Partageur : Jin Sui｜École** : Université des sciences et technologies électroniques de Chine**
courte introduction
L’informatique quantique promet de fournir une puissance de calcul supérieure à l’informatique classique pour de nombreuses tâches spécifiques. Cependant, les ordinateurs quantiques bruyants ne sont pas encore totalement tolérants aux pannes, ce qui a également suscité des doutes quant au caractère pratique de l’informatique quantique actuelle. Des travaux récents d'IBM ont permis des expériences sur un processeur bruyant de 127 qubits et démontré des capacités allant au-delà de l'informatique classique. Ces résultats expérimentaux bénéficient des progrès en matière de cohérence et d’étalonnage des processeurs supraconducteurs à grande échelle, ainsi que de la capacité à caractériser et contrôler le bruit sur des appareils de cette taille. Dans les états fortement intriqués, les ordinateurs quantiques fournissent des résultats corrects, tandis que les méthodes d’approximation classiques telles que MPS et iso TNS échouent. Ces expériences ont démontré la capacité des ordinateurs quantiques récents à résoudre des problèmes pratiques.
Documents connexes
**标题：Preuves de l'utilité de l'informatique quantique avant la tolérance aux pannes
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 & Abhinav Kandala
**Journal :**Nature volume 618, pages 500 à 505 (2023)
**Date de publication :** 14 juin 2023
01
introduction
Il est largement admis que les algorithmes quantiques avancés tels que la factorisation ou l’estimation de phase nécessitent une correction des erreurs quantiques pour démontrer leurs avantages. Cependant, la question de savoir si les processeurs actuellement disponibles peuvent exécuter d’autres circuits quantiques superficiels de manière suffisamment fiable pour offrir des avantages sur des problèmes pratiques fait l’objet d’un vif débat.
La démonstration de l’avantage quantique peut être obtenue en démontrant que les dispositifs quantiques existants sont capables d’effectuer des calculs précis au-delà des simulations classiques. Ce travail se concentre là-dessus pour démontrer les avantages de l’informatique quantique, plutôt que de mettre en œuvre des circuits quantiques sur des problèmes pour lesquels l’accélération a été démontrée.
02
** Processeur IBM Quantum
**
Ce travail utilise un processeur quantique supraconducteur de 127 qubits pour simuler le modèle d'Ising à champ transversal bidimensionnel. Sa profondeur de circuit comprend 60 couches de portes quantiques à deux bits et le nombre total de portes CNOT est de 2 880. Le processeur quantique utilisé dans cet article est ibm_kyiv.
(Source : article original)
1) Les valeurs médianes de T1 et T2 sont respectivement de 287,87 μs et 127,49 μs ;
2) L'erreur moyenne d'un seul bit est de l'ordre de 10-4 et l'erreur moyenne de deux bits est de l'ordre de 10-. 2;
3) La fidélité de lecture est toutes deux de l'ordre de 10 -2.
03
Tâches gérées par les ordinateurs quantiques
Cet article utilise principalement le processeur quantique ibm_kyiv pour simuler l'évolution du modèle d'Ising à champ transversal bidimensionnel. La forme de son hamiltonien est :
où J est la force de couplage entre les voisins les plus proches et h représente l’intensité du champ transversal global. La relation de voisin le plus proche de ce modèle est basée sur la structure du processeur quantique lui-même, comme le montre la figure 1b ci-dessous.
Figure 1 (Source : article original)
Cette évolution unitaire peut être approximée par la décomposition de Trotter du premier ordre,
Pour des raisons de simplicité de mise en œuvre, il est sélectionné ici , de sorte que la porte tournante ZZ puisse être équivalente au circuit quantique suivant qui ne nécessite qu'un seul CNOT :
Nous pouvons diviser la porte tournante ZZ en trois couches en parallèle selon la structure du processeur quantique lui-même, comme le montrent les figures a et b, ce qui signifie que chaque étape du trotteur contient trois couches de portes CNOT. On peut voir sur la figure que les portes CNOT requises pour chaque pas du trotteur sont au nombre de 144. Lorsque le circuit quantique effectue 20 pas de trotter, soit 60 couches de portes CNOT, il atteint le nombre de portes CNOT mentionné dans l'article, 2880.
04
** Modèle de bruit
**
Le modèle de bruit sélectionné dans cet article est le modèle de bruit Sparse Pauli-Linblad.
La couche de bruit est représentée sur la figure 1 c, d. Cet article 
ajoute des calques devant le calque de bruit d'origine 
pour contrôler la taille du bruit. À ce stade, le canal de bruit total est 
, où G est le facteur d'amplification 
. Dans l'extrapolation sans bruit (ZNE), les auteurs amplifient le bruit à différents niveaux de gain et utilisent l'extrapolation pour estimer le bruit nul.
Ici, cet article sélectionne 
à savoir 
. À ce stade, l'ensemble du circuit agit sur l'état 0 et ne change pas l'état quantique, donc 
la valeur attendue obtenue en utilisant la quantité d'observation à mesurer est 1. La figure 2 ci-dessous montre les résultats expérimentaux à différents niveaux de bruit, différentes profondeurs de circuit et après ZNE.
Figure 2 (source : article original)
La figure 2a est 
le résultat de l'exécution d'un trotteur en 4 étapes et de son observation. On peut voir que ZNE peut réduire efficacement l'impact du bruit et obtenir des valeurs d'observation relativement précises. De plus, l’effet de l’extrapolation exponentielle est généralement meilleur que celui de l’extrapolation linéaire. La figure c montre 
la relation entre la valeur moyenne de chaque observation de qubit et la profondeur du circuit. L'erreur des résultats sans atténuation d'erreur augmente à mesure que la profondeur du circuit augmente, tandis que des résultats plus précis peuvent toujours être obtenus après atténuation d'erreur.
05
****Exemple expérimental
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(1) Trotteur 5 pas, CNOT 15 couches
Figure 3 (source : article original)
Dans cet exemple, cet article utilise des observations de poids 1, de poids 10 et de poids 17 pour mesurer le circuit quantique du trotteur en 5 étapes. Les résultats expérimentaux sont présentés dans la figure. Lors de la réalisation de simulations classiques afin d'obtenir des solutions précises, la méthode du cône de lumière et de la profondeur réduite (LCDR) est utilisée ici. Il est divisé en deux parties. L'une consiste à réduire le nombre de couches de circuits qui doivent être simulées à travers les caractéristiques entre les portes quantiques ; l'autre partie consiste à considérer que les qubits liés à la quantité d'observation A sont locaux, ce qui signifie que seule une partie des qubits doit être prise en compte. Evolution peut alors calculer le résultat de l'observation finale au lieu des 127 bits.
Comme le montre la figure 3, les nombres de qubits associés aux observations de poids 1, de poids 10 et de poids 17 sont respectivement 31, 37 et 68. Il convient de noter que la simulation avec 68 qubits dépasse encore les capacités des simulations par force brute par les ordinateurs classiques. Par conséquent, cet article présente les réseaux tensoriels, les états de produits matriciels 1D (MPS) et les états de réseaux tenseurs isométriques 2D (iso TNS), pour la simulation. Leur complexité est
où 
est la dimension de la liaison et M est le nombre de bits.
Dans cet exemple, MPS doit prendre la dimension des obligations 
pour simuler des résultats précis. Il ressort de la figure que les résultats expérimentaux après atténuation des erreurs sont plus proches des résultats réels.
(2) Ajoutez une porte tournante à un seul embout et un trotteur à 5 marches à la fin
(Source : article original)
Cet exemple diffère du précédent en ce sens qu'une couche de tourniquets à un seul bit est ajoutée à l'extrémité, ce qui entraîne une réduction de la profondeur des interruptions du circuit. L'auteur utilise des observations de poids 17 pour la mesure, et le nombre de qubits qui y sont associés est de 68. Ceci est nécessaire 
pour simuler avec précision ce processus d’évolution.
(3) Trotteur 20 pas, CNOT 60 couches
(Source : article original)
Bien que seules les observations de poids 1 soient utilisées ici pour la mesure, en raison du grand nombre de couches (trotter à 20 étapes), le nombre de qubits qui y sont associés atteint 127. Il est donc très difficile de simuler ce processus d’évolution. L’utilisation de MPS pour simuler nécessite 
des résultats précis. Par exemple, il existe un système qui nécessite l'extraction des dimensions des liaisons 
. Ensuite, quels que soient les autres facteurs, puisque la taille de mémoire requise pour stocker MPS est de 
400 Po, la mémoire requise est de 400 Po.
Bien qu’il n’existe pas de solution exacte comme mesure, ces deux exemples montrent néanmoins que les techniques d’atténuation des erreurs sont toujours efficaces pour les circuits quantiques de cette taille et de cette profondeur.
06
Résumer
De nombreux algorithmes quantiques sont limités par l’influence du bruit dans les ordinateurs quantiques actuels et ne peuvent pas démontrer efficacement leurs avantages. Cependant, les ordinateurs quantiques bruyants actuels ne sont pas encore totalement tolérants aux pannes. Le travail d'IBM a cette fois permis de simuler le modèle d'Ising à champ transversal 2D sur 127 processeurs quantiques, montrant que les ordinateurs quantiques bruyants peuvent toujours produire des attentes fiables. Cela fournit de nouvelles orientations de recherche aux chercheurs ultérieurs.
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