Adaptarea modelelor de zgomot cuantic la datele tomografice

Adaptarea modelelor de zgomot cuantic la datele tomografice

Nodul sursă: 2994575

Abstract

Prezența zgomotului este în prezent unul dintre principalele obstacole în calea realizării calculului cuantic la scară largă. Strategiile de caracterizare și înțelegere a proceselor de zgomot în hardware-ul cuantic sunt o parte critică a atenuării acestuia, mai ales că suprasolicitarea corecției complete a erorilor și toleranța la erori este dincolo de accesul hardware-ului actual. Efectele non-markoviene sunt un tip de zgomot deosebit de nefavorabil, fiind atât mai greu de analizat folosind tehnici standard, cât și mai dificil de controlat prin corecția erorilor. În această lucrare dezvoltăm un set de algoritmi eficienți, bazați pe teoria matematică riguroasă a ecuațiilor principale markoviane, pentru a analiza și evalua procesele de zgomot necunoscute. În cazul dinamicii în concordanță cu evoluția markoviană, algoritmul nostru dă rezultate Lindbladianul cel mai potrivit, adică generatorul unui canal cuantic fără memorie care aproximează cel mai bine datele tomografice la precizia dată. În cazul dinamicii non-Markoviane, algoritmul nostru returnează o măsură cantitativă și semnificativă din punct de vedere operațional a non-Markovianității în ceea ce privește adăugarea de zgomot izotrop. Oferim o implementare Python a tuturor algoritmilor noștri și le comparăm pe o serie de exemple de 1 și 2 qubit de date tomografice zgomotoase sintetizate, generate folosind platforma Cirq. Rezultatele numerice arată că algoritmii noștri reușesc atât să extragă o descriere completă a Lindbladianului cel mai potrivit pentru dinamica măsurată, cât și să calculeze valorile precise ale non-markovianității care se potrivesc cu calculele analitice.

Calculatoarele cuantice oferă posibilitatea de a îndeplini anumite sarcini mult mai rapid decât omologii lor clasici - cum ar fi simularea materialelor, problemele de optimizare și fizica fundamentală. Cu toate acestea, computerele cuantice sunt foarte susceptibile la erori – dacă nu se iau măsuri pentru a face față zgomotului în dispozitivele de calcul cuantic, atunci erorile vor afecta rapid calculul efectuat. Prin urmare, metodele de caracterizare și înțelegere a proceselor de zgomot în dispozitivele cuantice sunt cruciale. În această lucrare dezvoltăm algoritmi eficienți pentru a caracteriza procesele de zgomot în dispozitivele de calcul cuantic, bazați pe tehnici experimentale standard. Acești algoritmi preiau rezultatul acestor experimente și oferă o descriere a procesului fizic de bază care se potrivește cel mai bine cu datele experimentale. Cunoașterea acestor procese fizice îi poate ajuta pe ingineri să înțeleagă comportamentul dispozitivului lor și să-i ajute pe oamenii care folosesc dispozitivele să proiecteze algoritmi cuantici care sunt rezistenți la tipurile de zgomot cele mai răspândite în dispozitiv.

► Date BibTeX

► Referințe

[1] John Preskill. „Calcul cuantic în era NISQ și nu numai”. În: 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 și colab. „Certificarea cuantică și evaluarea comparativă”. În: Nature Reviews Physics 2 (7 2020), pp. 382–390. https://​/​doi.org/​10.1038/​s42254-020-0186-4.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-020-0186-4

[3] G. Lindblad. „Despre generatorii de semigrupuri dinamice cuantice”. În: Comm. Matematică. Fiz. 48.2 (1976), p. 119–130. https://​/​doi.org/​10.1007/​BF01608499.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01608499

[4] Vittorio Gorini, Andrzej Kossakowski și ECG Sudarshan. „Semigrupuri dinamice complet pozitive ale sistemelor N-nivel”. În: Journal of Mathematical Physics 17.5 (1976), pp. 821–825. https://​/​doi.org/​10.1063/​1.522979.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.522979

[5] Barbara M. Terhal şi Guido Burkard. „Calcul cuantic tolerant la erori pentru zgomotul local non-Markovian”. În: 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 și John Preskill. „Calcul cuantic tolerant la erori cu zgomot corelat pe distanță lungă”. În: 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 și John Preskill. „Calcul cuantic tolerant la erori versus zgomotul gaussian”. În: 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 și JI Cirac. „Evaluarea dinamicii cuantice non-Markoviane”. În: Fiz. Rev. Lett. 101 (15 2008), p. 150402. https:/​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.101.150402.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.150402

[9] GW Stewart și Ji-guang Sun. Teoria perturbației matriceale. Presa Academică, 1990.

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

[11] Ángel Rivas, Susana F Huelga și Martin B Plenio. „Non-Markovianitate cuantică: caracterizare, cuantificare și detectare”. În: Rapoarte despre progresul în fizică 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 și Sabrina Maniscalco. „Studiu comparativ al măsurilor non-Markovianității în modele exact rezolvabile de unul și doi qubit”. În: Fiz. 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 JW Hall și Howard M. Wiseman. „Conceptele de non-markovianitate cuantică: o ierarhie”. În: Physics Reports 759 (2018). Concepte de non-markovianitate cuantică: O ierarhie, pp. 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 și Sabrina Maniscalco. „Gradul de non-markovianitate al evoluției cuantice”. În: Fiz. 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 și J. Ignacio Cirac. „Diviziunea canalelor cuantice”. În: Communications in Mathematical Physics 279 (1 2008), pp. 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 și CH Oh. „Măsură alternativă a non-markovianității prin divizibilitatea hărților dinamice”. În: Fiz. 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, MS Kim, Felix A. Pollock și Kavan Modi. „Divizibilitatea complet pozitivă nu înseamnă markovianie”. În: Fiz. Rev. Lett. 123 (4 2019), p. 040401. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.123.040401.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.040401

[18] Toby Cubitt, Jens Eisert și Michael Wolf. „Complexitatea relaționării canalelor cuantice cu ecuațiile principale”. În: Communications in Mathematical Physics 310 (2 2009), pp. 383–418. https://​/​doi.org/​10.1007/​s00220-011-1402-y.
https: / / doi.org/ 10.1007 / s00220-011-1402-y

[19] Johannes Bausch și Toby Cubitt. „Complexitatea divizibilității”. În: Linear Algebra and its Applications 504 (2016), pp. 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 și Martin B. Plenio. „Împlicarea și non-markovianitatea evoluțiilor cuantice”. În: 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 și colab. „Detectarea non-markovianității prin coerență cuantificată: teorie și experimente”. În: 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] AR Usha Devi, AK Rajagopal și Sudha. „Dinamica cuantică în sistem deschis cu stări inițiale corelate, hărți nu complet pozitive și non-Markovianitate”. În: Fiz. 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 și Hongting Song. „Cuantificarea non-markovianității prin corelații”. În: Fiz. 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 și Heinz-Peter Breuer. „Măsura pentru non-Markovianitatea proceselor cuantice”. În: 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 și CP Sun. „Fluxul de informații Quantum Fisher și procesele non-Markovie ale sistemelor deschise”. În: Fiz. 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 și Jyrki Piilo. „Măsura pentru gradul de comportament non-markovian al proceselor cuantice în sisteme deschise”. În: 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 și Sabrina Maniscalco. Non-Markovianitatea ca resursă pentru tehnologiile cuantice. 2013. arXiv: 1301.2585 [quant-ph].
arXiv: 1301.2585

[28] Salvatore Lorenzo, Francesco Plastina și Mauro Paternostro. „Caracterizarea geometrică a non-markovianității”. În: Fiz. 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 și Kavan Modi. „Condiția operațională Markov pentru procesele cuantice”. În: Fiz. 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 și Prineha Narang. „Captarea dinamicii non-Markoviane pe computere cuantice pe termen scurt”. În: Fiz. Rev. Cercetare 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 și colab. Învățarea zgomotului cuantic non-markovian din spectroscopia swap îmbunătățită cu Moire cu algoritmul evolutiv profund. 2019. arXiv: 1912.04368 [quant-ph].
arXiv: 1912.04368

[32] IA Luchnikov, SV Vintskevich, DA Grigoriev și SN Filippov. „Învățarea automată a dinamicii cuantice non-Markoviane”. În: 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 și colab. Sondarea dinamicii cuantice non-Markoviane cu analiză bazată pe date: Dincolo de modelele de învățare automată „cutie neagră”. Fiz. Rev. Research 4, 043002, 2022. [quant-ph].
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043002

[34] Stephen Boyd și Lieven Vandenberghe. Optimizare convexă. Cambridge University Press, 2004. https:/​/​doi.org/​10.1017/​CBO9780511804441.
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511804441

[35] Steven Diamond și Stephen Boyd. „CVXPY: Un limbaj de modelare încorporat în Python pentru optimizarea convexă”. În: Journal of Machine Learning Research 17.83 (2016), pp. 1–5.

[36] Akshay Agrawal, Robin Verschueren, Steven Diamond și Stephen Boyd. „Un sistem de rescriere pentru probleme de optimizare convexe”. În: Journal of Control and Decision 5.1 (2018), pp. 42–60.

[37] E. Davies. „Matrice Markov încorporabile”. În: Electron. J. Probabil. 15 (2010), p. 1474–1486. https://​/​doi.org/​10.1214/​EJP.v15-733.
https://​/​doi.org/​10.1214/​EJP.v15-733

[38] Kamil Korzekwa și Matteo Lostaglio. „Avantajul cuantic în simularea proceselor stocastice”. În: Fiz. Rev. X 11 (2 2021), p. 021019. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.11.021019.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.021019

[39] David E. Evans. „Hărți condiționat complet pozitive pe algebrele operatorilor”. În: The Quarterly Journal of Mathematics 28.3 (1977), pp. 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 și Kalle-Antti Suominen. „Sărituri cuantice non-markoviene”. În: Fiz. 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. „Estimarea stării cuantice”. În: Fiz. 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 și Andrew G. White. „Măsurarea qubiților”. În: Fiz. 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. „Estimarea optimă și fiabilă a stărilor cuantice”. În: 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] VI Danilov și VV Shokurov. Geometrie algebrică I. Curbe algebrice, varietăți și scheme algebrice. 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. Forma canonică Jordan: teorie și practică. Prelegeri de sinteză de matematică și statistică. Editura Morgan și Claypool, 2009. https:/​/​doi.org/​10.2200/​S00218ED1V01Y200908MAS006.
https:/​/​doi.org/​10.2200/​S00218ED1V01Y200908MAS006

[47] Erika Andersson, James D. Cresser și Michael JW Hall. „Găsirea descompunerii Kraus dintr-o ecuație principală și invers”. În: Journal of Modern Optics 54.12 (2007), pp. 1695–1716. https://​/​doi.org/​10.1080/​09500340701352581.
https: / / doi.org/ 10.1080 / 09500340701352581

[48] Gabriel O. Samach și colab. Tomografia Lindblad a unui procesor cuantic supraconductor. Fiz. Rev. Aplicat 18, 064056, 2022. [quant-ph].
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.18.064056

[49] Tosio Kato. Teoria perturbației pentru operatori liniari. 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. „Seturi dense de matrici diagonalizabile”. În: Proceedings of the American Mathematical Society 123.6 (1995), pp. 1669–1672.

[51] David Pérez-García, Michael M. Wolf, Denes Petz și Mary Beth Ruskai. „Contractivitatea hărților pozitive și care păstrează urmele conform normelor Lp”. În: 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 și Sergey Denisov. „Există un Floquet Lindbladian?” În: Fiz. Apoc. 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 și André Eckardt. „Extinderi de înaltă frecvență pentru generatoarele Lindblad periodice”. În: Fiz. Apoc. 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 și Lorant Porkolab. „Calcul de puncte integrale în mulțimi semi-algebrice convexe”. În: Proceedings 38th Annual Symposium on Foundations of Computer Science. IEEE. 1997, p. 162–171.

[55] John E. Mitchell. „Programare cu numere întregi: algoritmi de ramificare și tăiere”. În: Encyclopedia of Optimization. Ed. de Christodoulos A. Floudas şi Panos M. Pardalos. Boston, MA: Springer US, 2009, pp. 1643–1650. https://​/​doi.org/​10.1007/​978-0-387-74759-0287.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-0-387-74759-0_287

Citat de

[1] Christiane P. Koch, Ugo Boscain, Tommaso Calarco, Gunther Dirr, Stefan Filipp, Steffen J. Glaser, Ronnie Kosloff, Simone Montangero, Thomas Schulte-Herbrüggen, Dominique Sugny și Frank K. Wilhelm, „Control optim cuantic în tehnologii cuantice. Raport strategic privind starea actuală, viziunile și obiectivele cercetării în Europa”, arXiv: 2205.12110, (2022).

[2] Ryan Levy, Di Luo și 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 și Pedram Roushan, „Identificarea precisă hamiltoniană a unui procesor cuantic supraconductor”, 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 și William D. Oliver, „Tomografia Lindblad a unui procesor cuantic supraconductor”, Revizuire fizică aplicată 18 6, 064056 (2022).

[5] Miha Papič și Inés de Vega, „Caracterizare qubit-mediu bazată pe rețea neuronală”, Revista fizică A 105 2, 022605 (2022).

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

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

[8] Markus Hasenöhrl și Matthias C. Caro, „Quantum and classical dynamical semigroups of superchannels and semicausal channels”, Jurnal de fizică matematică 63 7, 072204 (2022).

[9] Emilio Onorati, Tamara Kohler și Toby S. Cubitt, „Fitting time-dependent Markovian dynamics to noisy quantum channels”, arXiv: 2303.08936, (2023).

Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2023-12-05 14:26:01). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.

Nu a putut să aducă Date citate încrucișate în ultima încercare 2023-12-05 14:25:59: Nu s-au putut prelua date citate pentru 10.22331 / q-2023-12-05-1197 de la Crossref. Acest lucru este normal dacă DOI a fost înregistrat recent.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Jurnalul cuantic