```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Penulis: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Abstrak Komputasi kuantum menjanjikan untuk menawarkan percepatan yang substansial atas pasangan klasiknya untuk masalah tertentu. Namun, hambatan terbesar untuk mewujudkan potensi penuhnya adalah kebisingan yang melekat pada sistem ini. Solusi yang diterima secara luas untuk tantangan ini adalah implementasi sirkuit kuantum yang tahan kesalahan (fault-tolerant), yang berada di luar jangkauan prosesor saat ini. Di sini kami melaporkan eksperimen pada prosesor kuantum 127-qubit yang berisik dan mendemonstrasikan pengukuran nilai ekspektasi yang akurat untuk volume sirkuit pada skala di luar komputasi klasik brute-force. Kami berpendapat bahwa ini mewakili bukti kegunaan komputasi kuantum di era pra-tahan kesalahan. Hasil eksperimental ini dimungkinkan oleh kemajuan dalam koherensi dan kalibrasi prosesor superkonduktor pada skala ini dan kemampuan untuk mengkarakterisasi  dan memanipulasi kebisingan secara terkontrol di seluruh perangkat sebesar ini. Kami menetapkan akurasi nilai ekspektasi yang terukur dengan membandingkannya dengan keluaran sirkuit yang dapat diverifikasi secara tepat. Dalam rezim keterikatan (entanglement) yang kuat, komputer kuantum memberikan hasil yang benar di mana metode jaringan tensor pendekatan klasik terkemuka seperti keadaan jaringan tensor berbasis keadaan murni (pure-state-based 1D (matrix product states, MPS)) dan 2D (isometric tensor network states, isoTNS) ,  gagal. Eksperimen ini mendemonstrasikan alat dasar untuk realisasi aplikasi kuantum jangka pendek , . 1 2 3 4 5 Utama Hampir secara universal diterima bahwa algoritma kuantum canggih seperti faktorisasi  atau estimasi fase  akan membutuhkan koreksi kesalahan kuantum. Namun, diperdebatkan secara tajam apakah prosesor yang tersedia saat ini dapat dibuat cukup andal untuk menjalankan sirkuit kuantum dengan kedalaman yang lebih pendek yang dapat memberikan keuntungan untuk masalah praktis. Pada titik ini, ekspektasi konvensional adalah bahwa implementasi sirkuit kuantum sederhana sekalipun yang berpotensi melampaui kemampuan klasik harus menunggu hingga prosesor yang lebih canggih dan tahan kesalahan tiba. Terlepas dari kemajuan luar biasa perangkat keras kuantum dalam beberapa tahun terakhir, batas fidelitas sederhana  mendukung perkiraan suram ini; diperkirakan bahwa sirkuit kuantum selebar 100 qubit dengan kedalaman 100 lapis gerbang yang dieksekusi dengan kesalahan gerbang 0,1% menghasilkan fidelitas keadaan kurang dari 5 × 10−4. Namun demikian, pertanyaan tetap apakah sifat keadaan ideal dapat diakses bahkan dengan fidelitas serendah itu. Pendekatan mitigasi kesalahan ,  terhadap keuntungan kuantum jangka pendek pada perangkat yang berisik secara tepat mengatasi pertanyaan ini, yaitu, bahwa seseorang dapat menghasilkan nilai ekspektasi yang akurat dari beberapa kali eksekusi sirkuit kuantum yang berisik menggunakan pemrosesan pasca-klasik. 6 7 8 9 10 Keuntungan kuantum dapat didekati dalam dua langkah: pertama, dengan mendemonstrasikan kemampuan perangkat yang ada untuk melakukan komputasi akurat pada skala yang berada di luar simulasi klasik brute-force, dan kedua, dengan menemukan masalah dengan sirkuit kuantum terkait yang memperoleh keuntungan dari perangkat ini. Di sini kami berfokus pada pengambilan langkah pertama dan tidak bertujuan untuk mengimplementasikan sirkuit kuantum untuk masalah dengan percepatan yang terbukti. Kami menggunakan prosesor kuantum superkonduktor dengan 127 qubit untuk menjalankan sirkuit kuantum dengan hingga 60 lapis gerbang dua-qubit, total 2.880 gerbang CNOT. Sirkuit kuantum umum berukuran ini berada di luar apa yang layak dengan metode klasik brute-force. Oleh karena itu, kami pertama-tama berfokus pada kasus uji spesifik dari sirkuit yang memungkinkan verifikasi klasik yang tepat dari nilai ekspektasi yang terukur. Kami kemudian beralih ke rezim sirkuit dan observabel di mana simulasi klasik menjadi menantang dan membandingkannya dengan hasil dari metode klasik pendekatan keadaan seni. Sirkuit tolok ukur kami adalah evolusi waktu Trotter dari model Ising medan melintang 2D, berbagi topologi prosesor qubit (Gbr.  ). Model Ising muncul secara luas di berbagai bidang fisika dan telah menemukan perpanjangan kreatif dalam simulasi baru-baru ini yang mengeksplorasi fenomena many-body kuantum, seperti kristal waktu , , bekas luka kuantum  dan mode tepi Majorana . Namun, sebagai ujian kegunaan komputasi kuantum, evolusi waktu model Ising medan melintang 2D paling relevan dalam batas pertumbuhan keterikatan yang besar di mana pendekatan klasik yang dapat diskalakan mengalami kesulitan. 1a 11 12 13 14   , Setiap langkah Trotter dari simulasi Ising mencakup rotasi qubit tunggal   dan rotasi dua-qubit  . Gerbang Pauli acak disisipkan untuk memutar (spiral) dan secara terkontrol menskalakan kebisingan setiap lapisan CNOT. Tanda dagger menunjukkan konjugasi oleh lapisan ideal.   , Tiga lapis CNOT kedalaman-1 sudah cukup untuk mewujudkan interaksi antara semua pasangan tetangga pada ibm_kyiv.   , Eksperimen karakterisasi secara efisien mempelajari tingkat kesalahan Pauli lokal  ,  (skala warna) yang membentuk saluran Pauli keseluruhan Λ  yang terkait dengan lapisan CNOT terputar ke- . (Gambar diperluas dalam Informasi Tambahan  ).   , Kesalahan Pauli yang disisipkan pada tingkat proporsional dapat digunakan untuk membatalkan (PEC) atau memperkuat (ZNE) kebisingan intrinsik. a X ZZ b c λl i l l IV.A d Khususnya, kami mempertimbangkan dinamika waktu Hamiltonian, di mana   > 0 adalah kopling spin tetangga terdekat dengan   <   dan   adalah medan melintang global. Dinamika spin dari keadaan awal dapat disimulasikan dengan sarana dekomposisi Trotter orde pertama dari operator evolusi waktu, J i j h di mana waktu evolusi   dikuantifikasi menjadi  /  langkah Trotter dan  dan  adalah rotasi   dan   gerbang, masing-masing. Kami tidak peduli dengan kesalahan model karena Trotterisasi dan oleh karena itu menganggap sirkuit Trotterisasi sebagai ideal untuk perbandingan klasik apa pun. Untuk kesederhanaan eksperimental, kami berfokus pada kasus   = −2  = −π/2 sehingga rotasi   hanya membutuhkan satu CNOT, T T δt ZZ X θJ Jδt ZZ di mana kesetaraan berlaku hingga fase global. Dalam sirkuit yang dihasilkan (Gbr.  ), setiap langkah Trotter merupakan lapisan rotasi qubit tunggal, R ( h), diikuti oleh lapisan rotasi dua-qubit yang dapat dikomutasi, R ( ). 1a X θ ZZ θJ Untuk implementasi eksperimental, kami terutama menggunakan prosesor kuantum superkonduktor IBM Eagle ibm_kyiv, yang terdiri dari 127 qubit frekuensi tetap transmon  dengan konektivitas heavy-hex dan waktu median  1 dan  2 masing-masing 288 μs dan 127 μs. Waktu koherensi ini belum pernah terjadi sebelumnya untuk prosesor superkonduktor skala ini dan memungkinkan kedalaman sirkuit yang diakses dalam pekerjaan ini. Gerbang CNOT dua-qubit antara tetangga direalisasikan dengan mengkalibrasi interaksi cross-resonance . Karena setiap qubit memiliki paling banyak tiga tetangga, semua interaksi   dapat dilakukan dalam tiga lapis gerbang CNOT yang diparalelkan (Gbr.  ). Gerbang CNOT dalam setiap lapisan dikalibrasi untuk operasi simultan yang optimal (lihat   untuk detail lebih lanjut). 15 T T 16 ZZ 1b Metode Sekarang kita melihat bahwa peningkatan kinerja perangkat keras ini memungkinkan masalah yang lebih besar untuk dieksekusi dengan sukses dengan mitigasi kesalahan, dibandingkan dengan pekerjaan terbaru ,  pada platform ini. Pembatalan kesalahan probabilistik (PEC)  telah ditunjukkan  sangat efektif dalam memberikan perkiraan observabel yang tidak bias. Dalam PEC, model kebisingan representatif dipelajari dan secara efektif dibalik dengan mengambil sampel dari distribusi sirkuit yang berisik yang terkait dengan model yang dipelajari. Namun, untuk tingkat kesalahan saat ini pada perangkat kami, overhead pengambilan sampel untuk volume sirkuit yang dipertimbangkan dalam pekerjaan ini tetap membatasi, seperti yang dibahas lebih lanjut di bawah. 1 17 9 1 Oleh karena itu, kami beralih ke ekstrapolasi nol-kebisingan (ZNE) , , , , yang memberikan estimator bias dengan biaya pengambilan sampel yang berpotensi jauh lebih rendah. ZNE adalah metode ekstrapolasi polinomial ,  atau eksponensial  untuk nilai ekspektasi yang berisik sebagai fungsi dari parameter kebisingan. Ini membutuhkan amplifikasi terkontrol dari kebisingan perangkat keras intrinsik dengan faktor penguatan (gain) yang diketahui   untuk mengekstrapolasi ke hasil ideal   = 0. ZNE telah diadopsi secara luas sebagian karena skema amplifikasi kebisingan berdasarkan peregangan pulsa , ,  atau pengulangan sub-sirkuit , ,  telah menghindari kebutuhan akan pembelajaran kebisingan yang tepat, sambil mengandalkan asumsi sederhana tentang kebisingan perangkat. Namun, amplifikasi kebisingan yang lebih tepat dapat memungkinkan pengurangan bias estimator yang diekstrapolasi secara substansial, seperti yang kami tunjukkan di sini. 9 10 17 18 9 10 19 G G 9 17 18 20 21 22 Model kebisingan Pauli–Lindblad yang jarang yang diusulkan dalam ref.   ternyata sangat cocok untuk pembentukan kebisingan dalam ZNE. Model mengambil bentuk , di mana  adalah Lindbladian yang terdiri dari operator lompatan Pauli   yang dibobot oleh tingkat  . Ditunjukkan dalam ref.   bahwa pembatasan operator lompatan yang bertindak pada pasangan qubit lokal menghasilkan model kebisingan yang jarang yang dapat dipelajari secara efisien untuk banyak qubit dan yang secara akurat menangkap kebisingan yang terkait dengan lapisan gerbang Clifford dua-qubit, termasuk crosstalk, ketika dikombinasikan dengan twirls Pauli acak , . Lapisan gerbang yang berisik dimodelkan sebagai serangkaian gerbang ideal yang didahului oleh beberapa saluran kebisingan Λ. Dengan demikian, menerapkan Λ  sebelum lapisan yang berisik menghasilkan saluran kebisingan keseluruhan Λ  dengan penguatan   =   + 1. Mengingat bentuk eksponensial dari model Pauli–Lindblad, pemetaan  diperoleh dengan hanya mengalikan tingkat Pauli   dengan  . Peta Pauli yang dihasilkan dapat diambil sampelnya untuk mendapatkan instance sirkuit yang sesuai; untuk   ≥ 0, peta tersebut adalah saluran Pauli yang dapat diambil sampelnya secara langsung, sedangkan untuk   < 0, pengambilan sampel quasi-probabilistik diperlukan dengan overhead pengambilan sampel  −2  untuk beberapa   spesifik model. Dalam PEC, kami memilih   = −1 untuk mendapatkan tingkat kebisingan nol-penguatan secara keseluruhan. Dalam ZNE, kami malah memperkuat kebisingan , , ,  ke tingkat penguatan yang berbeda dan memperkirakan batas nol-kebisingan menggunakan ekstrapolasi. Untuk aplikasi praktis, kita perlu mempertimbangkan stabilitas model kebisingan yang dipelajari dari waktu ke waktu (Informasi Tambahan  ), misalnya, karena interaksi qubit dengan cacat mikroskopis yang berfluktuasi yang dikenal sebagai sistem dua tingkat . 1 Pi λi 1 23 24 α G G α λi α α α γ α γ α 10 25 26 27 III.A 28 Sirkuit Clifford berfungsi sebagai tolok ukur yang berguna untuk perkiraan yang dihasilkan oleh mitigasi kesalahan, karena mereka dapat disimulasikan secara klasik secara efisien . Khususnya, seluruh sirkuit Trotter Ising menjadi Clifford ketika  h dipilih sebagai kelipatan dari π/2. Sebagai contoh pertama, oleh karena itu kami mengatur medan melintang menjadi nol (R (0) =  ) dan mengembangkan keadaan awal |0⟩⊗127 (Gbr.  ). Gerbang CNOT secara nominal tidak mengubah keadaan ini, sehingga observabel berat-1 ideal   semuanya memiliki nilai ekspektasi 1; karena twirling Pauli dari setiap lapisan, CNOT mentah memang memengaruhi keadaan. Untuk setiap eksperimen Trotter, kami pertama-tama mengkarakterisasi model kebisingan Λ  untuk tiga lapisan CNOT yang diputar Pauli (Gbr.  ) dan kemudian menggunakan model-model ini untuk mengimplementasikan sirkuit Trotter dengan tingkat penguatan kebisingan   ∈ {1, 1.2, 1.6}. Gambar   mengilustrasikan estimasi ⟨ 106⟩ setelah empat langkah Trotter (12 lapis CNOT). Untuk setiap  , kami menghasilkan 2.000 instance sirkuit di mana, sebelum setiap lapisan  , kami telah menyisipkan produk kesalahan Pauli satu-qubit dan dua-qubit   dari  yang ditarik dengan probabilitas  dan mengeksekusi setiap instance 64 kali, total 384.000 eksekusi. Seiring bertambahnya instance sirkuit, perkiraan ⟨ 106⟩ , yang sesuai dengan penguatan   yang berbeda, konvergen ke nilai yang berbeda. Perkiraan yang berbeda kemudian dicocokkan oleh fungsi ekstrapolasi dalam   untuk memperkirakan nilai ideal ⟨ 106⟩0. Hasil dalam Gbr.   menyoroti bias yang berkurang dari ekstrapolasi eksponensial  dibandingkan dengan ekstrapolasi linier. Meskipun demikian, ekstrapolasi eksponensial dapat menunjukkan ketidakstabilan, misalnya, ketika nilai ekspektasi terlalu dekat dengan nol untuk dibedakan, dan—dalam kasus seperti itu—kami secara iteratif menurunkan kompleksitas model ekstrapolasi (lihat Informasi Tambahan  ). Prosedur yang diuraikan dalam Gbr.   diterapkan pada hasil pengukuran dari setiap qubit   untuk memperkirakan semua   = 127 ekspektasi Pauli ⟨ ⟩0. Variasi dalam observabel yang tidak dimitigasi dan dimitigasi dalam Gbr.   menunjukkan ketidakseragaman dalam tingkat kesalahan di seluruh prosesor. Kami melaporkan magnetisasi global di sepanjang , , untuk kedalaman yang meningkat dalam Gbr.  . Meskipun hasil yang tidak dimitigasi menunjukkan peluruhan bertahap dari 1 dengan deviasi yang meningkat untuk sirkuit yang lebih dalam, ZNE sangat meningkatkan kesepakatan, meskipun dengan bias kecil, dengan nilai ideal bahkan hingga 20 langkah Trotter, atau kedalaman 60 CNOT. Khususnya, jumlah sampel yang digunakan di sini jauh lebih kecil daripada perkiraan overhead pengambilan sampel yang akan dibutuhkan dalam implementasi PEC naif (lihat Informasi Tambahan  ). Pada prinsipnya, perbedaan ini dapat sangat dikurangi oleh implementasi PEC yang lebih canggih menggunakan pelacakan cahaya (light-cone tracing)  atau oleh peningkatan tingkat kesalahan perangkat keras. Karena perkembangan perangkat keras dan perangkat lunak di masa depan menurunkan biaya pengambilan sampel, PEC mungkin lebih disukai ketika terjangkau untuk menghindari sifat bias ZNE yang berpotensi. 29 θ X I 1a Zq l 1c G 2a Z G l i Z G G G Z 2a 19 II.B 2a q N Zq 2b 2c IV.B 30   Nilai ekspektasi yang dimitigasi dari sirkuit Trotter pada kondisi Clifford  h = 0.   , Konvergensi perkiraan yang tidak dimitigasi (  = 1), diperkuat kebisingan (  > 1), dan dimitigasi kebisingan (ZNE) dari ⟨ 106⟩ setelah empat langkah Trotter. Di semua panel, batang kesalahan menunjukkan interval kepercayaan 68% yang diperoleh melalui bootstrap persentil. Ekstrapolasi eksponensial (exp, biru tua) cenderung mengungguli ekstrapolasi linier (linear, biru muda) ketika perbedaan antara perkiraan konvergen dari ⟨ 106⟩ ≠0 terselesaikan dengan baik.   , Magnetisasi (penanda besar) dihitung sebagai rata-rata perkiraan individu ⟨ ⟩ untuk semua qubit (penanda kecil).   , Saat kedalaman sirkuit meningkat, perkiraan yang tidak dimitigasi dari   meluruh secara monoton dari nilai ideal 1. ZNE sangat meningkatkan perkiraan bahkan setelah 20 langkah Trotter (lihat Informasi Tambahan   untuk detail ZNE). θ a G G Z Z G b Zq c Mz II Selanjutnya, kami menguji efektivitas metode kami untuk sirkuit non-Clifford dan titik Clifford  h = π/2, dengan dinamika keterikatan non-trivial dibandingkan dengan sirkuit yang setara dengan identitas yang dibahas pada Gbr.  . Sirkuit non-Clifford sangat penting untuk diuji, karena validitas ekstrapolasi eksponensial tidak lagi dijamin (lihat Informasi Tambahan   dan ref.  ). Kami membatasi kedalaman sirkuit hingga lima langkah Trotter (15 lapis CNOT) dan secara hati-hati memilih observabel yang dapat diverifikasi secara tepat. Gambar   menunjukkan hasil saat  h disapu antara 0 dan π/2 untuk tiga observabel seperti itu dengan bobot yang meningkat. Gambar   menunjukkan   seperti sebelumnya, rata-rata observabel bobot-1 ⟨ ⟩, sedangkan Gambar   menunjukkan observabel bobot-10 dan bobot-17. Operator terakhir adalah stabilisator dari sirkuit pada  h = π/2, diperoleh dengan mengembangkan stabilisator awal  13 dan  58, masing-masing, dari |0⟩⊗127 selama lima langkah Trotter, memastikan nilai ekspektasi yang tidak nol dalam rezim keterikatan kuat yang menarik. Meskipun seluruh sirkuit 127-qubit dieksekusi secara eksperimental, sirkuit light-cone dan depth-reduced (LCDR) memungkinkan simulasi klasik brute-force dari magnetisasi dan operator bobot-10 pada kedalaman ini (lihat Informasi Tambahan  ). Sepanjang rentang sapuan  h, observabel yang dimitigasi menunjukkan kesepakatan yang baik dengan evolusi tepat (lihat Gbr.  ). Namun, untuk operator bobot-17, kerucut cahaya meluas ke 68 qubit, skala di luar simulasi klasik brute-force, jadi kami beralih ke metode jaringan tensor. θ 2 V 31 3 θ 3a Mz Z 3b,c θ Z Z VII θ 3a,b   Per

Part of HackerNoon's growing list of open-source research papers, promoting free access to academic material.

Audio ini diproduksi dalam bahasa asli cerita!

Komputer Kuantum Berisik Ini Menghasilkan Hasil Andal yang Mustahil Disimulasikan Secara Klasik

About Author

KOMENTAR

HANG TAG

ARTIKEL INI DISAJIKAN PADA

Related Stories

THE CAVERNS OF VENUS

THE BEGINNING OF THE SEARCH FOR THE KEY AND THE COAT.

How to biohack your intelligence — with everything from sex to modafinil to MDMA

PROMISES FULFILLED.

THE CAVERNS OF VENUS

THE BEGINNING OF THE SEARCH FOR THE KEY AND THE COAT.

How to biohack your intelligence — with everything from sex to modafinil to MDMA

PROMISES FULFILLED.

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps