Noise-robust Ground State Energy Estimates From Deep Quantum Circuits

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Harish J. Vallury¹, Michael A. Jones¹, Gregório AL White¹, Floyd M. Creevey¹, Carlos D. Colina^1,2 e Lloyd CL Hollenberg¹

¹Escola de Física, Universidade de Melbourne, Parkville, VIC 3010, Austrália
²Escola de Matemática e Estatística, Universidade de Melbourne, Parkville, VIC 3010, Austrália

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Sumário

Na preparação para a tolerância a falhas, a utilidade da computação quântica será determinada pela forma como os efeitos do ruído podem ser contornados adequadamente em algoritmos quânticos. Algoritmos quânticos clássicos híbridos, como o eigensolver quântico variacional (VQE), foram projetados para o regime de curto prazo. No entanto, à medida que os problemas aumentam, os resultados do VQE são geralmente prejudicados pelo ruído no hardware atual. Embora as técnicas de mitigação de erros aliviem esses problemas até certo ponto, há uma necessidade urgente de desenvolver abordagens algorítmicas com maior robustez ao ruído. Aqui, exploramos as propriedades de robustez da abordagem recentemente introduzida de momentos computados quânticos (QCM) para problemas de energia do estado fundamental e mostramos através de um exemplo analítico como a estimativa de energia subjacente filtra explicitamente o ruído incoerente. Motivados por esta observação, implementamos QCM para um modelo de magnetismo quântico no hardware IBM Quantum para examinar o efeito de filtragem de ruído com o aumento da profundidade do circuito. Descobrimos que o QCM mantém um grau notavelmente alto de robustez a erros onde o VQE falha completamente. Em instâncias do modelo de magnetismo quântico de até 20 qubits para circuitos de estado de teste ultraprofundos de até 500 CNOTs, o QCM ainda é capaz de extrair estimativas de energia razoáveis. A observação é reforçada por um extenso conjunto de resultados experimentais. Para corresponder a esses resultados, o VQE precisaria de melhorias de hardware em cerca de 2 ordens de grandeza nas taxas de erro.

Resumo popular

O ruído é o maior desafio da computação quântica atual. À medida que a profundidade do circuito aumenta para problemas do mundo real, o erro cumulativo na computação quântica supera rapidamente os resultados. Existem estratégias de correção e mitigação de erros, mas são intensivas em recursos ou não são poderosas o suficiente para compensar níveis tão elevados de interrupção - a questão é: existem algoritmos quânticos que são inerentemente robustos ao ruído que nivelam o campo de jogo? Algoritmos quânticos variacionais são uma abordagem comum para problemas de química e física da matéria condensada e envolvem a preparação e medição da energia de um estado experimental em um computador quântico. Embora o ruído normalmente atrapalhe esse resultado, desenvolvemos uma técnica pela qual medindo observáveis adicionais de maior peso (momentos hamiltonianos) é possível corrigir imperfeições induzidas por ruído no estado de teste preparado no computador quântico. Neste trabalho, analisamos a robustez do ruído do nosso método através de um modelo teórico, simulações ruidosas e, finalmente, através da implementação de circuitos quânticos profundos em hardware real (mais de 500 portas CNOT no total). A partir dos resultados experimentais, somos capazes de determinar as energias do estado fundamental de um conjunto de problemas em magnetismo quântico em um grau que, para ser igualado por métodos variacionais convencionais, exigiria uma redução de duas ordens de grandeza nas taxas de erro do dispositivo.
Nossos resultados mostram que o notável efeito de filtragem da técnica baseada em momentos parece contornar os efeitos do ruído no núcleo da computação quântica atual e apontar o caminho para alcançar potencialmente uma vantagem quântica prática em hardware no curto prazo.

► dados BibTeX

@artigo{Vallury2023noiserobustground, doi = {10.22331/q-2023-09-11-1109}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-09-11-1109}, título = {Ruído- estimativas robustas de energia do estado fundamental de circuitos quânticos profundos}, autor = {Vallury, Harish J. e Jones, Michael A. e White, Gregory AL e Creevey, Floyd M. e Hill, Charles D. e Hollenberg, Lloyd CL}, diário = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, editor = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volume = {7}, páginas = {1109} , mês = setembro, ano = {2023} }

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[60] Pranav Gokhale, Olivia Angiuli, Yongshan Ding, Kaiwen Gui, Teague Tomesh, Martin Suchara, Margaret Martonosi e Frederic T Chong. “$ O (N ^ {3}) $ Custo de Medição para Eigensolver Quântico Variacional em Hamiltonianos Moleculares”. Transações IEEE em Engenharia Quântica 1, 1–24 (2020). URL: https:///doi.org/10.1109/TQE.2020.3035814.
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[61] Lloyd CL Hollenberg e Michael J Tomlinson. “Magnetização escalonada no antiferromagneto de Heisenberg”. Jornal australiano 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 e Lloyd CL Hollenberg, “GASP: um algoritmo genético para preparação de estado em computadores quânticos”, Relatórios científicos 13, 11956 (2023).

As citações acima são de SAO / NASA ADS (última atualização com êxito 2023-09-11 15:35:44). A lista pode estar incompleta, pois nem todos os editores fornecem dados de citação adequados e completos.

Não foi possível buscar Dados citados por referência cruzada durante a última tentativa 2023-09-11 15:35:43: Não foi possível buscar os dados citados por 10.22331 / q-2023-09-11-1109 do Crossref. Isso é normal se o DOI foi registrado recentemente.

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

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Estimativas de energia do estado fundamental robustas ao ruído de circuitos quânticos profundos

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