Stime dell'energia dello stato fondamentale robuste al rumore da circuiti quantistici profondi

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Harish J. Vallury¹, Michael A. Jones¹, Gregory AL Bianco¹, Floyd M. Creevey¹, Carlo D. Hill^1,2e Lloyd CL Hollenberg¹

¹Scuola di Fisica, Università di Melbourne, Parkville, VIC 3010, Australia
²Scuola di Matematica e Statistica, Università di Melbourne, Parkville, VIC 3010, Australia

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Astratto

In vista della tolleranza agli errori, l’utilità del calcolo quantistico sarà determinata da quanto adeguatamente gli effetti del rumore potranno essere aggirati negli algoritmi quantistici. Algoritmi ibridi quantistici-classici come l'eigensolver quantistico variazionale (VQE) sono stati progettati per il regime a breve termine. Tuttavia, man mano che i problemi aumentano, i risultati del VQE sono generalmente confusi dal rumore presente sull'hardware attuale. Sebbene le tecniche di mitigazione degli errori alleviano in una certa misura questi problemi, esiste un’urgente necessità di sviluppare approcci algoritmici con maggiore robustezza al rumore. Qui, esploriamo le proprietà di robustezza dell’approccio dei momenti computati quantistici (QCM) recentemente introdotto ai problemi energetici dello stato fondamentale e mostriamo attraverso un esempio analitico come la stima dell’energia sottostante filtra esplicitamente il rumore incoerente. Motivati da questa osservazione, implementiamo la QCM per un modello di magnetismo quantistico sull'hardware IBM Quantum per esaminare l'effetto di filtraggio del rumore con l'aumentare della profondità del circuito. Troviamo che QCM mantiene un grado notevolmente elevato di robustezza agli errori laddove VQE fallisce completamente. Sui casi del modello di magnetismo quantistico fino a 20 qubit per circuiti di stato di prova ultraprofondi fino a 500 CNOT, QCM è ancora in grado di estrarre stime energetiche ragionevoli. L’osservazione è supportata da un’ampia serie di risultati sperimentali. Per eguagliare questi risultati, VQE avrebbe bisogno di un miglioramento dell'hardware di circa 2 ordini di grandezza sui tassi di errore.

Riepilogo popolare

Il rumore è la sfida più grande nell’attuale calcolo quantistico. Man mano che la profondità del circuito aumenta per i problemi del mondo reale, l’errore cumulativo nel calcolo quantistico supera rapidamente i risultati. Esistono strategie di correzione e mitigazione degli errori, ma richiedono molte risorse o non sono abbastanza potenti da compensare livelli così elevati di interruzione: la domanda è: esistono algoritmi quantistici che sono intrinsecamente robusti al rumore che persino il campo di gioco? Gli algoritmi quantistici variazionali rappresentano un approccio comune ai problemi di chimica e fisica della materia condensata e implicano la preparazione e la misurazione dell'energia di uno stato di prova su un computer quantistico. Sebbene il rumore in genere interrompa questo risultato, abbiamo sviluppato una tecnica mediante la quale misurando ulteriori osservabili di peso maggiore (momenti hamiltoniani) è possibile correggere le imperfezioni indotte dal rumore nello stato di prova preparato sul computer quantistico. In questo lavoro, analizziamo la robustezza del rumore del nostro metodo tramite un modello teorico, simulazioni rumorose e, infine, attraverso l'implementazione di circuiti quantistici profondi su hardware reale (più di 500 porte CNOT totali). Dai risultati sperimentali, siamo in grado di determinare le energie dello stato fondamentale di un insieme di problemi nel magnetismo quantistico a un livello che, per essere eguagliato dai metodi variazionali convenzionali, richiederebbe una riduzione di circa due ordini di grandezza nei tassi di errore del dispositivo.
I nostri risultati mostrano che il notevole effetto di filtraggio della tecnica basata sui momenti sembra aggirare gli effetti del rumore alla base dell’attuale calcolo quantistico e indicare la strada per ottenere potenzialmente un vantaggio quantistico pratico sull’hardware nel breve termine.

► dati BibTeX

@article{Vallury2023noiserobustground, doi = {10.22331/q-2023-09-11-1109}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-09-11-1109}, titolo = {Noise- stime robuste dell'energia dello stato fondamentale da circuiti quantistici profondi}, autore = {Vallury, Harish J. e Jones, Michael A. e White, Gregory AL e Creevey, Floyd M. e Hill, Charles D. e Hollenberg, Lloyd CL}, rivista = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, editore = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volume = {7}, pagine = {1109} , mese = settembre, anno = {2023} }

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, Lloyd CL Hollenberg e Michael J Tomlinson. "Magnetizzazione sfalsata nell'antiferromagnete di Heisenberg". Rivista australiana di fisica 47, 137–144 (1994). url: https:///doi.org/10.1071/PH940137.
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Citato da

[1] Floyd M. Creevey, Charles D. Hill e Lloyd CL Hollenberg, "GASP: un algoritmo genetico per la preparazione dello stato sui computer quantistici", Rapporti scientifici 13, 11956 (2023).

Le citazioni sopra sono di ANNUNCI SAO / NASA (ultimo aggiornamento riuscito 2023-09-11 15:35:44). L'elenco potrebbe essere incompleto poiché non tutti gli editori forniscono dati di citazione adeguati e completi.

Impossibile recuperare Crossref citato da dati durante l'ultimo tentativo 2023-09-11 15:35:43: Impossibile recuperare i dati citati per 10.22331 / q-2023-09-11-1109 da Crossref. Questo è normale se il DOI è stato registrato di recente.

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