Giảm thiểu lỗi trên thiết bị quang tử lượng tử trong thời gian ngắn

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Đại Tần Tô¹, Robert Israel¹, Kunal Sharma², Hảo Vũ Kỳ¹, Ish Dhand¹, và Kamil Brádler¹

¹Xanadu, Toronto, Ontario, M5G 2C8, Canada
²Viện Vật lý lý thuyết Hearne và Khoa Vật lý và Thiên văn học, Đại học Bang Louisiana, Baton Rouge, LA Hoa Kỳ

Tìm bài báo này thú vị hay muốn thảo luận? Scite hoặc để lại nhận xét về SciRate.

Tóm tắt

Sự mất mát photon phá hủy hiệu suất của các thiết bị quang tử lượng tử và do đó việc ngăn chặn ảnh hưởng của sự mất đi photon là điều tối quan trọng đối với các công nghệ lượng tử quang tử. Chúng tôi trình bày hai phương án để giảm thiểu tác động của việc mất photon đối với thiết bị Lấy mẫu Boson Gaussian, đặc biệt, để cải thiện việc ước lượng xác suất lấy mẫu. Thay vì sử dụng các mã sửa lỗi tốn kém về chi phí tài nguyên phần cứng của chúng, các chương trình của chúng tôi chỉ yêu cầu một lượng nhỏ sửa đổi phần cứng hoặc thậm chí không cần sửa đổi. Các kỹ thuật ngăn chặn tổn thất của chúng tôi dựa vào việc thu thập thêm dữ liệu đo lường hoặc xử lý hậu kỳ cổ điển sau khi thu được dữ liệu đo lường. Chúng tôi cho thấy rằng với chi phí xử lý hậu kỳ cổ điển vừa phải, ảnh hưởng của việc mất photon có thể được ngăn chặn đáng kể đối với một lượng tổn thất nhất định. Do đó, các kế hoạch được đề xuất là một yếu tố quan trọng cho các ứng dụng của các thiết bị lượng tử quang tử trong thời gian ngắn.

Hình ảnh nổi bật: Giảm thiểu ảnh hưởng của sự mất photon đối với trạng thái chân không vắt hai chế độ. Ở đây $ P ([n, n]) $ là xác suất phát hiện mẫu số photon $ [n, n] $.

Tóm tắt phổ biến

Thiết bị lấy mẫu boson Gaussian (GBS) là một trong những thiết bị quang tử lượng tử hứa hẹn nhất. Gần đây nó đã được sử dụng để chứng minh lợi thế của tính toán lượng tử so với máy tính cổ điển trong một bài toán lấy mẫu cụ thể. Thiết bị GBS cũng có thể tìm thấy các ứng dụng thực tế, ví dụ, trong việc giải quyết các vấn đề liên kết phân tử, trong tương lai gần. Tuy nhiên, hiệu suất của thiết bị GBS bị suy giảm nghiêm trọng do mất photon. Về nguyên tắc, tổn thất photon có thể được sửa chữa bằng cách sử dụng các mã sửa lỗi lượng tử, nhưng những mã này tạo ra một nguồn tài nguyên lớn. Công trình này đề xuất hai phương án để giảm thiểu ảnh hưởng của việc mất photon đối với thiết bị GBS trong thời gian ngắn, với một sửa đổi phần cứng nhỏ hoặc thậm chí không sửa đổi. Cái giá phải trả là thực hiện nhiều thử nghiệm và xử lý hậu kỳ cổ điển. Công trình nghiên cứu này phát hiện ra rằng ảnh hưởng của sự mất photon có thể bị triệt tiêu đáng kể với một lượng vừa phải các nguồn tài nguyên cổ điển. Do đó, các kế hoạch giảm thiểu tổn thất được đề xuất là rất cần thiết cho các ứng dụng ngắn hạn của công nghệ quang tử lượng tử.

► Dữ liệu BibTeX

@article{Su2021errormitigationnear, doi = {10.22331/q-2021-05-04-452}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2021-05-04-452}, title = {Giảm nhẹ lỗi trên một thiết bị quang tử lượng tử ngắn hạn}, tác giả = {Su, Daiqin và Israel, Robert và Sharma, Kunal và Qi, Haoyu và Dhand, Ish và Br{'{a}}dler, Kamil}, tạp chí = {{Quantum }}, issn = {2521-327X}, nhà xuất bản = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, tập = {5}, trang = {452}, tháng = tháng 2021 , năm = {XNUMX} }

► Tài liệu tham khảo

[1] AG Fowler, M. Mariantoni, JM Martinis và AN Cleland, Mã bề mặt: Hướng tới tính toán lượng tử quy mô lớn thực tế, Phys. Phiên bản A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[2] J. Preskill, Máy tính lượng tử trong kỷ nguyên NISQ và hơn thế nữa, Lượng tử 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, M.J Bremner, J.M Martinis và H. Neven, Đặc trưng cho ưu thế lượng tử trong các thiết bị có thời hạn gần, Nature Physics 14, 595 (2018) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-018-0124-x

[4] S. Aaronson và L. Chen, Cơ sở lý thuyết-độ phức tạp của các thí nghiệm về ưu thế lượng tử, arXiv: 1612.05903.
arXiv: 1612.05903v1

[5] F. Arute, et al., Ưu thế lượng tử sử dụng bộ xử lý siêu dẫn có thể lập trình được, Nature 574, 505 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5

[6] MJ Bremner, R. Jozsa và DJ Shepherd, Mô phỏng cổ điển của các phép tính lượng tử đi làm ngụ ý sự sụp đổ của hệ thống phân cấp đa thức, Kỷ yếu của Hiệp hội Hoàng gia A: Khoa học Toán học, Vật lý và Kỹ thuật 467, 459 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2010.0301

[7] MJ Bremner, A. Montanaro và DJ Shepherd, Độ phức tạp của trường hợp trung bình so với mô phỏng gần đúng của các phép tính lượng tử đi làm, Phys. Rev. Lett. 117, 080501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.080501

[8] MJ Bremner, A. Montanaro và DJ Shepherd, Đạt được ưu thế lượng tử với các phép tính lượng tử đi lại thưa thớt và ồn ào, Quantum 1, 8 (2017).
https://doi.org/10.22331/q-2017-04-25-8

[9] S. Aaronson, A. Arkhipov, Độ phức tạp tính toán của quang học tuyến tính, Kỷ yếu hội thảo ACM hàng năm lần thứ bốn mươi ba về Lý thuyết máy tính, 333-342 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[10] CS Hamilton, R. Kruse, L. Sansoni, S. Barkhofen, C. Silberhorn, Christine và 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 và TC Ralph, Quang học lượng tử có thể nói gì về lý thuyết độ phức tạp tính toán ?, Phys. Rev. Lett. 114, 060501 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.060501

[12] S. Rahimi-Keshari, TC Ralph, và hang CM, Điều kiện đủ để mô phỏng hiệu quả hiệu quả quang học lượng tử cổ điển, 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 và JL O'brien, Bộ giải giá trị riêng biến thiên trên bộ xử lý lượng tử quang tử, Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[14] E. Farhi, J. Goldstone và S. Gutmann, Một thuật toán tối ưu hóa gần đúng lượng tử, arXiv: 1411.4028.
arXiv: 1411.4028

[15] E. Farhi và AW Harrow, Quyền tối ưu lượng tử thông qua thuật toán tối ưu hóa gần đúng lượng tử, arXiv: 1602.07674.
arXiv: 1602.07674

[16] K. Temme, S. Bravyi và JM Gambetta, Giảm thiểu lỗi cho mạch lượng tử độ sâu ngắn, Phys. Rev. Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[17] Y. Li và SC Benjamin, Bộ mô phỏng lượng tử biến thiên hiệu quả kết hợp giảm thiểu lỗi chủ động, 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 và JM Gambetta, Giảm thiểu lỗi mở rộng phạm vi tính toán của bộ xử lý lượng tử ồn ào, Nature 567, 491 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1040-7

[19] S. Endo, SC Benjamin và Y. Li, Giảm thiểu lỗi lượng tử thực tế cho các ứng dụng tương lai gần, 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. và Li, Ying, Tính toán lượng tử với giảm thiểu lỗi phổ quát trên bộ xử lý lượng tử siêu dẫn, Science Advances 5, (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aaw5686

[21] S. Zhang, Y. Lu, K. Zhang, W. Chen, Y. Li, J. Zhang và K. Kim, Các cổng lượng tử giảm thiểu sai số vượt quá độ trung thực vật lý trong một hệ ion bị mắc kẹt, Nature Communications 11, 1 ( Năm 2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[22] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh, và TE O'Brien, Giảm thiểu lỗi chi phí thấp bằng cách xác minh đối xứng, Phys. Phiên bản 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 và L. DiCarlo, Giảm thiểu lỗi thử nghiệm thông qua xác minh tính đối xứng trong bộ giải riêng lượng tử biến thiên, Phys. Mục lục A 100, 010302(R) (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.010302

[24] S. McArdle, X. Yuan và S. Benjamin, Mô phỏng lượng tử kỹ thuật số giảm thiểu lỗi, Phys. Rev. Lett. 122, 180501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.180501

[25] X. Bonet-Monroig, R. Sagastizabal, M. Singh, và TE O'Brien, Giảm thiểu lỗi chi phí thấp bằng cách xác minh đối xứng, Phys. Phiên bản A 98, 062339 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

[26] M. Cerezo, K. Sharma, A. Arrasmith và PJ Coles, Máy đo eigensolver trạng thái lượng tử biến thiên, arXiv: 2004.01372.
arXiv: 2004.01372

[27] JR McClean, J. Romero, R. Babbush và A. Aspuru-Guzik, Lý thuyết về thuật toán cổ điển-lượng tử lai biến đổi, Tạp chí Vật lý mới 18, 023023 (2016).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023023

[28] K. Sharma, S. Khatri, M. Cerezo, và PJ Coles, Khả năng phục hồi tiếng ồn của lượng tử biến thiên biên dịch, Tạp chí Vật lý mới 22, 043006 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088/1367-2630 / ab784c

[29] L. Cincio, K. Rudinger, M. Sarovar và PJ Coles, Máy học về mạch lượng tử chống nhiễu, PRX Quantum 2, 010324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010324

[30] Y. Chen, M. Farahzad, S. Yoo, và T. Wei, Chụp cắt lớp phát hiện trên máy tính lượng tử IBM và giảm thiểu phép đo không hoàn hảo, Phys. Phiên bản A 100, 052315 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.052315

[31] MR Geller và M. Sun, Hiệu quả sửa lỗi đo lường đa bit, arXiv: 2001.09980.
arXiv: 2001.09980

[32] L. Funcke, T. Hartung, K. Jansen, S. Kühn, P. Stornati và X. Wang, Giảm thiểu lỗi đo trong máy tính lượng tử thông qua hiệu chỉnh lật bit cổ điển, arXiv: 2007.03663.
arXiv: 2007.03663

[33] H. Kwon và J. Bae, Phương pháp tiếp cận lượng tử-cổ điển kết hợp để giảm thiểu sai số đo lường trong các thuật toán lượng tử, Giao dịch IEEE trên Máy tính (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009664

[34] JR McClean, ME Kimchi-Schwartz, J. Carter và WA de Jong, Hệ thống phân cấp lượng tử-cổ điển lai để giảm thiểu sự rời rạc và xác định trạng thái kích thích, Phys. Phiên bản A 95, 042308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[35] J. Sun, X. Yuan, T. Tsunoda, V. Vedral, SC Bejamin và S. Endo, Giảm nhiễu thực tế trong thiết bị lượng tử quy mô trung gian gây ồn thực tế, Phys. Áp dụng phiên bản 15, 034026 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034026

[36] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, BC Benjamin và Y. Li, Giảm thiểu lỗi lượng tử dựa trên học tập, arXiv: 2005.07601.
arXiv: 2005.07601

[37] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles và L. Cincio, Giảm thiểu lỗi với dữ liệu mạch lượng tử Clifford, arXiv: 2005.10189.
arXiv: 2005.10189

[38] A. Zlokapa và A. Gheorghiu, Một mô hình học sâu để dự đoán tiếng ồn trên các thiết bị lượng tử có thời hạn gần, arXiv: 2005.10811.
arXiv: 2005.10811

[39] J. Arrazola và TR Bromley, Sử dụng lấy mẫu Gaussian Boson để tìm các đồ thị con dày đặc, Phys. Rev. Lett. 121, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.030503

[40] K. Brádler, S. Friedland, J. Izaac, N. Killoran và D. Su, đẳng cấu đồ thị và lấy mẫu boson Gaussian, Spec. Ma trận 9, 166 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1515 / spma-2020-0132

[41] M. Schuld, K. Brádler, R. Israel, D. Su và B. Gupt, Đo độ giống nhau của đồ thị bằng bộ lấy mẫu boson Gaussian, Phys. Phiên bản A 101, 032314 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032314

[42] K. Brádler, R. Israel, M. Schuld, và D. Su, Đối ngẫu trọng tâm của lấy mẫu boson Gaussian, arXiv: 1910.04022.
arXiv: 1910.04022v1

[43] C. Weedbrook, S. Pirandola, R. García-Patrón, NJ Cerf, TC Ralph, JH Shapiro và S. Lloyd, thông tin lượng tử Gaussian, Rev. Mod. Thể chất. 84, 621 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.84.621

[44] K. Brádler, P. Dallaire-Demers, P. Rebentrost, D. Su, và C. Weedbrook, lấy mẫu boson Gaussian để kết hợp hoàn hảo các đồ thị tùy ý, Phys. Phiên bản A 98, 032310 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032310

[45] H. Qi, DJ Brod, N. Quesada và R. García-Patrón, Các chế độ có thể mô phỏng cổ điển để lấy mẫu tiếng ồn Gaussian Boson, Phys. Rev. Lett. 124, 100502 (năm 2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.100502

[46] WR Clements, PC Humphreys, BJ Metcalf, WS Kolthammer và IA Walsmley, Thiết kế tối ưu cho giao thoa kế đa cổng phổ thông, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[47] M. Reck, A. Zeilinger, HJ Bernstein và P. Bertani, Thực nghiệm nhận ra bất kỳ toán tử đơn nhất rời rạc nào, 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 và DV Plant, Tối ưu hóa thiết kế bộ dịch pha quang nhiệt và giảm thiểu nhiễu xuyên âm nhiệt trên nền tảng SOI, Opt. Express 27, 10456 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.27.010456

[49] A. Serafini, Biến liên tục lượng tử: Cơ sở của các phương pháp lý thuyết (CRC Press, 2017).

[50] J. Huh, GG Guerreschi, B. Peropadre, JR McClean, và A. Aspuru-Guzik, Lấy mẫu Boson cho phổ rung phân tử, 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 và AG White, Đặc điểm trực tiếp của mạng quang tuyến tính, Opt. Express 21, 13450 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.21.013450

[52] V. Giovannetti, AS Holevo và R. García-Patrón, Giải pháp của phỏng đoán trình tối ưu hóa Gaussian cho các kênh lượng tử, Commun. Môn Toán. Thể chất. 334, 1553 (2015).
https://doi.org/10.1007/s00220-014-2150-6

[53] R. García-Patrón, J. Renema và V. Shchesnovich, Mô phỏng lấy mẫu boson trong các kiến trúc mất mát, Lượng tử 3, 169 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-08-05-169

[54] R. Kruse, CS Hamilton, L. Sansoni, S. Barkhofen, C. Silberhorn, và I. Jex, Nghiên cứu chi tiết về lấy mẫu boson Gaussian, Phys. Phiên bản A 100, 032326 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032326

Trích dẫn

[1] M. Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C. Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R. McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan, Lukasz Cincio và Patrick J. Coles, “Các thuật toán lượng tử đa dạng”, arXiv: 2012.09265.

[2] Tyler Volkoff, Zoë Holmes và Andrew Sornborger, “Biên dịch phổ quát và (Không) các định lý Bữa trưa miễn phí cho việc học lượng tử biến liên tục”, arXiv: 2105.01049.

[3] Shreya P. Kumar, Leonhard Neuhaus, Lukas G. Helt, Haoyu Qi, Blair Morrison, Dylan H. Mahler và Ish Dhand, “Giảm thiểu sự không hoàn hảo của quang học tuyến tính thông qua phân bổ và biên dịch cổng”, arXiv: 2103.03183.

[4] Saad Yalouz, Bruno Senjean, Filippo Miatto và Vedran Dunjko, “Mã hóa các hàm sóng nhiều boson tương quan mạnh trên máy tính lượng tử quang tử: ứng dụng cho mô hình Bose-Hubbard hấp dẫn”, arXiv: 2103.15021.

Các trích dẫn trên là từ SAO / NASA ADS (cập nhật lần cuối thành công 2021 / 05-07 23:43:35). Danh sách có thể không đầy đủ vì không phải tất cả các nhà xuất bản đều cung cấp dữ liệu trích dẫn phù hợp và đầy đủ.

On Dịch vụ trích dẫn của Crossref không có dữ liệu về các công việc trích dẫn được tìm thấy (lần thử cuối cùng 2021 / 05-07 23:43:33).

Bài viết này được xuất bản trong Lượng tử dưới Creative Commons Ghi công 4.0 Quốc tế (CC BY 4.0) giấy phép. Bản quyền vẫn thuộc về chủ sở hữu bản quyền gốc như các tác giả hoặc tổ chức của họ.