Усунення помилок на короткочасному квантовому фотонному пристрої

Мітка часу: 4 травня 2021 7:18
Вихідний вузол: 844782

Дайцин Су1, Роберт Ізраїль1, Куналь Шарма2, Хаою Ци1, Іш Дханд1, і Каміль Брадлер1

1Ксанаду, Торонто, Онтаріо, M5G 2C8, Канада
2Інститут теоретичної фізики Херна та Кафедра фізики та астрономії, Університет штату Луїзіана, Батон-Руж, штат Лос-Анджелес, США

Вам цей документ цікавий чи ви хочете обговорити? Скайте або залиште коментар на SciRate.

абстрактний

Втрата фотонів руйнує ефективність квантових фотонних пристроїв, і тому придушення наслідків втрати фотонів є першорядним для фотонних квантових технологій. Ми представляємо дві схеми для пом'якшення наслідків втрати фотонів для пристрою відбору зразків Боуса Гауса, зокрема, для покращення оцінки ймовірностей вибірки. Замість того, щоб використовувати коди виправлення помилок, які є дорогими з точки зору накладних витрат на апаратні ресурси, наші схеми вимагають лише невеликої кількості апаратних модифікацій або навіть ніяких модифікацій. Наші методи придушення втрат покладаються або на збір додаткових даних вимірювань, або на класичну пост-обробку після отримання даних вимірювань. Ми показуємо, що за помірних витрат на класичну пост-обробку ефекти втрати фотонів можуть бути значно придушені для певної кількості втрат. Таким чином, запропоновані схеми є ключовим фактором, що сприяє застосуванню короткочасних фотонних квантових пристроїв.

Вибране зображення: пом'якшення ефекту втрати фотонів у двомодовому стисненому вакуумному стані. Тут $ P ([n, n]) $ - це ймовірність виявлення шаблону числа фотонів $ [n, n] $.

Популярне резюме

Пристрій відбору зразків бозона Гауса (GBS) є одним з найбільш перспективних квантових фотонних приладів. Нещодавно він використовувався для демонстрації квантової обчислювальної переваги перед класичними комп’ютерами в конкретній задачі вибірки. Пристрій GBS також може найближчим часом знайти практичне застосування, наприклад, для вирішення проблем молекулярного стикування. Однак продуктивність пристрою GBS різко погіршується втратою фотонів. В принципі, втрату фотонів можна виправити за допомогою квантових кодів, що коригують помилки, але ці коди створюють значні накладні витрати на ресурси. Ця робота пропонує дві схеми для пом'якшення ефекту втрати фотонів для короткострокового пристрою GBS, з невеликою апаратною модифікацією або навіть без модифікації. Ціна, яку потрібно заплатити, - це проведення декількох експериментів та класична пост-обробка. Ця робота виявляє, що ефект втрати фотонів можна значно придушити за допомогою помірної кількості класичних ресурсів. Отже, запропоновані схеми зменшення втрат є важливими для короткострокових застосувань квантових фотонних технологій.

► Дані BibTeX

► Список літератури

[1] А. Г. Фаулер, М. Маріантоні, Дж. М. Мартініс та А. Н. Кліленд, Поверхневі коди: до практичних великомасштабних квантових обчислень, Фіз. Rev. A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[2] Дж. Прескілл, Квантові обчислення в епоху NISQ і пізніше, Квант 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[3] С. Бойшо, С. В. Ісаков, В. Н. Смелянський, Р. Баббуш, Н. Дінг, З. Цзян, М. Дж. Бремнер, Дж. М. Мартініс та Х. Невен, Характеристика квантової переваги в короткострокових пристроях, Природна фізика 14, 595 (2018) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-018-0124-x

[4] С. Ааронсон та Л. Чен, теоретичні основи складності експериментів з квантовою перевагою, arXiv: 1612.05903.
arXiv: 1612.05903v1

[5] F. Arute та ін., Квантове переважання за допомогою програмованого надпровідного процесора, Nature 574, 505 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[6] MJ Bremner, R. Jozsa та DJ Shepherd, Класичне моделювання комутуючих квантових обчислень передбачає крах поліноміальної ієрархії, 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, and DJ Shepherd, Складність середнього випадку проти наближеного моделювання комутаційних квантових обчислень, Phys. Преподобний Летт. 117, 080501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.080501

[8] MJ Bremner, A. Montanaro, and DJ Shepherd, Досягнення квантової верховенства за допомогою рідкісних та галасливих комутуючих квантових обчислень, Quantum 1, 8 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-04-25-8

[9] С. Ааронсон, А. Архипов, Обчислювальна складність лінійної оптики, Матеріали сорок третього щорічного симпозіуму ACM з теорії обчислень, 333-342 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[10] К. С. Гамільтон, Р. Круз, Л. Сансоні, С. Баркхофен, К. Сільберхорн, Крістін та І. Джекс, відбір зразків боуса Гауса, Фіз. Преподобний Летт. 119, 170501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.170501

[11] С. Рахімі-Кешарі, А. П. Лунд та Т. С. Ральф. Що може сказати квантова оптика про теорію обчислювальної складності? Преподобний Летт. 114, 060501 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.060501

[12] С. Рахімі-Кешарі, Т. К. Ральф та К. М. Печери, Достатні умови для ефективного класичного моделювання квантової оптики, Фіз. Rev. X 6, 021039 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021039

[13] А. Перуццо, Дж. МакКлін, П. Шадболт, М. Юнг, X. Чжоу, П. Дж. Лав, А. Аспуру-Гузік та Дж. Л. О'браєн, варіаційний розв'язувач власних значень на фотонному квантовому процесорі, Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[14] Е. Фархі, Дж. Голдстоун та С. Гутманн, Квантово наближений алгоритм оптимізації, arXiv: 1411.4028.
arXiv: 1411.4028

[15] Е. Фархі та А. В. Харроу, Квантова перевага за допомогою квантового наближеного алгоритму оптимізації, arXiv: 1602.07674.
arXiv: 1602.07674

[16] К. Темме, С. Браві та Дж. М. Гамбетта, пом’якшення помилок для квантових ланцюгів короткої глибини, Фіз. Преподобний Летт. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[17] Ю. Лі та С. Бенджамін, Ефективний варіаційний квантовий симулятор, що включає активну мінімізацію помилок, Фіз. Ред. X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[18] А. Кандала, К. Темме, А. Д. Корколес, А. Меццакапо, Дж. М. Чоу та Дж. М. Гамбетта. Зменшення помилок розширює обчислювальний діапазон галасливого квантового процесора, Nature 567, 491 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1040-7

[19] С. Ендо, С. Бенджамін та Ю. Лі, практичне пом'якшення квантових помилок для програм, що працюють у майбутньому, Фіз. 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. and Li, Ying, Квантове обчислення з універсальним пом'якшенням помилок на надпровідному квантовому процесорі, Science Advances 5, (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[21] С. Чжан, Ю. Лу, К. Чжан, В. Чен, Ю. Лі, Дж. Чжан та К. Кім, пом'якшені помилками квантові ворота, що перевищують фізичну вірогідність в системі з захопленими іонами, Nature Communications 11, 1 ( 2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[22] X. Бонет-Монройг, Р. Сагастізабал, М. Сінгх та Т. Е. О'Брайен, Недороге пом'якшення помилок шляхом перевірки симетрії, Фіз. Rev. A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

[23] Р. Сагастізабал, X. Бонет-Монройг, М. Сінгх, М.А. Рол, К.К. Бултінк, X. Фу, CH Price, В.П. Остроух, Н.Мутусубраманян, А.Бруно, М.Бікман, Н.Хайдер, Т.Є. , та Л. Дікарло, Експериментальне пом'якшення помилок шляхом перевірки симетрії у варіаційному квантовому власному розчиннику, Фіз. Rev. A 100, 010302 (R) (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.010302

[24] С. Мак-Ардл, X. Юань та С. Бенджамін, цифрове квантове моделювання, пом'якшене помилками, Phys. Преподобний Летт. 122, 180501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.180501

[25] X. Бонет-Монройг, Р. Сагастізабал, М. Сінгх та Т. Е. О'Брайен, Недороге пом'якшення помилок шляхом перевірки симетрії, Фіз. Rev. A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

[26] М. Церезо, К. Шарма, А. Аррасміт та П. Дж. Коулз, власний розчинник квантового стану, arXiv: 2004.01372.
arXiv: 2004.01372

[27] Дж. Р. МакКлін, Дж. Ромеро, Р. Баббуш та А. Аспуру-Гузік, Теорія варіаційних гібридних квантово-класичних алгоритмів, New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023

[28] К. Шарма, С. Хатрі, М. Церезо та П. Дж. Коулз, Стійкість до варіаційного квантового компіляційного шуму, New Journal of Physics 22, 043006 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ab784c

[29] Л. Сінчо, К. Рудінгер, М. Саровар та П. Дж. Коулз, Машинне навчання шумостійких квантових ланцюгів, PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[30] Ю. Чен, М. Фарахзад, С. Юо та Т. Вей, детекторна томографія на квантових комп'ютерах IBM та пом'якшення недосконалого вимірювання, Phys. Rev. A 100, 052315 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052315

[31] М. Р. Геллер та М. Сан, Ефективне виправлення помилок мультикубітного вимірювання, arXiv: 2001.09980.
arXiv: 2001.09980

[32] Л.Фанке, Т.Хартунг, К.Янсен, С.Кюн, П.Сторнаті та X.Ванг, Зменшення помилок вимірювання в квантових комп'ютерах за допомогою класичної корекції бітового відхилення, arXiv: 2007.03663.
arXiv: 2007.03663

[33] Х. Квон та Дж. Бе, гібридний квантово-класичний підхід до пом'якшення помилок вимірювання в квантових алгоритмах, IEEE Transactions on Computers (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009664

[34] JR McClean, ME Kimchi-Schwartz, J. Carter і WA de Jong, Гібридна квантово-класична ієрархія для пом'якшення декогерентності та визначення збуджених станів, 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 та S. Endo, пом'якшення реалістичного шуму в практичних шумних середньомасштабних квантових пристроях, Phys. Rev. Applied 15, 034026 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034026

[36] А. Стрікіс, Д. Цінь, Ю. Чень, Б. Бенджамін та Ю. Лі, Зменшення квантових помилок на основі навчання, arXiv: 2005.07601.
arXiv: 2005.07601

[37] П. Чарнік, А. Аррасміт, П. Дж. Коулз та Л. Чінчо, пом'якшення помилок за допомогою даних квантових ланцюгів Кліффорда, arXiv: 2005.10189.
arXiv: 2005.10189

[38] А. Злокапа та А. Георгіу, Модель глибокого навчання для прогнозування шуму на короткочасних квантових пристроях, arXiv: 2005.10811.
arXiv: 2005.10811

[39] Дж. Арразола та Т. Р. Бромлі, використовуючи відбір зразків боуса Гауса для пошуку щільних підграфів, Фіз. Преподобний Летт. 121, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.030503

[40] К. Брадлер, С. Фрідланд, Дж. Ізаак, Н. Кіллоран, Д. Су, ізоморфізм графіків та вибірка бозонів Гауса, Спец. Матриці 9, 166 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1515 / spma-2020-0132

[41] М. Шульд, К. Брадлер, Р. Ізраїль, Д. Су та Б. Гупт, Вимірювання подібності графіків з пробовідбірником боуса Гауса, Фіз. Rev. A 101, 032314 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032314

[42] К. Брадлер, Р. Ізраїль, М. Шульд та Д. Су, подвійність в основі відбору проб бозона Гауса, arXiv: 1910.04022.
arXiv: 1910.04022v1

[43] C. Weedbrook, S. Pirandola, R. García-Patrón, NJ Cerf, TC Ralph, JH Shapiro та S. Lloyd, гауссова квантова інформація, Rev. Mod. Фіз. 84, 621 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.84.621

[44] К. Брадлер, П. Даллер-Демерс, П. Ребентрост, Д. Су та К. Відбрук, вибірка боуса Гауса для ідеального збігу довільних графіків, Фіз. Rev. A 98, 032310 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032310

[45] Х. Ці, DJ Брод, Н. Кесада та Р. Гарсія-Патрон, Режими класичної модельованості для шумного відбору зразків бозона Гауса, Фіз. Преподобний Летт. 124, 100502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.100502

[46] WR Clements, PC Humphreys, BJ Metcalf, WS Kolthammer та IA Walsmley, Оптимальна конструкція універсальних багатопортових інтерферометрів, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[47] М. Рек, А. Цайлінгер, Х. Дж. Бернштейн та П. Бертані, Експериментальна реалізація будь-якого дискретного унітарного оператора, Фіз. Преподобний Летт. 73, 58 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

[48] М. Жак, А. Самані, Е. Ель-Фікі, Д. Патель, X. Чженьпін та Д. В. Завод, Оптимізація конструкції термооптичного фазовращателя та пом'якшення теплових перешкод на платформі SOI, Опт. Експрес 27, 10456 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.27.010456

[49] А. Серафіні, Квантові безперервні змінні: Посібник з теоретичних методів (CRC Press, 2017).

[50] Дж. Ху, Г. Г. Геррескі, Б. Перопадре, Дж. Р. МакКлін та А. Аспуру-Гузік, відбір зразків Бозона для молекулярних вібрологічних спектрів, Nature Photonics 9, 615 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2015.153

[51] С. Рахімі-Кешарі, М. А. Брум, Р. Фіклер, А. Федріцці, Т. К. Ральф та А. Г. Уайт, Пряма характеристика лінійно-оптичних мереж, Опт. Експрес 21, 13450 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.21.013450

[52] В. Джованнетті, А. С. Холево та Р. Гарсія-Патрон, Розв’язання гіпотези Гауссового оптимізатора для квантових каналів, Commun. Математика Фіз. 334, 1553 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-014-2150-6

[53] Р. Гарсія-Патрон, Дж. Ренема та В. Щеснович, Моделювання вибірки бозонів у архітектурах з втратами, Квант 3, 169 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-08-05-169

[54] Р. Крузе, К. С. Гамільтон, Л. Сансоні, С. Баркхофен, К. Сільберхорн та І. Джекс, Детальне дослідження відбору проб бозона Гауса, Фіз. Rev. A 100, 032326 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032326

Цитується

[1] М. Церезо, Ендрю Аррасміт, Райан Баббуш, Саймон К. Бенджамін, Сугуру Ендо, Кейсуке Фуджі, Джаррод Р. МакКлін, Косуке Мітарай, Сяо Юань, Лукаш Чінчо та Патрік Дж. Коулз, “Варіаційні квантові алгоритми”, arXiv: 2012.09265.

[2] Тайлер Волкофф, Зоя Холмс та Ендрю Сорнборгер, “Універсальні компіляційні теореми та (ні) теореми вільного обіду для безперервного змінного квантового навчання” arXiv: 2105.01049.

[3] Шрея П. Кумар, Леонхард Нойгаус, Лукас Г. Хельт, Хаою Ци, Блер Моррісон, Ділан Х. Малер та Іш Денд, “Пом'якшення недосконалості лінійної оптики за допомогою розподілу та компіляції портів”, arXiv: 2103.03183.

[4] Саад Ялуз, Бруно Сенджан, Філіппо Міатто і Ведран Дунько, “Кодування сильно корельованих багатобозонових хвильових функцій на фотонному квантовому комп’ютері: застосування до привабливої ​​моделі Бозе-Хаббарда”, arXiv: 2103.15021.

Вищезазначені цитати від SAO / NASA ADS (останнє оновлення успішно 2021-05-07 23:43:35). Список може бути неповним, оскільки не всі видавці надають відповідні та повні дані про цитування.

On Служба, на яку посилається Crossref даних про цитування робіт не знайдено (остання спроба 2021-05-07 23:43:33).

Ця стаття опублікована в Quantum під Creative Commons Attribution 4.0 International (CC на 4.0) ліцензія. Авторське право залишається за оригінальними власниками авторських прав, такими як автори або їх установи.

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

Часова мітка:

Більше від Квантовий журнал