve SOI platformunda termal karışma azaltımı, Opt. Ekspres 27, 10456 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.27.010456

[49] A. Serafini, Kuantum Sürekli Değişkenler: Teorik Metodların İlk Kitabı (CRC Press, 2017).

[50] J. Huh, GG Guerreschi, B. Peropadre, JR McClean ve A. Aspuru-Guzik, Moleküler vibronik spektrumlar için Boson örneklemesi, 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 ve AG White, Doğrusal-optik ağların doğrudan karakterizasyonu, Opt. Ekspres 21, 13450 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.21.013450

[52] V. Giovannetti, AS Holevo ve R. García-Patrón, Kuantum Kanalları için Gauss Optimize Edici Varsayımının Çözümü, Commun. Matematik. Phys. 334, 1553 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-014-2150-6

[53] R. García-Patrón, J. Renema ve V. Shchesnovich, Kayıplı mimarilerde bozon örneklemesini simüle etme, 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 ve I. Jex, Gauss bozonu örneklemesinin detaylı çalışması, Phys. Rev. A 100, 032326 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032326

Alıntılama

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

[2] Tyler Volkoff, Zoë Holmes ve Andrew Sornborger, “Sürekli değişken kuantum öğrenme için evrensel derleme ve (No-)Free-Lunch teoremleri”, arXiv: 2105.01049.

[3] Shreya P. Kumar, Leonhard Neuhaus, Lukas G. Helt, Haoyu Qi, Blair Morrison, Dylan H. Mahler ve Ish Dhand, "Bağlantı noktası tahsisi ve derleme yoluyla doğrusal optik kusurların azaltılması", arXiv: 2103.03183.

[4] Saad Yalouz, Bruno Senjean, Filippo Miatto ve Vedran Dunjko, "Bir fotonik kuantum bilgisayarda kuvvetli korelasyonlu çok-bozon dalga fonksiyonlarını kodlamak: çekici Bose-Hubbard modeline uygulama", arXiv: 2103.15021.

Yukarıdaki alıntılar SAO / NASA REKLAMLARI (son başarıyla 2021-05-07 23:43:35) güncellendi. Tüm yayıncılar uygun ve eksiksiz alıntı verisi sağlamadığından liste eksik olabilir.

On Crossref'in alıntı yaptığı hizmet alıntı yapma çalışmaları ile ilgili veri bulunamadı (son deneme 2021-05-07 23:43:33).

Bu Makale, Quantum'da Creative Commons Atıf 4.0 Uluslararası (CC BY 4.0) lisans. Telif hakkı, yazarlar veya kurumları gibi orijinal telif hakkı sahiplerine aittir.

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

Zaman Damgası:

Den fazla Kuantum Günlüğü