Estimaciones de energía del estado fundamental resistentes al ruido a partir de circuitos cuánticos profundos

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Harish J. Vallury¹, michael a. jones¹, Gregory AL White¹, Floyd M. Creevey¹, Carlos D. Colina^1,2y Lloyd CL Hollenberg¹

¹Facultad de Física, Universidad de Melbourne, Parkville, VIC 3010, Australia
²Escuela de Matemáticas y Estadística, Universidad de Melbourne, Parkville, VIC 3010, Australia

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Resumen

En el camino hacia la tolerancia a fallas, la utilidad de la computación cuántica estará determinada por qué tan adecuadamente se puedan evitar los efectos del ruido en los algoritmos cuánticos. Se han diseñado algoritmos híbridos cuánticos-clásicos, como el eigensolver cuántico variacional (VQE), para el régimen a corto plazo. Sin embargo, a medida que los problemas aumentan, los resultados de VQE generalmente se ven alterados por el ruido del hardware actual. Si bien las técnicas de mitigación de errores alivian estos problemas hasta cierto punto, existe una necesidad apremiante de desarrollar enfoques algorítmicos con mayor solidez al ruido. Aquí, exploramos las propiedades de robustez del enfoque de momentos computacionales cuánticos (QCM) recientemente introducido para problemas de energía del estado fundamental y mostramos a través de un ejemplo analítico cómo la estimación de energía subyacente filtra explícitamente el ruido incoherente. Motivados por esta observación, implementamos QCM para un modelo de magnetismo cuántico en hardware IBM Quantum para examinar el efecto de filtrado de ruido al aumentar la profundidad del circuito. Encontramos que QCM mantiene un grado notablemente alto de robustez contra errores donde VQE falla por completo. En instancias del modelo de magnetismo cuántico de hasta 20 qubits para circuitos de estado de prueba ultraprofundos de hasta 500 CNOT, QCM aún puede extraer estimaciones de energía razonables. La observación se ve reforzada por un amplio conjunto de resultados experimentales. Para igualar estos resultados, VQE necesitaría una mejora del hardware de unos 2 órdenes de magnitud en las tasas de error.

Resumen popular

El ruido es el mayor desafío de la computación cuántica actual. A medida que aumenta la profundidad del circuito para los problemas del mundo real, el error acumulativo en el cálculo cuántico rápidamente abruma los resultados. Existen estrategias de corrección y mitigación de errores, pero requieren muchos recursos o no son lo suficientemente potentes para compensar niveles tan altos de perturbación. La pregunta es: ¿existen algoritmos cuánticos que sean inherentemente robustos al ruido y que igualen el campo de juego? Los algoritmos cuánticos variacionales son un enfoque común para los problemas de química y física de la materia condensada, e implican preparar y medir la energía de un estado de prueba en una computadora cuántica. Si bien el ruido normalmente altera este resultado, hemos desarrollado una técnica mediante la cual midiendo observables adicionales de mayor peso (momentos hamiltonianos) se pueden corregir las imperfecciones inducidas por el ruido en el estado de prueba preparado en la computadora cuántica. En este trabajo, analizamos la robustez del ruido de nuestro método a través de un modelo teórico, simulaciones ruidosas y, en última instancia, mediante la implementación de circuitos cuánticos profundos en hardware real (más de 500 puertas CNOT en total). A partir de los resultados experimentales, podemos determinar las energías del estado fundamental de un conjunto de problemas de magnetismo cuántico en un grado que, para ser igualado por métodos variacionales convencionales, requeriría una reducción de aproximadamente dos órdenes de magnitud en las tasas de error del dispositivo.
Nuestros resultados muestran que el notable efecto de filtrado de la técnica basada en momentos parece eludir los efectos del ruido en el núcleo de la computación cuántica actual y señala el camino para lograr potencialmente una ventaja cuántica práctica en el hardware en el corto plazo.

► datos BibTeX

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[ 60 ] Pranav Gokhale, Olivia Angiuli, Yongshan Ding, Kaiwen Gui, Teague Tomesh, Martin Suchara, Margaret Martonosi y Frederic T Chong. “$ O (N^{3}) $ Costo de medición para un solucionador propio cuántico variacional en hamiltonianos moleculares”. Transacciones IEEE sobre ingeniería cuántica 1, 1–24 (2020). URL: https:///doi.org/10.1109/TQE.2020.3035814.
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[ 61 ] Lloyd CL Hollenberg y Michael J. Tomlinson. “Magnetación escalonada en el antiferroimán de Heisenberg”. Revista australiana de física 47, 137-144 (1994). URL: https:///doi.org/10.1071/PH940137.
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Citado por

[1] Floyd M. Creevey, Charles D. Hill y Lloyd CL Hollenberg, "GASP: un algoritmo genético para la preparación del estado en computadoras cuánticas", Informes científicos 13, 11956 (2023).

Las citas anteriores son de ANUNCIOS SAO / NASA (última actualización exitosa 2023-09-11 15:35:44). La lista puede estar incompleta ya que no todos los editores proporcionan datos de citas adecuados y completos.

No se pudo recuperar Crossref citado por datos durante el último intento 2023-09-11 15:35:43: No se pudieron obtener los datos citados por 10.22331 / q-2023-09-11-1109 de Crossref. Esto es normal si el DOI se registró recientemente.

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Fuente: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-09-11-1109/

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