Multivariat sporestimering i konstant kvantedybde

Multivariat sporestimering i konstant kvantedybde

Kildeknude: 3061136

Yihui Quek1,2,3, Eneet Kaur4,5og Mark M. Wilde6,7

1Institut for Matematik, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge MA 02139
2Dahlem Center for Complex Quantum Systems, Freie Universität Berlin, 14195 Berlin, Tyskland
3Information Systems Laboratory, Stanford University, Palo Alto, CA 94305, USA
4Cisco Quantum Lab, Los Angeles, USA
5Institut for Kvanteberegning og Institut for Fysik og Astronomi, University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada N2L 3G1
6School of Electrical and Computer Engineering, Cornell University, Ithaca, New York 14850, USA
7Hearne Institut for Teoretisk Fysik, Institut for Fysik og Astronomi og Center for Beregning og Teknologi, Louisiana State University, Baton Rouge, Louisiana 70803, USA

Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Der er en folkloristisk tro på, at et dybde-$Theta(m)$ kvantekredsløb er nødvendigt for at estimere sporet af produktet af $m$ tæthedsmatricer (dvs. et multivariat spor), en subrutine, der er afgørende for anvendelser i kondenseret stof og kvante. informationsvidenskab. Vi beviser, at denne tro er alt for konservativ ved at konstruere et konstant kvantedybdekredsløb til opgaven, inspireret af metoden til Shor-fejlkorrektion. Ydermere kræver vores kredsløb kun lokale porte i et todimensionelt kredsløb – vi viser, hvordan det implementeres på en meget paralleliseret måde på en arkitektur, der ligner den for Googles $Sycamore$-processor. Med disse funktioner bringer vores algoritme den centrale opgave med multivariat sporestimering tættere på mulighederne for kortsigtede kvanteprocessorer. Vi instansierer sidstnævnte applikation med en sætning om estimering af ikke-lineære funktioner af kvantetilstande med "velopdragne" polynomielle approksimationer.

► BibTeX-data

► Referencer

[1] Artur K. Ekert, Carolina Moura Alves, Daniel KL Oi, Michał Horodecki, Paweł Horodecki og LC Kwek. "Direkte estimeringer af lineære og ikke-lineære funktionaliteter af en kvantetilstand". Physical Review Letters 88, 217901 (2002).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.88.217901

[2] Todd A. Brun. "Måling af polynomiske funktioner af tilstande". Quantum Information and Computation 4, 401–408 (2004).
https://​/​doi.org/​10.26421/​QIC4.5-6

[3] Harry Buhrman, Richard Cleve, John Watrous og Ronald de Wolf. "Quantum fingerprinting". Physical Review Letters 87, 167902 (2001).
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.87.167902

[4] Sonika Johri, Damian S. Steiger og Matthias Troyer. "Entanglement spektroskopi på en kvantecomputer". Fysisk gennemgang B 96, 195136 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.96.195136

[5] A. Elben, B. Vermersch, M. Dalmonte, JI Cirac og P. Zoller. "Rényi-entropier fra tilfældige quenches i atomare Hubbard- og spin-modeller". Physical Review Letters 120, 050406 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.120.050406

[6] B. Vermersch, A. Elben, M. Dalmonte, JI Cirac og P. Zoller. "Unitære $n$-designs via tilfældige quenches i atomare Hubbard- og spin-modeller: Anvendelse til måling af Rényi-entropier". Fysisk anmeldelse A 97, 023604 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.97.023604

[7] Paweł Horodecki og Artur Ekert. "Metode til direkte detektion af kvantesammenfiltring". Physical Review Letters 89, 127902 (2002).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.89.127902

[8] Matthew S. Leifer, Noah Linden og Andreas Winter. "Måling af polynomielle invarianter af flerpartiskvantetilstande". Physical Review A 69, 052304 (2004).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.69.052304

[9] Tiff Brydges, Andreas Elben, Petar Jurcevic, Benoît Vermersch, Christine Maier, Ben P. Lanyon, Peter Zoller, Rainer Blatt og Christian F. Roos. "Undersøge Rényi entanglement entropi via randomiserede målinger". Science 364, 260-263 (2019).
https://​doi.org/​10.1126/​science.aau4963

[10] Michał Oszmaniec, Daniel J. Brod og Ernesto F. Galvão. "Måling af relationel information mellem kvantetilstande og applikationer" (2021) arXiv:2109.10006.
arXiv: 2109.10006

[11] Daniel Gottesman og Isaac Chuang. "Kvante digitale signaturer". upubliceret (2001) arXiv:quant-ph/​0105032.
arXiv:quant-ph/0105032

[12] Tuan-Yow Chien og Shayne Waldron. "En karakterisering af projektiv enhedsækvivalens af endelige rammer og applikationer". SIAM Journal on Discrete Mathematics 30, 976–994 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1137/​15M1042140

[13] Valentine Bargmann. "Note om Wigners sætning om symmetrioperationer". Journal of Mathematical Physics 5, 862–868 (1964).
https://​/​doi.org/​10.1063/​1.1704188

[14] Aram W. Harrow, Avinatan Hassidim og Seth Lloyd. "Kvantealgoritme for lineære ligningssystemer". Physical Review Letters 103, 150502 (2009).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.103.150502

[15] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low og Nathan Wiebe. "Kvante-singular værditransformation og videre: eksponentielle forbedringer for kvantematrix-aritmetik". I Proceedings of the 51st Symposium on the Theory of Computing. Side 193–204. (2019).
https://​/​doi.org/​10.1145/​3313276.3316366

[16] András Gilyén, Seth Lloyd, Iman Marvian, Yihui Quek og Mark M. Wilde. "Kvantealgoritme til Petz-gendannelseskanaler og ret gode målinger". Physical Review Letters 128, 220502 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.128.220502

[17] Frank Pollmann, Ari M. Turner, Erez Berg og Masaki Oshikawa. "Entanglement spektrum af en topologisk fase i én dimension". Fysisk gennemgang B 81, 064439 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.81.064439

[18] Hong Yao og Xiao-Liang Qi. "Entanglement entropi og entanglement spektrum af Kitaev modellen". Physical Review Letters 105, 080501 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.105.080501

[19] Lukasz Fidkowski. "Entanglement spektrum af topologiske isolatorer og superledere". Physical Review Letters 104, 130502 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.104.130502

[20] Hui Li og FDM Haldane. "Entanglement spektrum som en generalisering af entanglement entropi: Identifikation af topologisk orden i ikke-Abelske fraktioneret kvante Hall effekt tilstande". Physical Review Letters 101, 010504 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.101.010504

[21] Claudio Chamon, Alioscia Hamma og Eduardo R. Mucciolo. "Emergent irreversibilitet og sammenfiltringsspektrumstatistik". Physical Review Letters 112, 240501 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.112.240501

[22] G. De Chiara, L. Lepori, M. Lewenstein og A. Sanpera. "Entanglement spektrum, kritiske eksponenter og ordensparametre i kvantespinkæder". Physical Review Letters 109, 237208 (2012).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.109.237208

[23] Jens Eisert, Marcus Cramer og Martin B. Plenio. "Colloquium: Områdelove for sammenfiltringsentropien". Reviews of Modern Physics 82, 277-306 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.82.277

[24] M. Mezard, G. Parisi og M. Virasoro. "Spin glas teori og videre". World Scientific. (1986).
https://​/​doi.org/​10.1142/​0271

[25] Justin Yirka og Yiğit Subaşı. "Qubit-effektiv sammenfiltringsspektroskopi ved hjælp af qubit-nulstillinger". Quantum 5, 535 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-09-02-535

[26] Yiğit Subaşı, Lukasz Cincio og Patrick J. Coles. "Entanglement spektroskopi med et dybde-to kvantekredsløb". Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 52, 044001 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8121/​aaf54d

[27] Frank Arute, Kunal Arya, et al. "Kvanteoverlegenhed ved hjælp af en programmerbar superledende processor". Nature 574, 505-510 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[28] Peter W. Shor. "Fejltolerant kvanteberegning". I Proceedings of the 37th Annual Symposium on Foundations of Computer Science. Side 56. FOCS '96USA (1996). IEEE Computer Society.
https://​/​doi.org/​10.1109/​SFCS.1996.548464

[29] Wassily Hoeffding. "Sandsynlighedsuligheder for summer af afgrænsede stokastiske variable". Journal of the American Statistical Association 58, 13–30 (1963).
https://​/​doi.org/​10.2307/​2282952

[30] Daniel Gottesman. "En introduktion til kvantefejlkorrektion og fejltolerant kvanteberegning". Quantum Information Science and Its Contributions to Mathematics, Proceedings of Symposia in Applied Mathematics 68, 13-58 (2010). arXiv:0904.2557.
arXiv: 0904.2557

[31] Adam Bene Watts, Robin Kothari, Luke Schaeffer og Avisay Tal. "Eksponentiel adskillelse mellem lavvandede kvantekredsløb og ubegrænsede fan-in lavvandede klassiske kredsløb". I Proceedings of the 51st Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. Side 515–526. STOC 2019New York, NY, USA (2019). Foreningen for Datamaskiner.
https://​/​doi.org/​10.1145/​3313276.3316404

[32] Zhenning Liu og Alexandru Gheorghiu. "Dybdeeffektive beviser for kvantelighed". Quantum 6, 807 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-09-19-807

[33] Markus Grassl og Thomas Beth. "Cykliske kvantefejlkorrigerende koder og kvanteforskydningsregistre". Proceedings of the Royal Society A 456, 2689–2706 (2000). arXiv:quant-ph/​991006.
https://​/​doi.org/​10.1098/​rspa.2000.0633
arXiv:quant-ph/9

[34] Seth Lloyd, Masoud Mohseni og Patrick Rebentrost. "Quanteprincipal komponentanalyse". Nature Physics 10, 631-633 (2014).
https://doi.org/​10.1038/​nphys3029

[35] Shelby Kimmel, Cedric Yen Yu Lin, Guang Hao Low, Maris Ozols og Theodore J. Yoder. "Hamiltonsk simulering med optimal prøvekompleksitet". npj Quantum Information 3, 1–7 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-017-0013-7

[36] SJ van Enk og CWJ Beenakker. "Måling af $mathrm{Tr}{{rho}}^{n}$ på enkelte kopier af ${rho}$ ved hjælp af tilfældige målinger". Physical Review Letters 108, 110503 (2012).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.108.110503

[37] Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng og John Preskill. "Forudsige mange egenskaber ved et kvantesystem ud fra meget få målinger". Nature Physics 16, 1050-1057 (2020). arXiv:2002.08953.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-020-0932-7
arXiv: 2002.08953

[38] Aniket Rath, Cyril Branciard, Anna Minguzzi og Benoı̂t Vermersch. "Quantum Fisher information fra randomiserede målinger". Physical Review Letters 127, 260501 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.127.260501

[39] Fedja. "Svar til stak udvekslingspost". https://​/​tinyurl.com/​3b9v7pum (2021).
https://​/​tinyurl.com/​3b9v7pum

[40] Jiantao Jiao, Kartik Venkat, Yanjun Han og Tsachy Weissman. "Minimax estimering af funktionaliteter af diskrete distributioner". IEEE Transactions on Information Theory 61, 2835–2885 (2015).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2015.2412945

[41] Yihong Wu og Pengkun Yang. "Minimakshastigheder for entropi-estimering på store alfabeter via bedste polynomietilnærmelse". IEEE Transactions on Information Theory 62, 3702–3720 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2016.2548468

[42] Jiantao Jiao, Kartik Venkat, Yanjun Han og Tsachy Weissman. "Maksimal sandsynlighed estimering af funktionaler af diskrete distributioner". IEEE Transactions on Information Theory 63, 6774–6798 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2017.2733537

[43] Jayadev Acharya, Alon Orlitsky, Ananda Theertha Suresh og Himanshu Tyagi. "Estimering af Rényi-entropi af diskrete distributioner". IEEE Transactions on Information Theory 63, 38–56 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2016.2620435

[44] Jayadev Acharya, Ibrahim Issa, Nirmal V. Shende og Aaron B. Wagner. "Estimering af kvanteentropi". IEEE Journal on Selected Areas in Information Theory 1, 454–468 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1109/​JSAIT.2020.3015235

[45] András Gilyén og Tongyang Li. "Distributional Property Testing in a Quantum World". I Thomas Vidick, redaktør, 11th Innovations in Theoretical Computer Science Conference (ITCS 2020). Bind 151 af Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs), side 25:1–25:19. Dagstuhl, Tyskland (2020). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum fuer Informatik.
https://​/​doi.org/​10.4230/​LIPIcs.ITCS.2020.25

[46] Alessandro Luongo og Changpeng Shao. "Kvantealgoritmer for spektrale summer". upubliceret (2020) arXiv:2011.06475.
arXiv: 2011.06475

[47] Sathyawageeswar Subramanian og Min-Hsiu Hsieh. "Kvantealgoritme til at estimere ${alpha}$-Rényi entropier af kvantetilstande". Physical Review A 104, 022428 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.104.022428

[48] Youle Wang, Benchi Zhao og Xin Wang. "Kvantealgoritmer til estimering af kvanteentropier". Fysisk gennemgang anvendt 19, 044041 (2023).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.19.044041

[49] Tom Gur, Min-Hsiu Hsieh og Sathyawageeswar Subramanian. "Sublineære kvantealgoritmer til estimering af von Neumann-entropi" (2021) arXiv:2111.11139.
arXiv: 2111.11139

[50] Tongyang Li, Xinzhao Wang og Shengyu Zhang. "En forenet kvantealgoritme-ramme til estimering af egenskaber ved diskrete sandsynlighedsfordelinger" (2022) arXiv:2212.01571.
arXiv: 2212.01571

[51] Qisheng Wang, Zhicheng Zhang, Kean Chen, Ji Guan, Wang Fang, Junyi Liu og Mingsheng Ying. "Kvantealgoritme til estimering af troskab". IEEE Transactions on Information Theory 69, 273-282 (2023).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2022.3203985

[52] András Gilyén og Alexander Poremba. "Forbedrede kvantealgoritmer til estimering af troskab" (2022) arXiv:2203.15993.
arXiv: 2203.15993

[53] David Pérez-García, Michael M. Wolf, Denes Petz og Mary Beth Ruskai. "Kontraktivitet af positive og sporbevarende kort under $L_p$-normer". Journal of Mathematical Physics 47, 083506 (2006). arXiv:math-ph/​0601063.
https://​/​doi.org/​10.1063/​1.2218675
arXiv:math-ph/06

[54] Umesh Vazirani. "Computational prober of Hilbert space". Foredrag tilgængelig på https://​/​www.youtube.com/​watch?v=ajKoO5RFtwo (2019). Citat fra Q2B 2019, tilskrevet en ukendt person.
https://www.youtube.com/​watch?v=ajKoO5RFtwo

[55] Sumeet Khatri, Ryan LaRose, Alexander Poremba, Lukasz Cincio, Andrew T. Sornborger og Patrick J. Coles. "Kvanteassisteret kvantekompilering". Quantum 3, 140 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-05-13-140

[56] Kunal Sharma, Sumeet Khatri, Marco Cerezo og Patrick J. Coles. "Støjmodstandsdygtighed af variationel kvantekompilering". New Journal of Physics 22, 043006 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab784c

[57] Sang Min Lee, Jinhyoung Lee og Jeongho Bang. "Lære ukendte rene kvantetilstande". Fysisk anmeldelse A 98, 052302 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.98.052302

[58] Ranyiliu Chen, Zhixin Song, Xuanqiang Zhao og Xin Wang. "Variationelle kvantealgoritmer til sporingsafstand og troskabsestimering". Quantum Science and Technology 7, 015019 (2022). arXiv:2012.05768.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ac38ba
arXiv: 2012.05768

[59] Jin-Min Liang, Qiao-Qiao Lv, Zhi-Xi Wang og Shao-Ming Fei. "Enslet multivariat sporestimering og kvantefejlreduktion". Physical Review A 107, 012606 (2023).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.107.012606

[60] Y. Ding, P. Gokhale, S. Lin, R. Rines, T. Propson og FT Chong. "Systematisk dæmpning af krydstale til superledende qubits via frekvensbevidst kompilering". I 2020 53. årlige IEEE/​ACM International Symposium on Microarchitecture (MICRO). Side 201–214. Los Alamitos, Californien, USA (2020). IEEE Computer Society.
https://​/​doi.org/​10.1109/​MICRO50266.2020.00028

[61] Ashley Montanaro. "Quantum speedup of Monte Carlo-metoder". Proceedings of the Royal Society A 471, 20150301 (2015).
https://​/​doi.org/​10.1098/​rspa.2015.0301

[62] Tudor Giurgica-Tiron, Iordanis Kerenidis, Farrokh Labib, Anupam Prakash og William Zeng. "Algorithmer med lav dybde til kvanteamplitudeestimering". Quantum 6, 745 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-06-27-745

[63] Kirill Plekhanov, Matthias Rosenkranz, Mattia Fiorentini og Michael Lubasch. "Variationel kvante amplitude estimering". Quantum 6, 670 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-03-17-670

[64] Dénes Petz. "Kvasi-entropier for tilstande af en von Neumann-algebra". Publ. RIMS, Kyoto University 21, 787-800 (1985).
https://​/​doi.org/​10.2977/​PRIMS/​1195178929

[65] Dénes Petz. "Kvasi-entropier for endelige kvantesystemer". Reports in Mathematical Physics 23, 57–65 (1986).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0034-4877(86)90067-4

Citeret af

[1] Kevin C. Smith, Eleanor Crane, Nathan Wiebe og SM Girvin, "Deterministic Constant-Depth Preparation of the AKLT State on a Quantum Processor Using Fusion Measurements", PRX Quantum 4 2, 020315 (2023).

[2] Rafael Wagner, Zohar Schwartzman-Nowik, Ismael L. Paiva, Amit Te'eni, Antonio Ruiz-Molero, Rui Soares Barbosa, Eliahu Cohen og Ernesto F. Galvão, "Kvantekredsløb til måling af svage værdier, Kirkwood–Dirac kvasi-sandsynlighedsfordelinger og tilstandsspektre", arXiv: 2302.00705, (2023).

[3] Zhicheng Zhang, Qisheng Wang og Mingsheng Ying, "Parallel Quantum Algorithm for Hamiltonian Simulation", arXiv: 2105.11889, (2021).

[4] Qisheng Wang og Zhicheng Zhang, "Fast Quantum Algorithms for Trace Distance Estimation", arXiv: 2301.06783, (2023).

[5] Soorya Rethinasamy, Rochisha Agarwal, Kunal Sharma og Mark M. Wilde, "Estimating distinguishability measurements on quantum computers", Fysisk anmeldelse A 108 1, 012409 (2023).

[6] Nouédyn Baspin, Omar Fawzi og Ala Shayeghi, "En nedre grænse for overhead af kvantefejlkorrektion i lave dimensioner", arXiv: 2302.04317, (2023).

[7] Filipa CR Peres og Ernesto F. Galvão, "Quantum circuit compilation and hybrid computation using Pauli-based computation", Quantum 7 (1126).

[8] Zachary P. Bradshaw, Margarite L. LaBorde og Mark M. Wilde, "Cycle index polynomials and generalized quantum separability tests", Proceedings of the Royal Society of London Series A 479 2274, 20220733 (2023).

[9] J. Knörzer, D. Malz og JI Cirac, "Cross-platform verification in quantum networks", Fysisk anmeldelse A 107 6, 062424 (2023).

[10] Ziv Goldfeld, Dhrumil Patel, Sreejith Sreekumar og Mark M. Wilde, "Quantum Neural Estimation of Entropies", arXiv: 2307.01171, (2023).

[11] Filipa CR Peres, "Pauli-baseret model for kvanteberegning med højere dimensionelle systemer", Fysisk anmeldelse A 108 3, 032606 (2023).

[12] TJ Volkoff og Yiğit Subaşı, "Ancilla-free continuous-variable SWAP test", Quantum 6 (800).

[13] Michael de Oliveira, Luís S. Barbosa og Ernesto F. Galvão, "Quantefordel i tidsmæssigt flad måling baseret kvanteberegning", arXiv: 2212.03668, (2022).

[14] Margarite L. LaBorde, "A Menagerie of Symmetry Testing Quantum Algorithms", arXiv: 2305.14560, (2023).

[15] Jue Xu og Qi Zhao, "Mod effektiv og generisk sammenfiltringsdetektion ved maskinlæring", arXiv: 2211.05592, (2022).

[16] Jin-Min Liang, Qiao-Qiao Lv, Zhi-Xi Wang og Shao-Ming Fei, "Unified multivariate trace estimation and quantum error mitigation", Fysisk anmeldelse A 107 1, 012606 (2023).

[17] Sreejith Sreekumar og Mario Berta, "Grænsefordelingsteori for kvantedivergenser", arXiv: 2311.13694, (2023).

Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2024-01-14 01:12:18). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.

On Crossrefs citeret af tjeneste ingen data om at citere værker blev fundet (sidste forsøg 2024-01-14 01:12:17).

Tidsstempel:

Mere fra Quantum Journal