Ensayo en papel | Evidencia de la viabilidad de la computación cuántica antes de lograr la tolerancia a fallas

Compartidor: Jin Sui|Escuela**: Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China**

breve introducción

La computación cuántica promete proporcionar una mayor potencia informática que la computación clásica para muchas tareas específicas. Sin embargo, los ruidosos ordenadores cuánticos aún no son totalmente tolerantes a fallos, lo que también ha generado dudas sobre la viabilidad de la computación cuántica actual. Un trabajo reciente de IBM ha permitido realizar experimentos con un ruidoso procesador de 127 qubits y ha demostrado capacidades que van más allá de la informática clásica. Estos resultados experimentales se benefician de los avances en coherencia y calibración en procesadores superconductores a gran escala, así como de la capacidad de caracterizar y controlar el ruido en dispositivos tan grandes. En estados fuertemente entrelazados, las computadoras cuánticas proporcionan resultados correctos, mientras que los métodos de aproximación clásicos convencionales, como MPS e iso TNS, fallan. Estos experimentos han demostrado la capacidad de las computadoras cuánticas recientes para abordar problemas prácticos.

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**标题:Evidencia de la utilidad de la computación cuántica antes de la tolerancia a fallos
作者:**Youngseok Kim, Andrew Eddins, Sajant Anand, Ken Xuan Wei, Ewout van den Berg, Sami Rosenblatt, Hasan Nayfeh, Yantao Wu, Michael Zaletel, Kristan Temme y Abhinav Kandala

**Revista:**Nature volumen 618, páginas 500–505 (2023)

**Fecha de publicación:** 14 de junio de 2023

01

introducción

Se cree ampliamente que los algoritmos cuánticos avanzados, como la factorización o la estimación de fase, requieren una corrección de errores cuánticos para demostrar sus ventajas. Sin embargo, se debate acaloradamente si los procesadores disponibles actualmente pueden ejecutar otros circuitos cuánticos poco profundos de manera suficientemente confiable como para proporcionar ventajas en problemas prácticos.

La demostración de la ventaja cuántica se puede lograr demostrando que los dispositivos cuánticos existentes son capaces de realizar cálculos precisos más allá de las simulaciones clásicas. Este trabajo se centra en esto para demostrar las ventajas de la computación cuántica, en lugar de implementar circuitos cuánticos en problemas para los cuales se ha demostrado la aceleración.

02

** Procesador cuántico IBM
**

Este trabajo utiliza un procesador cuántico superconductor de 127 qubits para simular el modelo de Ising de campo transversal bidimensional. La profundidad de su circuito incluye 60 capas de puertas cuánticas de dos bits y el número total de puertas CNOT es 2.880. El procesador cuántico utilizado en este artículo es ibm_kyiv.

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(Fuente: artículo original)

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1) Los valores medios de T1 y T2 son 287,87 μs y 127,49 μs respectivamente
2) El error promedio de un solo bit es del orden de 10-4 y el error promedio de dos bits es del orden de 10-; 2;
3) La fidelidad de lectura es del orden de magnitud 10 -2.

03

Tareas manejadas por computadoras cuánticas

Este artículo utiliza principalmente el procesador cuántico ibm_kyiv para simular la evolución del modelo de Ising de campo transversal bidimensional. La forma de su hamiltoniano es:

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donde J es la fuerza de acoplamiento entre los vecinos más cercanos y h representa la intensidad del campo transversal global. La relación de vecino más cercano de este modelo se basa en la estructura del propio procesador cuántico, como se muestra en la Figura 1b a continuación.

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Figura 1 (Fuente: artículo original)

Esta evolución unitaria puede aproximarse mediante descomposición de Trotter de primer orden,

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Para simplificar la implementación, se selecciona aquí imagenpara que la puerta giratoria ZZ pueda ser equivalente al siguiente circuito cuántico que solo requiere un CNOT:

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Podemos dividir la puerta giratoria ZZ en tres capas en paralelo de acuerdo con la estructura del propio procesador cuántico, como se muestra en las Figuras a y b, lo que significa que cada paso del trotón contiene tres capas de puertas CNOT. Se puede ver en la figura que las puertas CNOT requeridas para cada paso de trotón son 144. Cuando el circuito cuántico realiza 20 pasos de trotón, es decir, 60 capas de puertas CNOT, alcanza el número de puertas CNOT mencionado en el artículo, 2880.

04

** Modelo de ruido
**

El modelo de ruido seleccionado en este artículo es el modelo de ruido Sparse Pauli-Linblad.

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La capa de ruido se muestra en la Figura 1 c,d. Este artículo imagenagrega capas delante de la capa de ruido original imagenpara controlar el tamaño del ruido. En este momento, el canal de ruido total es imagen, donde G es el factor de amplificación imagen. En la extrapolación de ruido cero (ZNE), los autores amplifican el ruido a diferentes niveles de ganancia y utilizan la extrapolación para estimar el ruido cero.

Aquí, este artículo selecciona imagenviz imagen. En este momento, todo el circuito actúa en el estado 0 y no cambia el estado cuántico, por lo que imagenel valor esperado obtenido al usar la cantidad de observación para medir es 1. La Figura 2 a continuación muestra los resultados experimentales con diferentes niveles de ruido, diferentes profundidades de circuito y después de ZNE.

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Figura 2 (fuente: artículo original)

La Figura 2a es imagenel resultado de realizar un trotón de 4 pasos y observarlo. Se puede ver que ZNE puede reducir efectivamente el impacto del ruido y obtener valores de observación relativamente precisos. Además, el efecto de la extrapolación exponencial es generalmente mejor que el de la extrapolación lineal. La Figura c muestra imagenla relación entre el valor promedio de cada observación de qubit y la profundidad del circuito. El error de los resultados sin mitigación de errores aumenta a medida que aumenta la profundidad del circuito, mientras que aún se pueden obtener resultados más precisos después de la mitigación de errores.

05

****Ejemplo experimental
**
**

(1) trotón de 5 pasos, CNOT de 15 capas

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Figura 3 (fuente: artículo original)

En este ejemplo, este artículo utiliza observaciones de peso 1, peso 10 y peso 17 para medir el circuito cuántico del trotón de 5 pasos. Los resultados experimentales se muestran en la figura. Al realizar simulaciones clásicas para obtener soluciones precisas, aquí se utiliza el método de cono de luz y profundidad reducida (LCDR). Se divide en dos partes. Una parte es reducir el número de capas de circuito que deben simularse a través de las características entre puertas cuánticas y la otra parte es considerar que los qubits relacionados con la cantidad de observación A son locales; Sólo es necesario considerar una parte de los qubits. Luego, Evolution puede calcular el resultado de la observación final en lugar de los 127 bits.

Como se muestra en la Figura 3, los números de qubit relacionados de las observaciones de peso 1, peso 10 y peso 17 son 31, 37 y 68 respectivamente. Vale la pena señalar que la simulación con 68 qubits aún está más allá de las capacidades de las simulaciones de fuerza bruta realizadas por computadoras clásicas. Por lo tanto, este artículo presenta las redes tensoriales, los estados de productos matriciales 1D (MPS) y los estados de redes tensoriales isométricas 2D (iso TNS), para simulación. Su complejidad es

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donde imagenes la dimensión del enlace y M es el número de bits.

En este ejemplo, MPS necesita tomar la dimensión del enlace imagenpara simular resultados precisos. Se puede ver en la figura que los resultados experimentales después de la mitigación de errores están más cerca de los resultados reales.

(2) Agregue una puerta giratoria de un solo bit y un trotón de 5 pasos al final

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(Fuente: artículo original)

Este ejemplo se diferencia del anterior en que se agrega una capa de torniquetes de un solo bit al final, lo que resulta en una profundidad reducida de las interrupciones del circuito. El autor utiliza observaciones de peso 17 para medir y el número de qubits asociados a ellas es 68. Esto es necesario imagenpara simular con precisión este proceso de evolución.

(3) trotón de 20 pasos, CNOT de 60 capas

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(Fuente: artículo original)

Aunque aquí solo se utilizan observaciones de peso 1 para la medición, debido a la gran cantidad de capas (trotón de 20 pasos), la cantidad de qubits asociados con ella alcanza 127. Por tanto, es muy difícil simular este proceso de evolución. El uso de MPS para simular requiere imagenresultados precisos. Por ejemplo, existe un sistema que requiere extracción de dimensiones de enlace imagen. Luego, independientemente de otros factores, dado que el tamaño de memoria requerido para almacenar MPS es imagen, la memoria requerida es 400 PB.

Aunque no existe una solución exacta como medida, estos dos ejemplos aún muestran que las técnicas de mitigación de errores siguen siendo efectivas para circuitos cuánticos de este tamaño y profundidad.

06

Resumir

Muchos algoritmos cuánticos están limitados por la influencia del ruido en los ordenadores cuánticos actuales y no pueden demostrar eficazmente sus ventajas. Sin embargo, los ruidosos ordenadores cuánticos actuales todavía no son totalmente tolerantes a fallos. El trabajo de IBM esta vez logró la simulación del modelo de Ising de campo transversal 2-D en 127 procesadores cuánticos, lo que demuestra que las computadoras cuánticas ruidosas aún pueden generar expectativas confiables. Esto proporciona nuevas direcciones de investigación para investigadores posteriores.

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