Tilpasning av kvantestøymodeller til tomografidata

Publisert av Platon

Følgere: 0

Abstrakt

Tilstedeværelsen av støy er for tiden en av de viktigste hindringene for å oppnå storskala kvanteberegning. Strategier for å karakterisere og forstå støyprosesser i kvantemaskinvare er en kritisk del av å dempe den, spesielt ettersom overheaden med full feilretting og feiltoleranse er utenfor rekkevidden til gjeldende maskinvare. Ikke-markoviske effekter er en spesielt ugunstig type støy, som både er vanskeligere å analysere ved bruk av standardteknikker og vanskeligere å kontrollere ved bruk av feilkorrigering. I dette arbeidet utvikler vi et sett med effektive algoritmer, basert på den strenge matematiske teorien til Markovian-mesterligninger, for å analysere og evaluere ukjente støyprosesser. Når det gjelder dynamikk som er konsistent med Markoviansk evolusjon, gir vår algoritme den best passende Lindbladian, dvs. generatoren av en minneløs kvantekanal som best tilnærmer de tomografiske dataene innenfor den gitte presisjonen. Når det gjelder ikke-Markovian-dynamikk, returnerer algoritmen vår et kvantitativt og operasjonelt meningsfullt mål på ikke-Markovianitet når det gjelder isotropisk støytilsetning. Vi tilbyr en Python-implementering av alle våre algoritmer, og benchmarker disse på en rekke 1- og 2-qubit-eksempler på syntetiserte støyende tomografidata, generert ved hjelp av Cirq-plattformen. De numeriske resultatene viser at algoritmene våre lykkes både i å trekke ut en fullstendig beskrivelse av den best tilpassede Lindbladian til den målte dynamikken, og i å beregne nøyaktige verdier for ikke-Markovianitet som samsvarer med analytiske beregninger.

Utvalgt bilde: Trekker ut den best passende Lindblad-generatoren fra tomografiske data fra en kvantekanal.

Populært sammendrag

Kvantedatamaskiner tilbyr muligheten til å utføre visse oppgaver langt raskere enn sine klassiske motparter – for eksempel simulering av materialer, optimaliseringsproblemer og grunnleggende fysikk. Kvantedatamaskiner er imidlertid svært utsatt for feil - hvis det ikke tas noen skritt for å håndtere støy i kvantedatamaskiner, vil feil raskt oversvømme beregningen som utføres. Metoder for å karakterisere og forstå støyprosesser i kvanteenheter er derfor avgjørende. I denne artikkelen utvikler vi effektive algoritmer for å karakterisere støyprosesser i kvantedatabehandlingsenheter, basert på standard eksperimentelle teknikker. Disse algoritmene tar resultatet av disse eksperimentene, og gir en beskrivelse av den underliggende fysiske prosessen som passer best til de eksperimentelle dataene. Kunnskap om disse fysiske prosessene kan hjelpe ingeniører med å forstå oppførselen til enheten deres, og hjelpe folk som bruker enhetene med å designe kvantealgoritmer som er motstandsdyktige mot støytypene som er mest utbredt i enheten.

► BibTeX-data

@article{Onorati2023fittingquantumnoise, doi = {10.22331/q-2023-12-05-1197}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-12-05-1197}, title = {Fitting quantum noise models to tomography data}, author = {Onorati, Emilio and Kohler, Tamara and Cubitt, Toby S.}, journal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, publisher = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volume = {7}, pages = {1197}, month = dec, year = {2023} }

► Referanser

[1] John Preskill. "Quantum Computing i NISQ-æraen og utover". I: Quantum 2 (2018), s. 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. "Kvantesertifisering og benchmarking". I: Nature Reviews Physics 2 (7 2020), s. 382–390. https:///doi.org/10.1038/s42254-020-0186-4.
https://doi.org/10.1038/s42254-020-0186-4

[3] G. Lindblad. "Om generatorene av kvantedynamiske semigrupper". I: Comm. Matte. Phys. 48.2 (1976), s. 119–130. https:///doi.org/10.1007/BF01608499.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01608499

[4] Vittorio Gorini, Andrzej Kossakowski og EKG Sudarshan. "Fullstendig positive dynamiske semigrupper av systemer på N-nivå". I: Journal of Mathematical Physics 17.5 (1976), s. 821–825. https:///doi.org/10.1063/1.522979.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.522979

[5] Barbara M. Terhal og Guido Burkard. "Feiltolerant kvanteberegning for lokal ikke-markovisk støy". I: 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, Alexei Kitaev og John Preskill. "Feiltolerant kvanteberegning med langdistanse korrelert støy". I: 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 og John Preskill. "Feiltolerant kvanteberegning versus Gaussisk støy". I: Physical Review A 79.3 (2009). https:///doi.org/10.1103/physreva.79.032318.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.79.032318

[8] MM Wolf, J. Eisert, TS Cubitt og JI Cirac. "Vurdere ikke-Markovsk kvantedynamikk". I: Phys. Rev. Lett. 101 (15 2008), s. 150402. https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.150402.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.150402

[9] GW Stewart og Ji-guang Sun. Matrix Perturbation Theory. Academic Press, 1990.

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

[11] Ángel Rivas, Susana F Huelga og Martin B Plenio. "Kvante-ikke-markovianitet: karakterisering, kvantifisering og deteksjon". I: Reports on Progress in Physics 77.9 (2014), s. 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 og Sabrina Maniscalco. "Komparativ studie av ikke-Markovianitetsmål i nøyaktig løsbare en- og to-qubit-modeller". I: Phys. Rev. A 90 (5 2014), s. 052103. https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.90.052103.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.90.052103

[13] Li Li, Michael JW Hall og Howard M. Wiseman. "Begreper om kvante-ikke-markovianitet: Et hierarki". I: Physics Reports 759 (2018). Concepts of quantum non-Markovianity: A hierarchy, s. 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 og Sabrina Maniscalco. "Grad av ikke-markovianitet av kvanteevolusjon". I: Phys. Rev. Lett. 112 (12 2014), s. 120404. https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.120404.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.120404

[15] Michael M. Wolf og J. Ignacio Cirac. "Deling av kvantekanaler". I: Communications in Mathematical Physics 279 (1 2008), s. 147–168. https:///doi.org/10.1007/s00220-008-0411-y.
https: / / doi.org/ 10.1007 / s00220-008-0411-y

[16] SC Hou, XX Yi, SX Yu og CH Oh. "Alternativ ikke-Markovianitetsmål ved delbarhet av dynamiske kart". I: Phys. Rev. A 83 (6 2011), s. 062115. https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.83.062115.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.062115

[17] Simon Milz, MS Kim, Felix A. Pollock og Kavan Modi. "Fullstendig positiv delbarhet betyr ikke markovianitet". I: Phys. Rev. Lett. 123 (4 2019), s. 040401. https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.040401.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.040401

[18] Toby Cubitt, Jens Eisert og Michael Wolf. "Kompleksiteten ved å relatere kvantekanaler til mestre ligninger". I: Communications in Mathematical Physics 310 (2 2009), s. 383–418. https:///doi.org/10.1007/s00220-011-1402-y.
https: / / doi.org/ 10.1007 / s00220-011-1402-y

[19] Johannes Bausch og Toby Cubitt. "Kompleksiteten til delbarhet". I: Linear Algebra and its Applications 504 (2016), s. 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 og Martin B. Plenio. "Forvikling og ikke-markovianitet av kvanteevolusjoner". I: 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. "Å oppdage ikke-Markovianitet via kvantifisert koherens: teori og eksperimenter". I: npj Quantum Information 6 (1 2020), s. 55. https:///doi.org/10.1038/s41534-020-0283-3.
https://doi.org/10.1038/s41534-020-0283-3

[22] AR Usha Devi, AK Rajagopal og Sudha. "Åpent system kvantedynamikk med korrelerte starttilstander, ikke helt positive kart og ikke-markovianitet". I: Phys. Rev. A 83 (2 2011), s. 022109. https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.83.022109.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.022109

[23] Shunlong Luo, Shuangshuang Fu og Hongting Song. "Kvantifisere ikke-markovianitet via korrelasjoner". I: Phys. Rev. A 86 (4 2012), s. 044101. https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.86.044101.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.044101

[24] Elsi-Mari Laine, Jyrki Piilo og Heinz-Peter Breuer. "Mål for ikke-markovianiteten til kvanteprosesser". I: 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 og CP Sun. "Quantum Fisher informasjonsflyt og ikke-markoviske prosesser for åpne systemer". I: Phys. Rev. A 82 (4 2010), s. 042103. https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.82.042103.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.82.042103

[26] Heinz-Peter Breuer, Elsi-Mari Laine og Jyrki Piilo. "Mål for graden av ikke-markovsk oppførsel av kvanteprosesser i åpne systemer". I: 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 og Sabrina Maniscalco. Ikke-markovianitet som en ressurs for kvanteteknologier. 2013. arXiv: 1301.2585 [quant-ph].
arxiv: 1301.2585

[28] Salvatore Lorenzo, Francesco Plastina og Mauro Paternostro. "Geometrisk karakterisering av ikke-markovianitet". I: Phys. Rev. A 88 (2 2013), s. 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 og Kavan Modi. "Operasjonell Markov-tilstand for kvanteprosesser". I: Phys. Rev. Lett. 120 (4 2018), s. 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 og Prineha Narang. "Fange ikke-markovisk dynamikk på kvantedatamaskiner på kort sikt". I: Phys. Rev. Forskning 3 (1 2021), s. 013182. https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.013182.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013182

[31] Murphy Yuezhen Niu et al. Lær ikke-markovsk kvantestøy fra Moire-forbedret byttespektroskopi med dyp evolusjonsalgoritme. 2019. arXiv: 1912.04368 [quant-ph].
arxiv: 1912.04368

[32] IA Luchnikov, SV Vintskevich, DA Grigoriev og SN Filippov. "Maskinlæring ikke-Markovsk kvantedynamikk". I: Physical Review Letters 124.14 (2020). https:///doi.org/10.1103/physrevlett.124.140502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.124.140502

[33] IA Luchnikov et al. Undersøke ikke-Markovsk kvantedynamikk med datadrevet analyse: Beyond 'black-box' maskinlæringsmodeller. Phys. Rev. Research 4, 043002, 2022. [quant-ph].
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043002

[34] Stephen Boyd og Lieven Vandenberghe. Konveks optimalisering. Cambridge University Press, 2004. https:///doi.org/10.1017/CBO9780511804441.
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511804441

[35] Steven Diamond og Stephen Boyd. "CVXPY: Et Python-innebygd modelleringsspråk for konveks optimalisering". I: Journal of Machine Learning Research 17.83 (2016), s. 1–5.

[36] Akshay Agrawal, Robin Verschueren, Steven Diamond og Stephen Boyd. "Et omskrivingssystem for konvekse optimaliseringsproblemer". I: Journal of Control and Decision 5.1 (2018), s. 42–60.

[37] E. Davis. "Innbyggbare Markov-matriser". I: Electron. J. Probab. 15 (2010), s. 1474–1486. https:///doi.org/10.1214/EJP.v15-733.
https:///doi.org/10.1214/EJP.v15-733

[38] Kamil Korzekwa og Matteo Lostaglio. "Kvantefordel i simulering av stokastiske prosesser". I: Phys. Rev. X 11 (2 2021), s. 021019. https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021019.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.021019

[39] David E. Evans. "Betinget fullstendig positive kart på operatøralgebraer". I: The Quarterly Journal of Mathematics 28.3 (1977), s. 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 og Kalle-Antti Suominen. "Ikke-markoviske kvantehopp". I: Phys. Rev. Lett. 100 (18 2008), s. 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. "Quante-state estimering". I: 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 FV James, Paul G. Kwiat, William J. Munro og Andrew G. White. "Måling av qubits". I: Phys. Rev. A 64 (5 2001), s. 052312. https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.64.052312.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.052312

[44] Robin Blume-Kohout. "Optimal, pålitelig estimering av kvantetilstander". I: New Journal of Physics 12.4 (2010), s. 043034. https:///doi.org/10.1088/1367-2630/12/4/043034.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/12/4/043034

[45] VI Danilov og VV Shokurov. Algebraisk geometri I. Algebraiske kurver, algebraiske manifolder og skjemaer. 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] SH Weintraub. Jordan kanonisk form: teori og praksis. Synteseforelesninger om matematikk og statistikk. Morgan og Claypool Publishers, 2009. https:///doi.org/10.2200/S00218ED1V01Y200908MAS006.
https://doi.org/10.2200/S00218ED1V01Y200908MAS006

[47] Erika Andersson, James D. Cresser og Michael JW Hall. "Finne Kraus-nedbrytningen fra en hovedligning og omvendt". I: Journal of Modern Optics 54.12 (2007), s. 1695–1716. https://doi.org/10.1080/09500340701352581.
https: / / doi.org/ 10.1080 / 09500340701352581

[48] Gabriel O. Samach et al. Lindblad Tomografi av en superledende kvanteprosessor. Phys. Rev. Applied 18, 064056, 2022. [quant-ph].
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.18.064056

[49] Tosio Kato. Perturbasjonsteori for lineære operatorer. 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] DJ Hartfiel. "Tette sett med diagonaliserbare matriser". I: Proceedings of the American Mathematical Society 123.6 (1995), s. 1669–1672.

[51] David Pérez-García, Michael M. Wolf, Denes Petz og Mary Beth Ruskai. "Kontraktivitet av positive og sporbevarende kart under Lp-normer". I: Journal of Mathematical Physics 47.8 (2006), s. 083506. https:///doi.org/10.1063/1.2218675.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.2218675

[52] Alexander Schnell, André Eckardt og Sergey Denisov. "Finnes det en Floquet Lindbladian?" I: Phys. Rev. B 101 (10 2020), s. 100301. https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.101.100301.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.101.100301

[53] Alexander Schnell, Sergey Denisov og André Eckardt. "Høyfrekvente utvidelser for tidsperiodiske Lindblad-generatorer". I: Phys. Rev. B 104 (16 2021), s. 165414. https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.104.165414.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.104.165414

[54] Leonid Khachiyan og Lorant Porkolab. "Beregning av integrerte punkter i konvekse semi-algebraiske sett". I: Proceedings 38th Annual Symposium on Foundations of Computer Science. IEEE. 1997, s. 162–171.

[55] John E. Mitchell. "Heltallsprogrammering: gren- og kuttealgoritmer". I: Encyclopedia of Optimization. Ed. av Christodoulos A. Floudas og Panos M. Pardalos. Boston, MA: Springer US, 2009, s. 1643–1650. https:///doi.org/10.1007/978-0-387-74759-0287.
https://doi.org/10.1007/978-0-387-74759-0_287

Sitert av

[1] Christiane P. Koch, Ugo Boscain, Tommaso Calarco, Gunther Dirr, Stefan Filipp, Steffen J. Glaser, Ronnie Kosloff, Simone Montangero, Thomas Schulte-Herbrüggen, Dominique Sugny og Frank K. Wilhelm, “Quantum optimal control in kvanteteknologier. Strategisk rapport om nåværende status, visjoner og mål for forskning i Europa", arxiv: 2205.12110, (2022).

[2] Ryan Levy, Di Luo og 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 og Pedram Roushan, "Presis Hamiltonian identification of a superconducting quantum processor", 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 og William D. Oliver, "Lindblad Tomography of a Superconducting Quantum Processor", Fysisk gjennomgang anvendt 18 6, 064056 (2022).

[5] Miha Papič og Inés de Vega, "Neural-nettverk-basert qubit-miljø karakterisering", Fysisk gjennomgang A 105 2, 022605 (2022).

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

[7] Brian Doolittle, Tom Bromley, Nathan Killoran og Eric Chitambar, "Variational Quantum Optimization of Nonlocality in Noisy Quantum Networks", arxiv: 2205.02891, (2022).

[8] Markus Hasenöhrl og Matthias C. Caro, "Kvante og klassiske dynamiske semigrupper av superkanaler og semikausale kanaler", Journal of Mathematical Physics 63 7, 072204 (2022).

[9] Emilio Onorati, Tamara Kohler og Toby S. Cubitt, "Tilpasse tidsavhengig Markovian-dynamikk til støyende kvantekanaler", arxiv: 2303.08936, (2023).

Sitatene ovenfor er fra SAO / NASA ADS (sist oppdatert vellykket 2023-12-05 14:26:01). Listen kan være ufullstendig fordi ikke alle utgivere gir passende og fullstendige sitasjonsdata.

Kunne ikke hente Crossref sitert av data under siste forsøk 2023-12-05 14:25:59: Kunne ikke hente siterte data for 10.22331 / q-2023-12-05-1197 fra Crossref. Dette er normalt hvis DOI nylig ble registrert.

Denne artikkelen er utgitt i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) tillatelse. Opphavsrett forblir hos de opprinnelige rettighetshaverne som forfatterne eller institusjonene deres.

SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
kilde: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-12-05-1197/

Tidstempel: Desember 5, 2023

Tidstempel: November 28, 2022

Tilpasning av kvantestøymodeller til tomografidata

Publisert av Platon

Abstrakt

Populært sammendrag

► BibTeX-data

► Referanser

Sitert av

Mer fra Kvantejournal

Korrelasjoner i typiskhet og en bekreftende løsning på den eksakte katalytiske entropiformodningen

Hendelser innen kvantemekanikk er maksimalt ikke-absolute

Adaptive syndrommålinger for feilkorreksjon i Shor-stil

Parameterinnstilling i omtrentlig kvanteoptimalisering av vektede problemer

Forbedret Photonic Maxwells demon med korrelerte bad

Invers konstruksjon av rask tilstandsoverføring mellom koblede oscillatorer

Hybridiserte metoder for kvantesimulering i interaksjonsbildet

Unngå symmetriveisperringer og minimere måleoverhead for adaptive variasjonskvanteegenløsere

Digital oppdagelse av 100 forskjellige kvanteeksperimenter med PyTheus

Kompleksiteten til todelt Gaussisk bosonprøvetaking

Om Oss

Vertikal søk og Ai

Plattform

Hold kontakten

Logg inn