Prilagajanje modelov kvantnega hrupa tomografskim podatkom

Prilagajanje modelov kvantnega hrupa tomografskim podatkom

Izvorno vozlišče: 2994575

Minimalizem

Prisotnost šuma je trenutno ena glavnih ovir za doseganje obsežnega kvantnega računanja. Strategije za karakterizacijo in razumevanje procesov hrupa v kvantni strojni opremi so ključni del njegovega ublažitve, zlasti ker so stroški popolnega odpravljanja napak in tolerance napak izven dosega trenutne strojne opreme. Nemarkovski učinki so še posebej neugodna vrsta šuma, saj jih je težje analizirati s standardnimi tehnikami in jih je težje nadzorovati s popravljanjem napak. V tem delu razvijamo nabor učinkovitih algoritmov, ki temeljijo na strogi matematični teoriji Markovih glavnih enačb, za analizo in ovrednotenje neznanih hrupnih procesov. V primeru dinamike, ki je skladna z markovsko evolucijo, naš algoritem izpiše Lindbladian, ki se najbolje prilega, tj. generator kvantnega kanala brez spomina, ki najbolje približa tomografske podatke znotraj dane natančnosti. V primeru ne-markovske dinamike naš algoritem vrne kvantitativno in operativno pomembno mero ne-markovske dinamike v smislu izotropnega dodajanja šuma. Zagotavljamo implementacijo vseh naših algoritmov v jeziku Python in jih primerjamo na vrsti 1- in 2-kubitnih primerov sintetiziranih hrupnih tomografskih podatkov, ustvarjenih s platformo Cirq. Numerični rezultati kažejo, da je našim algoritmom uspelo izluščiti popoln opis Lindbladiana, ki se najbolje prilega izmerjeni dinamiki, in izračunati točne vrednosti nemarkovskosti, ki se ujemajo z analitičnimi izračuni.

Kvantni računalniki ponujajo možnost izvajanja določenih nalog veliko hitreje kot njihovi klasični primerki – kot so simulacija materialov, optimizacijski problemi in temeljna fizika. Vendar pa so kvantni računalniki zelo dovzetni za napake – če se ne sprejmejo nobeni ukrepi za obravnavo šuma v kvantnih računalniških napravah, bodo napake hitro preplavile izračune, ki se izvajajo. Metode za karakterizacijo in razumevanje procesov hrupa v kvantnih napravah so zato ključne. V tem članku razvijamo učinkovite algoritme za karakterizacijo procesov hrupa v kvantnih računalniških napravah, ki temeljijo na standardnih eksperimentalnih tehnikah. Ti algoritmi vzamejo rezultate teh poskusov in zagotovijo opis osnovnega fizičnega procesa, ki najbolje ustreza eksperimentalnim podatkom. Poznavanje teh fizikalnih procesov lahko inženirjem pomaga razumeti obnašanje njihove naprave in pomaga ljudem, ki uporabljajo naprave, pri načrtovanju kvantnih algoritmov, ki so odporni na vrste hrupa, ki so najbolj razširjene v napravi.

► BibTeX podatki

► Reference

[1] John Preskill. "Kvantno računalništvo v dobi NISQ in pozneje". V: Quantum 2 (2018), str. 79. https://​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[2] Jens Eisert idr. "Kvantno certificiranje in primerjalna analiza". V: Nature Reviews Physics 2 (7 2020), str. 382–390. https://​/​doi.org/​10.1038/​s42254-020-0186-4.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-020-0186-4

[3] G. Lindblad. “O generatorjih kvantnih dinamičnih polskupin”. V: Kom. matematika Phys. 48.2 (1976), str. 119–130. https://​/​doi.org/​10.1007/​BF01608499.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01608499

[4] Vittorio Gorini, Andrzej Kossakowski in ECG Sudarshan. “Popolnoma pozitivne dinamične polskupine sistemov na ravni N”. V: Journal of Mathematical Physics 17.5 (1976), str. 821–825. https://​/​doi.org/​10.1063/​1.522979.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.522979

[5] Barbara M. Terhal in Guido Burkard. "Kvantno računanje, odporno na napake, za lokalni nemarkovski šum". V: 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, Aleksej Kitajev in John Preskill. "Kvantno računanje, odporno na napake, s koreliranim šumom velikega dosega". V: 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 in John Preskill. "Kvantno računanje, odporno na napake, v primerjavi z Gaussovim šumom". V: 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 in JI Cirac. “Ocenjevanje nemarkovske kvantne dinamike”. V: Phys. Rev. Lett. 101 (15 2008), str. 150402. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.101.150402.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.150402

[9] GW Stewart in Ji-guang Sun. Teorija matričnih motenj. Academic Press, 1990.

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

[11] Ángel Rivas, Susana F Huelga in Martin B Plenio. “Kvantna nemarkovskost: karakterizacija, kvantifikacija in detekcija”. V: Poročila o napredku fizike 77.9 (2014), str. 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 in Sabrina Maniscalco. "Primerjalna študija nemarkovskih mer v natančno rešljivih eno- in dvokubitnih modelih". V: Phys. Rev. A 90 (5 2014), str. 052103. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.90.052103.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.90.052103

[13] Li Li, Michael JW Hall in Howard M. Wiseman. “Koncepti kvantne ne-markovščine: hierarhija”. V: Physics Reports 759 (2018). Koncepti kvantne ne-markovskosti: hierarhija, str. 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 in Sabrina Maniscalco. »Stopnja nemarkovskosti kvantne evolucije«. V: Phys. Rev. Lett. 112 (12 2014), str. 120404. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.112.120404.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.120404

[15] Michael M. Wolf in J. Ignacio Cirac. "Razdelitev kvantnih kanalov". V: Communications in Mathematical Physics 279 (1 2008), str. 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 in CH Oh. “Alternativna mera nemarkovskosti z deljivostjo dinamičnih preslikav”. V: Phys. Rev. A 83 (6 2011), str. 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 in Kavan Modi. “Popolnoma pozitivna deljivost ne pomeni markovščine”. V: Phys. Rev. Lett. 123 (4 2019), str. 040401. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.123.040401.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.040401

[18] Toby Cubitt, Jens Eisert in Michael Wolf. "Zapletenost povezovanja kvantnih kanalov z glavnimi enačbami". V: Communications in Mathematical Physics 310 (2 2009), str. 383–418. https://​/​doi.org/​10.1007/​s00220-011-1402-y.
https: / / doi.org/ 10.1007 / s00220-011-1402-y

[19] Johannes Bausch in Toby Cubitt. “Kompleksnost deljivosti”. V: Linearna algebra in njene aplikacije 504 (2016), str. 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 in Martin B. Plenio. "Zapletenost in nemarkovskost kvantnih evolucij". V: 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. “Odkrivanje nemarkovščine prek kvantificirane koherence: teorija in eksperimenti”. V: npj Kvantne informacije 6 (1 2020), str. 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 in Sudha. “Kvantna dinamika odprtega sistema s koreliranimi začetnimi stanji, ne popolnoma pozitivnimi preslikavami in nemarkovskostjo”. V: Phys. Rev. A 83 (2 2011), str. 022109. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.83.022109.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.022109

[23] Shunlong Luo, Shuangshuang Fu in Hongting Song. “Kvantificiranje nemarkovščine s korelacijami”. V: Phys. Rev. A 86 (4 2012), str. 044101. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.86.044101.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.044101

[24] Elsi-Mari Laine, Jyrki Piilo in Heinz-Peter Breuer. “Merilo za nemarkovskost kvantnih procesov”. V: 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 in CP Sun. “Quantum Fisher informacijski tok in nemarkovski procesi odprtih sistemov”. V: Phys. Rev. A 82 (4 2010), str. 042103. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.82.042103.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.82.042103

[26] Heinz-Peter Breuer, Elsi-Mari Laine in Jyrki Piilo. "Merilo za stopnjo nemarkovskega obnašanja kvantnih procesov v odprtih sistemih". V: 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 in Sabrina Maniscalco. Nemarkovskost kot vir za kvantne tehnologije. 2013. arXiv: 1301.2585 [količina-ph].
arXiv: 1301.2585

[28] Salvatore Lorenzo, Francesco Plastina in Mauro Paternostro. “Geometrijska karakterizacija nemarkovščine”. V: Phys. Rev. A 88 (2 2013), str. 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 in Kavan Modi. “Operativni Markov pogoj za kvantne procese”. V: Phys. Rev. Lett. 120 (4 2018), str. 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 in Prineha Narang. "Zajemanje nemarkovske dinamike na kvantnih računalnikih za bližnji čas". V: Phys. Rev. Research 3 (1 2021), str. 013182. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.013182.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013182

[31] Murphy Yuezhen Niu et al. Učenje nemarkovskega kvantnega šuma iz Moire-Enhanced Swap spektroskopije z globokim evolucijskim algoritmom. 2019. arXiv: 1912.04368 [količina-ph].
arXiv: 1912.04368

[32] IA Luchnikov, SV Vintskevich, DA Grigoriev in SN Filippov. »Nemarkovska kvantna dinamika strojnega učenja«. V: 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. Preizkušanje nemarkovske kvantne dinamike z analizo, ki temelji na podatkih: Onkraj modelov strojnega učenja črne škatle. Phys. Rev. Research 4, 043002, 2022. [količinsko-ph].
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043002

[34] Stephen Boyd in Lieven Vandenberghe. Konveksna optimizacija. Cambridge University Press, 2004. https://​/​doi.org/​10.1017/​CBO9780511804441.
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511804441

[35] Steven Diamond in Stephen Boyd. “CVXPY: jezik za modeliranje, vdelan v Python, za konveksno optimizacijo”. V: Journal of Machine Learning Research 17.83 (2016), str. 1–5.

[36] Akshay Agrawal, Robin Verschueren, Steven Diamond in Stephen Boyd. "Sistem za prepisovanje problemov konveksne optimizacije". V: Journal of Control and Decision 5.1 (2018), str. 42–60.

[37] E. Davies. "Vdelljive Markovske matrike". V: Elektron. J. Probab. 15 (2010), str. 1474–1486. https://​/​doi.org/​10.1214/​EJP.v15-733.
https://​/​doi.org/​10.1214/​EJP.v15-733

[38] Kamil Korzekwa in Matteo Lostaglio. "Kvantna prednost pri simulaciji stohastičnih procesov". V: Phys. Rev. X 11 (2 2021), str. 021019. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.11.021019.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.021019

[39] David E. Evans. “Pogojno popolnoma pozitivne preslikave na operatorskih algebrah”. V: The Quarterly Journal of Mathematics 28.3 (1977), str. 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 in Kalle-Antti Suominen. "Nemarkovski kvantni skoki". V: Phys. Rev. Lett. 100 (18. 2008), str. 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. “Ocena kvantnega stanja”. V: 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 in Andrew G. White. "Merjenje kubitov". V: Phys. Rev. A 64 (5 2001), str. 052312. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.64.052312.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.052312

[44] Robin Blume-Kohout. “Optimalna, zanesljiva ocena kvantnih stanj”. V: New Journal of Physics 12.4 (2010), str. 043034. https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​12/​4/​043034.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​12/​4/​043034

[45] VI Danilov in VV Shokurov. Algebraična geometrija I. Algebraične krivulje, algebraične mnogoterosti in sheme. 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. Jordanska kanonična oblika: teorija in praksa. Sintetična predavanja iz matematike in statistike. Morgan in Claypool Publishers, 2009. https://​/​doi.org/​10.2200/​S00218ED1V01Y200908MAS006.
https:/​/​doi.org/​10.2200/​S00218ED1V01Y200908MAS006

[47] Erika Andersson, James D. Cresser in Michael JW Hall. "Iskanje Krausove razgradnje iz glavne enačbe in obratno". V: Journal of Modern Optics 54.12 (2007), str. 1695–1716. https://​/​doi.org/​10.1080/​09500340701352581.
https: / / doi.org/ 10.1080 / 09500340701352581

[48] Gabriel O. Samach et al. Lindbladova tomografija superprevodnega kvantnega procesorja. Phys. Rev. Uporabljeno 18, 064056, 2022. [količina-ph].
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.18.064056

[49] Tosio Kato. Teorija motenj za linearne operatorje. 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. "Gosti nizi diagonalizirajočih matrik". V: Proceedings of the American Mathematical Society 123.6 (1995), str. 1669–1672.

[51] David Pérez-García, Michael M. Wolf, Denes Petz in Mary Beth Ruskai. “Kontraktivnost pozitivnih kart in preslikav, ki ohranjajo sled, po normah Lp”. V: Journal of Mathematical Physics 47.8 (2006), str. 083506. https://​/​doi.org/​10.1063/​1.2218675.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.2218675

[52] Alexander Schnell, André Eckardt in Sergey Denisov. "Ali obstaja Floquet Lindbladian?" V: Phys. Rev. B 101 (10 2020), str. 100301. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.101.100301.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.101.100301

[53] Alexander Schnell, Sergey Denisov in André Eckardt. “Visokofrekvenčne razširitve za časovno periodične generatorje Lindblad”. V: Phys. Rev. B 104 (16 2021), str. 165414. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.104.165414.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.104.165414

[54] Leonid Khachiyan in Lorant Porkolab. “Izračunavanje integralnih točk v konveksnih semi-algebraičnih množicah”. V: Zbornik 38. letnega simpozija o temeljih računalništva. IEEE. 1997, str. 162–171.

[55] John E. Mitchell. “Programiranje celih števil: algoritmi za razvejanje in rezanje”. V: Enciklopedija optimizacije. Ed. avtorja Christodoulos A. Floudas in Panos M. Pardalos. Boston, MA: Springer US, 2009, str. 1643–1650. https://​/​doi.org/​10.1007/​978-0-387-74759-0287.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-0-387-74759-0_287

Navedel

[1] Christiane P. Koch, Ugo Boscain, Tommaso Calarco, Gunther Dirr, Stefan Filipp, Steffen J. Glaser, Ronnie Kosloff, Simone Montangero, Thomas Schulte-Herbrüggen, Dominique Sugny in Frank K. Wilhelm, »Quantum optimal control in kvantne tehnologije. Strateško poročilo o trenutnem stanju, vizijah in ciljih za raziskave v Evropi”, arXiv: 2205.12110, (2022).

[2] Ryan Levy, Di Luo in Bryan K. Clark, "Klasične sence za kvantno procesno tomografijo na kvantnih računalnikih v bližnji prihodnosti", arXiv: 2110.02965, (2021).

[3] Dominik Hangleiter, Ingo Roth, Jens Eisert in Pedram Roushan, "Natančna Hamiltonova identifikacija superprevodnega kvantnega procesorja", 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 in William D. Oliver, "Lindblad Tomography of a Superconducting Quantum Processor", Uporabljen fizični pregled 18 6, 064056 (2022).

[5] Miha Papič in Inés de Vega, “Karakterizacija qubit-environmenta na osnovi nevronske mreže”, Fizični pregled A 105 2, 022605 (2022).

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

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

[8] Markus Hasenöhrl in Matthias C. Caro, "Kvantne in klasične dinamične polskupine superkanalov in semikavzalnih kanalov", Revija za matematično fiziko 63 7, 072204 (2022).

[9] Emilio Onorati, Tamara Kohler in Toby S. Cubitt, "Prilagajanje časovno odvisne markovske dinamike šumnim kvantnim kanalom", arXiv: 2303.08936, (2023).

Zgornji citati so iz SAO / NASA ADS (zadnjič posodobljeno 2023-12-05 14:26:01). Seznam je morda nepopoln, saj vsi založniki ne dajejo ustreznih in popolnih podatkov o citiranju.

Pridobitve ni bilo mogoče Crossref citirani podatki med zadnjim poskusom 2023-12-05 14:25:59: Citiranih podatkov za 10.22331 / q-2023-12-05-1197 od Crossrefa ni bilo mogoče pridobiti. To je normalno, če je bil DOI registriran pred kratkim.

Časovni žig:

Več od Quantum Journal