Kvantmüra mudelite sobitamine tomograafia andmetega

Kvantmüra mudelite sobitamine tomograafia andmetega

Allikasõlm: 2994575

Abstraktne

Müra olemasolu on praegu üks peamisi takistusi suuremahuliste kvantarvutuste saavutamisel. Kvantiriistvara müraprotsesside iseloomustamise ja mõistmise strateegiad on selle vähendamise kriitilise tähtsusega, eriti kuna täieliku veaparanduse ja tõrketaluvusega seotud kulud on praegusele riistvarale väljas. Mitte-Markovi efektid on eriti ebasoodsad müratüübid, mida on nii raskemini analüüsida standardsete tehnikate abil kui ka raskemini kontrollitavad veaparandustega. Selles töös töötame välja tõhusate algoritmide komplekti, mis põhinevad Markovi põhivõrrandite rangel matemaatilisel teoorial, et analüüsida ja hinnata tundmatuid müraprotsesse. Markovi evolutsiooniga kooskõlas oleva dünaamika korral väljastab meie algoritm kõige paremini sobiva Lindbladiani, st mäluta kvantkanali generaatori, mis kõige paremini lähendab tomograafilisi andmeid antud täpsusega. Mitte-Markovi dünaamika korral tagastab meie algoritm mitte-Markoviuse kvantitatiivse ja operatiivselt tähendusliku mõõdu isotroopse müra lisamise osas. Pakume kõigi oma algoritmide Pythoni rakendust ja võrdleme neid Cirqi platvormi abil loodud mürarikaste tomograafiaandmete sünteesitud 1- ja 2-kubitiste näidetega. Numbrilised tulemused näitavad, et meie algoritmidel õnnestub nii mõõdetud dünaamikale kõige paremini sobiva Lindbladiani täieliku kirjelduse eraldamisel kui ka analüütilistele arvutustele vastavate mittemarkovisuse täpsete väärtuste arvutamisel.

Kvantarvutid pakuvad võimalust täita teatud ülesandeid palju kiiremini kui nende klassikalised kolleegid – näiteks materjalide simuleerimine, optimeerimisprobleemid ja põhifüüsika. Kvantarvutid on aga vigadele väga vastuvõtlikud – kui kvantarvutusseadmete müraga toimetulemiseks ei võeta samme, uputavad vead tehtava arvutuse kiiresti üle. Seetõttu on kvantseadmete müraprotsesside iseloomustamise ja mõistmise meetodid üliolulised. Selles artiklis töötame välja tõhusad algoritmid müraprotsesside iseloomustamiseks kvantarvutusseadmetes, mis põhinevad standardsetel katsetehnikatel. Need algoritmid võtavad nende katsete väljundi ja annavad aluseks oleva füüsilise protsessi kirjelduse, mis sobib kõige paremini katseandmetega. Nende füüsikaliste protsesside tundmine võib aidata inseneridel mõista oma seadme käitumist ja aidata seadmeid kasutavatel inimestel kavandada kvantalgoritme, mis on vastupidavad seadmes kõige levinumate müratüüpidele.

► BibTeX-i andmed

► Viited

[1] John Preskill. "Kvantarvuti NISQ ajastul ja pärast seda". In: Quantum 2 (2018), lk. 79. https://​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[2] Jens Eisert et al. "Kvantsertifitseerimine ja võrdlusuuringud". In: Nature Reviews Physics 2 (7 2020), lk 382–390. https://​/​doi.org/​10.1038/​s42254-020-0186-4.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-020-0186-4

[3] G. Lindblad. "Kvantdünaamiliste poolrühmade generaatoritest". In: Comm. matemaatika. Phys. 48.2 (1976), lk 119–130. https://​/​doi.org/​10.1007/​BF01608499.
https://​/​doi.org/​10.1007/​BF01608499

[4] Vittorio Gorini, Andrzej Kossakowski ja E. C. G. Sudarshan. "N-taseme süsteemide täiesti positiivsed dünaamilised poolrühmad". In: Journal of Mathematical Physics 17.5 (1976), lk 821–825. https://​/​doi.org/​10.1063/​1.522979.
https://​/​doi.org/​10.1063/​1.522979

[5] Barbara M. Terhal ja Guido Burkard. "Tõrkekindel kvantarvutus kohaliku mitte-Markovi müra jaoks". In: Physical Review A 71.1 (2005). https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.71.012336.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.71.012336

[6] Dorit Aharonov, Aleksei Kitaev ja John Preskill. "Tõrkekindel kvantarvutus pikamaa korrelatsioonimüraga". In: Physical Review Letters 96.5 (2006). https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.96.050504.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.96.050504

[7] Hui Khoon Ng ja John Preskill. "Tõrkekindel kvantarvutus versus Gaussi müra". In: Physical Review A 79.3 (2009). https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.79.032318.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.79.032318

[8] M. M. Wolf, J. Eisert, T. S. Cubitt ja J. I. Cirac. "Mitte-Markovi kvantdünaamika hindamine". Väljaandes: Phys. Rev. Lett. 101 (15 2008), lk. 150402. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.101.150402.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.101.150402

[9] G. W. Stewart ja Ji-guang Sun. Maatriksi häirete teooria. Academic Press, 1990.

[10] https://​/​github.com/​quantumlib/​Cirq.
https://​/​github.com/​quantumlib/​Cirq

[11] Ángel Rivas, Susana F Huelga ja Martin B Plenio. "Kvant-mittemarkovisus: iseloomustamine, kvantifitseerimine ja tuvastamine". In: Aruanded füüsika edusammudest 77.9 (2014), lk. 094001. https://​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​77/​9/​094001.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​77/​9/​094001

[12] Carole Addis, Bogna Bylicka, Dariusz Chruscinski ja Sabrina Maniscalco. "Mitte-Markovi mõõtmete võrdlev uuring täpselt lahendatavates ühe- ja kahekbitilistes mudelites". Väljaandes: Phys. Rev. A 90 (5 2014), lk. 052103. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.90.052103.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.90.052103

[13] Li Li, Michael J.W. Hall ja Howard M. Wiseman. "Kvant-mittemarkovisuse kontseptsioonid: hierarhia". In: Physics Reports 759 (2018). Kvant-mittemarkovisuse kontseptsioonid: hierarhia, lk 1–51. https://​/​doi.org/​10.1016/​j.physrep.2018.07.001.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.physrep.2018.07.001

[14] Dariusz Chruscinski ja Sabrina Maniscalco. "Kvantevolutsiooni mittemarkovisuse aste". Väljaandes: Phys. Rev. Lett. 112 (12 2014), lk. 120404. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.112.120404.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.112.120404

[15] Michael M. Wolf ja J. Ignacio Cirac. "Kvantkanalite jagamine". In: Communications in Mathematical Physics 279 (1 2008), lk 147–168. https://​/​doi.org/​10.1007/​s00220-008-0411-y.
https://​/​doi.org/​10.1007/​s00220-008-0411-y

[16] S. C. Hou, X. X. Yi, S. X. Yu ja C. H. Oh. "Alternatiivne mitte-Markovi mõõt dünaamiliste kaartide jagavuse järgi". Väljaandes: Phys. Rev. A 83 (6 2011), lk. 062115. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.83.062115.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.83.062115

[17] Simon Milz, M. S. Kim, Felix A. Pollock ja Kavan Modi. "Täiesti positiivne jagatavus ei tähenda markovisust". Väljaandes: Phys. Rev. Lett. 123 (4 2019), lk. 040401. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.123.040401.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.123.040401

[18] Toby Cubitt, Jens Eisert ja Michael Wolf. "Kvantkanalite seostamise keerukus põhivõrranditega". In: Communications in Mathematical Physics 310 (2 2009), lk 383–418. https://​/​doi.org/​10.1007/​s00220-011-1402-y.
https://​/​doi.org/​10.1007/​s00220-011-1402-y

[19] Johannes Bausch ja Toby Cubitt. "Jagatavuse keerukus". In: Lineaaralgebra ja selle rakendused 504 (2016), lk 64–107. https://​/​doi.org/​10.1016/​j.laa.2016.03.041.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.laa.2016.03.041

[20] Ángel Rivas, Susana F. Huelga ja Martin B. Plenio. "Kvantevolutsioonide takerdumine ja mittemarkovisus". In: Physical Review Letters 105.5 (2010). https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.105.050403.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.105.050403

[21] Kang-Da Wu et al. "Mitte-Markoviaalsuse tuvastamine kvantifitseeritud sidususe kaudu: teooria ja katsed". In: npj Quantum Information 6 (1 2020), lk. 55. https://​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0283-3.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0283-3

[22] A. R. Usha Devi, A. K. Rajagopal ja Sudha. "Avatud süsteemi kvantdünaamika korrelatsiooniga algolekutega, mitte täiesti positiivsete kaartidega ja mittemarkovisusega." Väljaandes: Phys. Rev. A 83 (2 2011), lk. 022109. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.83.022109.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.83.022109

[23] Shunlong Luo, Shuangshuang Fu ja Hongting Song. "Mitte-Markoviaalsuse kvantifitseerimine korrelatsioonide kaudu". Väljaandes: Phys. Rev. A 86 (4 2012), lk. 044101. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.86.044101.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.86.044101

[24] Elsi-Mari Laine, Jyrki Piilo ja Heinz-Peter Breuer. "Kvantprotsesside mittemarkovisuse mõõt". In: Physical Review A 81.6 (2010). https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.81.062115.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.81.062115

[25] Xiao-Ming Lu, Xiaoguang Wang ja C. P. Sun. "Quantum Fisheri teabevoog ja avatud süsteemide mitte-Markovi protsessid". Väljaandes: Phys. Rev. A 82 (4 2010), lk. 042103. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.82.042103.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.82.042103

[26] Heinz-Peter Breuer, Elsi-Mari Laine ja Jyrki Piilo. "Mõõtmine avatud süsteemide kvantprotsesside mitte-Markovi käitumise määra jaoks". In: Physical Review Letters 103.21 (2009). https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.103.210401.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.103.210401

[27] Bogna Bylicka, Dariusz Chruscinski ja Sabrina Maniscalco. Mittemarkovisus kui kvanttehnoloogiate ressurss. 2013. arXiv: 1301.2585 [kvant-ph].
arXiv: 1301.2585

[28] Salvatore Lorenzo, Francesco Plastina ja Mauro Paternostro. "Mittemarkovisuse geomeetriline iseloomustus". Väljaandes: Phys. Rev. A 88 (2 2013), lk. 020102. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.88.020102.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.88.020102

[29] Felix A. Pollock, César Rodríguez-Rosario, Thomas Frauenheim, Mauro Paternostro ja Kavan Modi. Markovi töötingimus kvantprotsesside jaoks. Väljaandes: Phys. Rev. Lett. 120 (4 2018), lk. 040405. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.120.040405.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.120.040405

[30] Kade Head-Marsden, Stefan Krastanov, David A. Mazziotti ja Prineha Narang. "Mitte-Markovi dünaamika tabamine lähiaja kvantarvutites". Väljaandes: Phys. Rev. Research 3 (1 2021), lk. 013182. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.013182.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.013182

[31] Murphy Yuezhen Niu jt. Mitte-Markovi kvantmüra õppimine Moire'i täiustatud vahetusspektroskoopia abil sügava evolutsioonilise algoritmiga. 2019. arXiv: 1912.04368 [kvant-ph].
arXiv: 1912.04368

[32] I. A. Luchnikov, S. V. Vintskevitš, D. A. Grigorjev ja S. N. Filippov. "Masinõppe mitte-Markovi kvantdünaamika". In: Physical Review Letters 124.14 (2020). https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.124.140502.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.124.140502

[33] I. A. Luchnikov jt. Mitte-Markovi kvantdünaamika uurimine andmepõhise analüüsiga: peale "musta kasti" masinõppe mudelite. Phys. Rev. Research 4, 043002, 2022. [kvant-ph].
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.4.043002

[34] Stephen Boyd ja Lieven Vandenberghe. Kumer optimeerimine. Cambridge University Press, 2004. https://​/​doi.org/​10.1017/​CBO9780511804441.
https://​/​doi.org/​10.1017/​CBO9780511804441

[35] Steven Diamond ja Stephen Boyd. "CVXPY: Pythoni manustatud modelleerimiskeel kumeraks optimeerimiseks". In: Journal of Machine Learning Research 17.83 (2016), lk 1–5.

[36] Akshay Agrawal, Robin Verschueren, Steven Diamond ja Stephen Boyd. "Ümberkirjutussüsteem kumerate optimeerimisprobleemide jaoks". In: Journal of Control and Decision 5.1 (2018), lk 42–60.

[37] E. Davies. "Manustatavad Markovi maatriksid". In: Electron. J. Tõenäoliselt. 15 (2010), lk 1474–1486. https://​/​doi.org/​10.1214/​EJP.v15-733.
https://​/​doi.org/​10.1214/​EJP.v15-733

[38] Kamil Korzekwa ja Matteo Lostaglio. "Kvantieelised stohhastiliste protsesside simuleerimisel". Väljaandes: Phys. Rev. X 11 (2 2021), lk. 021019. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.11.021019.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.11.021019

[39] David E. Evans. "Tingimuslikult täiesti positiivsed kaardid operaatori algebratel". In: The Quarterly Journal of Mathematics 28.3 (1977), lk 271–283. https://​/​doi.org/​10.1093/​qmath/​28.3.271.
https://​/​doi.org/​10.1093/​qmath/​28.3.271

[40] Jyrki Piilo, Sabrina Maniscalco, Kari Härkönen ja Kalle-Antti Suominen. "Mitte-Markovi kvanthüpped". Väljaandes: Phys. Rev. Lett. 100 (18 2008), lk. 180402. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.100.180402.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.100.180402

[41] https://​/​gitlab.com/​TamaraKohler/​non-markovianity.
https://​/​gitlab.com/​TamaraKohler/​non-markovianity.

[42] Z. Hradil. "Kvantseisundi hindamine". Väljaandes: Phys. Rev. A 55 (3 1997), R1561–R1564. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.55.R1561.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.55.R1561

[43] Daniel F. V. James, Paul G. Kwiat, William J. Munro ja Andrew G. White. "Kubitide mõõtmine". Väljaandes: Phys. Rev. A 64 (5 2001), lk. 052312. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.64.052312.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.64.052312

[44] Robin Blume-Kohout. "Kvantolekute optimaalne ja usaldusväärne hinnang". In: New Journal of Physics 12.4 (2010), lk. 043034. https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​12/​4/​043034.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​12/​4/​043034

[45] V. I. Danilov ja V. V. Šokurov. Algebraline geomeetria I. Algebralised kõverad, algebralised kollektorid ja skeemid. Vol. 23. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1994. https://​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-57878-6.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-57878-6

[46] S. H. Weintraub. Jordaania kanooniline vorm: teooria ja praktika. Süntees Loengud matemaatikast ja statistikast. Morgan ja Claypool Publishers, 2009. https://​/​doi.org/​10.2200/​S00218ED1V01Y200908MAS006.
https:/​/​doi.org/​10.2200/​S00218ED1V01Y200908MAS006

[47] Erika Andersson, James D. Cresser ja Michael J. W. Hall. "Krausi lagunemise leidmine põhivõrrandist ja vastupidi". In: Journal of Modern Optics 54.12 (2007), lk 1695–1716. https://​/​doi.org/​10.1080/​09500340701352581.
https://​/​doi.org/​10.1080/​09500340701352581

[48] Gabriel O. Samach et al. Ülijuhtiva kvantprotsessori Lindbladi tomograafia. Phys. Rev. Applied 18, 064056, 2022. [kvant-ph].
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.18.064056

[49] Tosio Kato. Lineaaroperaatorite häiringuteooria. Vol. 132. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1995. https://​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-66282-9.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-66282-9

[50] D. J. Hartfiel. "Diagonaliseeritavate maatriksite tihedad komplektid". In: Proceedings of the American Mathematical Society 123.6 (1995), lk 1669–1672.

[51] David Pérez-García, Michael M. Wolf, Denes Petz ja Mary Beth Ruskai. “Positiivsete ja jälgi säilitavate kaartide kontraktiivsus Lp normide alusel”. In: Journal of Mathematical Physics 47.8 (2006), lk. 083506. https://​/​doi.org/​10.1063/​1.2218675.
https://​/​doi.org/​10.1063/​1.2218675

[52] Aleksander Schnell, André Eckardt ja Sergei Denisov. "Kas seal on Floquet Lindbladian?" Väljaandes: Phys. Rev. B 101 (10 2020), lk. 100301. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.101.100301.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.101.100301

[53] Aleksander Schnell, Sergei Denisov ja André Eckardt. "Kõrgsageduslikud laiendused perioodilistele Lindbladi generaatoritele". Väljaandes: Phys. Rev. B 104 (16 2021), lk. 165414. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.104.165414.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.104.165414

[54] Leonid Khachiyan ja Lorant Porkolab. Integraalpunktide arvutamine kumerates poolalgebralistes hulkades. In: Proceedings 38th Annual Symposium on Foundations of Computer Science. IEEE. 1997, lk 162–171.

[55] John E. Mitchell. "Täisarvprogrammeerimine: hargnemis- ja lõikealgoritmid". In: Encyclopedia of Optimization. Ed. Christodoulos A. Floudas ja Panos M. Pardalos. Boston, MA: Springer USA, 2009, lk 1643–1650. https://​/​doi.org/​10.1007/​978-0-387-74759-0287.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-0-387-74759-0_287

Viidatud

[1] Christiane P. Koch, Ugo Boscain, Tommaso Calarco, Gunther Dirr, Stefan Filipp, Steffen J. Glaser, Ronnie Kosloff, Simone Montangero, Thomas Schulte-Herbrüggen, Dominique Sugny ja Frank K. Wilhelm, „Kvantoptimaalne kontroll kvanttehnoloogiad. Strateegiline aruanne teadusuuringute hetkeseisu, visioonide ja eesmärkide kohta Euroopas”, arXiv: 2205.12110, (2022).

[2] Ryan Levy, Di Luo ja Bryan K. Clark, „Classical Shadows for Quantum Process Tomography on Near-term Quantum Computers” arXiv: 2110.02965, (2021).

[3] Dominik Hangleiter, Ingo Roth, Jens Eisert ja Pedram Roushan, "Suprajuhtiva kvantprotsessori täpne Hamiltoni identifitseerimine", arXiv: 2108.08319, (2021).

[4] Gabriel O. Samach, Ami Greene, Johannes Borregaard, Matthias Christandl, Joseph Barreto, David K. Kim, Christopher M. McNally, Alexander Melville, Bethany M. Niedzielski, Youngkyu Sung, Danna Rosenberg, Mollie E. Schwartz, Jonilyn L. Yoder, Terry P. Orlando, Joel I. -Jan Wang, Simon Gustavsson, Morten Kjaergaard ja William D. Oliver, "Superjuhtiva kvantprotsessori lindbladtomograafia" Rakendatud füüsiline ülevaatus 18 6, 064056 (2022).

[5] Miha Papič ja Inés de Vega, "Närvivõrgupõhine qubit-keskkonna iseloomustus", Füüsiline ülevaade A 105 2, 022605 (2022).

[6] James Sud, Jeffrey Marshall, Zhihui Wang, Eleanor Rieffel ja Filip A. Wudarski, "Dual-map framework for noise characterization of quantum computers" Füüsiline ülevaade A 106 1, 012606 (2022).

[7] Brian Doolittle, Tom Bromley, Nathan Killoran ja Eric Chitambar, "Mittepaiksuse variatsiooniline kvantoptimeerimine mürarikastes kvantvõrkudes", arXiv: 2205.02891, (2022).

[8] Markus Hasenöhrl ja Matthias C. Caro, "Superkanalite ja semikausaalsete kanalite kvant- ja klassikalised dünaamilised poolrühmad", Journal of Mathematical Physics 63 7, 072204 (2022).

[9] Emilio Onorati, Tamara Kohler ja Toby S. Cubitt, "Ajast sõltuva Markovi dünaamika sobitamine mürarikastele kvantkanalitele", arXiv: 2303.08936, (2023).

Ülaltoodud tsitaadid on pärit SAO/NASA KUULUTUSED (viimati edukalt värskendatud 2023-12-05 14:26:01). Loend võib olla puudulik, kuna mitte kõik väljaandjad ei esita sobivaid ja täielikke viiteandmeid.

Ei saanud tuua Ristviide viidatud andmete alusel viimase katse ajal 2023-12-05 14:25:59: 10.22331/q-2023-12-05-1197 viidatud andmeid ei saanud Crossrefist tuua. See on normaalne, kui DOI registreeriti hiljuti.

Ajatempel:

Veel alates Quantum Journal