Kvantumzaj modellek illesztése tomográfiás adatokhoz

Kvantumzaj modellek illesztése tomográfiás adatokhoz

Forrás csomópont: 2994575

Absztrakt

A zaj jelenléte jelenleg az egyik fő akadálya a nagyszabású kvantumszámítás megvalósításának. A kvantumhardverben zajló zajfolyamatok jellemzésére és megértésére irányuló stratégiák kritikus részét képezik a zajcsökkentésnek, különösen mivel a teljes hibajavítás és hibatűrés többletköltsége a jelenlegi hardver számára elérhetetlen. A nem-Markov-effektusok különösen kedvezőtlen típusú zajok, amelyek egyrészt nehezebben elemezhetők szabványos technikákkal, másrészt nehezebben szabályozhatók hibajavítással. Ebben a munkában hatékony algoritmusokat dolgozunk ki, amelyek a Markov-féle mesteregyenletek szigorú matematikai elméletén alapulnak, ismeretlen zajfolyamatok elemzésére és értékelésére. A markovi evolúcióval konzisztens dinamika esetén az algoritmusunk a legjobban illeszkedő Lindbladiánt adja ki, azaz egy memória nélküli kvantumcsatorna generátorát, amely a legjobban közelíti a tomográfiai adatokat az adott pontosságon belül. A nem-markovi dinamika esetében az algoritmusunk a nem-markovianitás kvantitatív és működési szempontból értelmes mértékét adja vissza az izotróp zaj-összeadás szempontjából. Az összes algoritmusunk Python-megvalósítását biztosítjuk, és összehasonlítjuk ezeket a szintetizált zajos tomográfiai adatok 1 és 2 qubites példáival, amelyeket a Cirq platform segítségével generáltak. A numerikus eredmények azt mutatják, hogy algoritmusaink sikeresek mind a mért dinamikához legjobban illeszkedő Lindbladian teljes leírásának kinyerésében, mind pedig az analitikai számításoknak megfelelő nem-markovianitás pontos értékeinek kiszámításában.

A kvantumszámítógépek lehetőséget kínálnak bizonyos feladatok sokkal gyorsabb elvégzésére, mint klasszikus társaik – például az anyagok szimulálása, az optimalizálási problémák és az alapvető fizika. A kvantumszámítógépek azonban nagyon érzékenyek a hibákra – ha nem tesznek lépéseket a kvantumszámítógépes eszközök zajának kezelésére, akkor a hibák gyorsan elárasztják a végrehajtott számításokat. Ezért kulcsfontosságúak a kvantumeszközökben zajló zajfolyamatok jellemzésére és megértésére szolgáló módszerek. Ebben a cikkben szabványos kísérleti technikákon alapuló hatékony algoritmusokat dolgozunk ki kvantumszámítási eszközökben zajló zajfolyamatok jellemzésére. Ezek az algoritmusok veszik ezeknek a kísérleteknek a kimenetét, és olyan leírást adnak a mögöttes fizikai folyamatról, amely a legjobban illeszkedik a kísérleti adatokhoz. E fizikai folyamatok ismerete segíthet a mérnököknek megérteni eszközeik viselkedését, és segítheti az eszközöket használó embereket olyan kvantumalgoritmusok tervezésében, amelyek ellenállnak az eszközben legelterjedtebb zajtípusoknak.

► BibTeX adatok

► Referenciák

[1] John Preskill. „Kvantumszámítástechnika a NISQ-korszakban és azon túl”. In: Quantum 2 (2018), p. 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. „Kvantumtanúsítás és benchmarking”. In: Nature Reviews Physics 2 (7 2020), 382–390. https://​/​doi.org/​10.1038/​s42254-020-0186-4.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-020-0186-4

[3] G. Lindblad. „A kvantumdinamikus félcsoportok generátorairól”. In: Comm. Math. Phys. 48.2 (1976), 119–130. https://​/​doi.org/​10.1007/​BF01608499.
https://​/​doi.org/​10.1007/​BF01608499

[4] Vittorio Gorini, Andrzej Kossakowski és E. C. G. Sudarshan. „N-szintű rendszerek teljesen pozitív dinamikus félcsoportjai”. In: Journal of Mathematical Physics 17.5 (1976), 821–825. https://​/​doi.org/​10.1063/​1.522979.
https://​/​doi.org/​10.1063/​1.522979

[5] Barbara M. Terhal és Guido Burkard. „Hibatűrő kvantumszámítás helyi nem-markovi zajhoz”. 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, Alekszej Kitaev és John Preskill. „Hibatűrő kvantumszámítás nagy hatótávolságú korrelált zajjal”. 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 és John Preskill. „Hibatűrő kvantumszámítás versus Gauss-zaj”. 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 és J. I. Cirac. „Assessing Non-Markov Quantum Dynamics”. In: Phys. Rev. Lett. 101. (15. 2008.), p. 150402. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.101.150402.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.101.150402

[9] G. W. Stewart és Ji-guang Sun. Mátrix perturbáció elmélet. Akadémiai Kiadó, 1990.

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

[11] Ángel Rivas, Susana F Huelga és Martin B Plenio. „Kvantum-nem-Markovianitás: jellemzés, mennyiségi meghatározás és kimutatás”. In: Reports on Progress in Physics 77.9 (2014), p. 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 és Sabrina Maniscalco. „A nem-Markov-mértékek összehasonlító vizsgálata pontosan megoldható egy- és kétkbites modellekben”. In: Phys. Rev. A 90 (5 2014), p. 052103. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.90.052103.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.90.052103

[13] Li Li, Michael J.W. Hall és Howard M. Wiseman. „A kvantum-nem-markovianitás fogalmai: A hierarchia”. In: Physics Reports 759 (2018). A kvantum-nem-markovianitás fogalmai: A hierarchia, 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 és Sabrina Maniscalco. „A kvantumevolúció nem-markovisságának foka”. In: Phys. Rev. Lett. 112. (12. 2014.), p. 120404. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.112.120404.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.112.120404

[15] Michael M. Wolf és J. Ignacio Cirac. „A kvantumcsatornák felosztása”. In: Communications in Mathematical Physics 279 (1 2008), 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 és C. H. Oh. „Alternatív nem-Markov-mérték dinamikus térképek oszthatóságával”. In: Phys. Rev. A 83 (6 2011), p. 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 és Kavan Modi. „A teljesen pozitív oszthatóság nem jelent markovianitást”. In: Phys. Rev. Lett. 123. (4. 2019.) o. 040401. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.123.040401.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.123.040401

[18] Toby Cubitt, Jens Eisert és Michael Wolf. „A kvantumcsatornák mesteregyenletekhez való kapcsolásának összetettsége”. In: Communications in Mathematical Physics 310 (2), 2009–383. https://​/​doi.org/​418/​s10.1007-00220-011-y.
https://​/​doi.org/​10.1007/​s00220-011-1402-y

[19] Johannes Bausch és Toby Cubitt. „Az oszthatóság bonyolultsága”. In: Lineáris algebra és alkalmazásai 504 (2016), 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 és Martin B. Plenio. „A kvantumevolúciók összefonódása és nem-markovisága”. 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. „A nem-markovianitás kimutatása számszerűsített koherencián keresztül: elmélet és kísérletek”. In: npj Quantum Information 6 (1 2020), p. 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 és Sudha. „Nyílt rendszerű kvantumdinamika korrelált kezdeti állapotokkal, nem teljesen pozitív leképezésekkel és nem-markoviatással”. In: Phys. Rev. A 83 (2 2011), p. 022109. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.83.022109.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.83.022109

[23] Shunlong Luo, Shuangshuang Fu és Hongting Song. „A nem-markovianitás számszerűsítése korrelációk révén”. In: Phys. Rev. A 86 (4 2012), p. 044101. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.86.044101.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.86.044101

[24] Elsi-Mari Laine, Jyrki Piilo és Heinz-Peter Breuer. „Mérés a kvantumfolyamatok nem-markoviaiságára”. 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 és C. P. Sun. „A Quantum Fisher információáramlás és a nyílt rendszerek nem markovi folyamatai”. In: Phys. Rev. A 82 (4 2010), p. 042103. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.82.042103.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.82.042103

[26] Heinz-Peter Breuer, Elsi-Mari Laine és Jyrki Piilo. „Mérés a kvantumfolyamatok nem-markovi viselkedésének mértékére nyílt rendszerekben”. 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 és Sabrina Maniscalco. A nem markovianitás mint a kvantumtechnológiák erőforrása. 2013. arXiv: 1301.2585 [quant-ph].
arXiv: 1301.2585

[28] Salvatore Lorenzo, Francesco Plastina és Mauro Paternostro. „A nem-markoviság geometriai jellemzése”. In: Phys. Rev. A 88 (2 2013), p. 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 és Kavan Modi. „Működési Markov-feltétel kvantumfolyamatokhoz”. In: Phys. Rev. Lett. 120. (4. 2018.), p. 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 és Prineha Narang. „Nem markovi dinamika rögzítése rövid távú kvantumszámítógépeken”. In: Phys. Rev. Research 3 (1 2021), p. 013182. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.013182.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.013182

[31] Murphy Yuezhen Niu et al. Nem-Markov-féle kvantumzaj tanulása Moire-erősítésű cserespektroszkópiából mély evolúciós algoritmussal. 2019. arXiv: 1912.04368 [quant-ph].
arXiv: 1912.04368

[32] I. A. Lucsnyikov, S. V. Vintszkevics, D. A. Grigorjev és S. N. Filippov. „Gépi tanulás nem-markovi kvantumdinamikája”. 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 et al. A nem markovi kvantumdinamika vizsgálata adatvezérelt elemzéssel: a „fekete dobozos” gépi tanulási modelleken túl. Phys. Rev. Research 4, 043002, 2022. [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.4.043002

[34] Stephen Boyd és Lieven Vandenberghe. Konvex optimalizálás. Cambridge University Press, 2004. https://​/​doi.org/​10.1017/​CBO9780511804441.
https://​/​doi.org/​10.1017/​CBO9780511804441

[35] Steven Diamond és Stephen Boyd. „CVXPY: Pythonba ágyazott modellező nyelv konvex optimalizáláshoz”. In: Journal of Machine Learning Research 17.83 (2016), 1–5.

[36] Akshay Agrawal, Robin Verschueren, Steven Diamond és Stephen Boyd. „Átíró rendszer konvex optimalizálási problémákhoz”. In: Journal of Control and Decision 5.1 (2018), 42–60.

[37] E. Davies. „Beágyazható Markov-mátrixok”. In: Electron. J. Probab. 15. (2010), 1474–1486. https://​/​doi.org/​10.1214/​EJP.v15-733.
https://​/​doi.org/​10.1214/​EJP.v15-733

[38] Kamil Korzekwa és Matteo Lostaglio. „Kvantumelőny a sztochasztikus folyamatok szimulációjában”. In: Phys. Rev. X 11 (2), p. 2021. https://​/​doi.org/​021019/​PhysRevX.10.1103.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.11.021019

[39] David E. Evans. „Feltételesen teljesen pozitív térképek operátoralgebrákon”. In: The Quarterly Journal of Mathematics 28.3 (1977), 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 és Kalle-Antti Suominen. „Nem markovi kvantumugrások”. In: Phys. Rev. Lett. 100. (18. 2008.), p. 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. „Kvantumállapot-becslés”. In: 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 és Andrew G. White. „A qubit mérése”. In: Phys. Rev. A 64 (5 2001), p. 052312. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.64.052312.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.64.052312

[44] Robin Blume-Kohout. „A kvantumállapotok optimális, megbízható becslése”. In: New Journal of Physics 12.4 (2010), p. 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 és V. V. Shokurov. Algebrai geometria I. Algebrai görbék, algebrai sokaságok és sémák. 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. Jordan kanonikus forma: elmélet és gyakorlat. Szintéziselőadások matematikáról és statisztikáról. Morgan and Claypool Publishers, 2009. https://​/​doi.org/​10.2200/​S00218ED1V01Y200908MAS006.
https:/​/​doi.org/​10.2200/​S00218ED1V01Y200908MAS006

[47] Erika Andersson, James D. Cresser és Michael J. W. Hall. „A Kraus-felbontás megtalálása mesteregyenletből és fordítva”. In: Journal of Modern Optics 54.12 (2007), 1695–1716. https://​/​doi.org/​10.1080/​09500340701352581.
https://​/​doi.org/​10.1080/​09500340701352581

[48] Gabriel O. Samach et al. Szupravezető kvantumprocesszor Lindblad tomográfiája. Phys. Rev. Applied 18, 064056, 2022. [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.18.064056

[49] Tosio Kato. Perturbációelmélet lineáris operátorokhoz. 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. „Diagonalizálható mátrixok sűrű halmazai”. In: Proceedings of the American Mathematical Society 123.6 (1995), 1669–1672.

[51] David Pérez-García, Michael M. Wolf, Denes Petz és Mary Beth Ruskai. „Pozitív és nyomkövető térképek kontraktivitása Lp normák alatt”. In: Journal of Mathematical Physics 47.8 (2006), p. 083506. https://​/​doi.org/​10.1063/​1.2218675.
https://​/​doi.org/​10.1063/​1.2218675

[52] Alexander Schnell, André Eckardt és Sergey Denisov. – Van egy Floquet Lindbladian? In: Phys. Rev. B 101 (10. 2020), p. 100301. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.101.100301.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.101.100301

[53] Alexander Schnell, Sergey Denisov és André Eckardt. „Nagyfrekvenciás bővítések időperiódusos Lindblad generátorokhoz”. In: Phys. Rev. B 104 (16 2021), p. 165414. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.104.165414.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.104.165414

[54] Leonid Khachiyan és Lorant Porkolab. Integrálpontok számítása konvex félalgebrai halmazokban. In: Proceedings 38th Annual Symposium on Foundations of Computer Science. IEEE. 1997, 162–171.

[55] John E. Mitchell. „Integer Programming: Branch and Cut Algorithms”. In: Encyclopedia of Optimization. Szerk. írta: Christodoulos A. Floudas és Panos M. Pardalos. Boston, MA: Springer US, 2009, 1643–1650. https://​/​doi.org/​10.1007/​978-0-387-74759-0287.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-0-387-74759-0_287

Idézi

[1] Christiane P. Koch, Ugo Boscain, Tommaso Calarco, Gunther Dirr, Stefan Filipp, Steffen J. Glaser, Ronnie Kosloff, Simone Montangero, Thomas Schulte-Herbrüggen, Dominique Sugny és Frank K. Wilhelm: „A kvantum optimális szabályozása kvantumtechnológiák. Stratégiai jelentés az európai kutatás jelenlegi helyzetéről, elképzeléseiről és céljairól. arXiv: 2205.12110, (2022).

[2] Ryan Levy, Di Luo és 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 és Pedram Roushan, „Egy szupravezető kvantumprocesszor pontos Hamiltoni azonosítása”, 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 és William D. Oliver, „Lindblad Tomography of a Superconducting Quantum Processor”, Fizikai felülvizsgálat Alkalmazott 18 6, 064056 (2022).

[5] Miha Papič és Inés de Vega, „Neural-network-based qubit-environment characterization”, Fizikai áttekintés A 105 2, 022605 (2022).

[6] James Sud, Jeffrey Marshall, Zhihui Wang, Eleanor Rieffel és Filip A. Wudarski, „Dual-map framework for noise characterization of quantum computers”, Fizikai áttekintés A 106 1, 012606 (2022).

[7] Brian Doolittle, Tom Bromley, Nathan Killoran és Eric Chitambar, „Variational Quantum Optimization of Nonlocality in Noisy Quantum Networks”, arXiv: 2205.02891, (2022).

[8] Markus Hasenöhrl és Matthias C. Caro, „Quantum and classical dynamical semigroups of superchannels and semicausal channels”, Journal of Mathematical Physics 63 7, 072204 (2022).

[9] Emilio Onorati, Tamara Kohler és Toby S. Cubitt, „Időfüggő markovi dinamika illesztése zajos kvantumcsatornákhoz”, arXiv: 2303.08936, (2023).

A fenti idézetek innen származnak SAO/NASA HIRDETÉSEK (utolsó sikeres frissítés: 2023-12-05 14:26:01). Előfordulhat, hogy a lista hiányos, mivel nem minden kiadó ad megfelelő és teljes hivatkozási adatokat.

Nem sikerült lekérni Az adatok által hivatkozott kereszthivatkozás utolsó próbálkozáskor 2023-12-05 14:25:59: Nem sikerült lekérni a 10.22331/q-2023-12-05-1197 hivatkozás által hivatkozott adatokat a Crossref-től. Ez normális, ha a DOI-t nemrég regisztrálták.

Időbélyeg:

Még több Quantum Journal