Mpanoratra: 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 Famintinana Ny informatika kôntoumika dia mampanantena ny hanome tombony lehibe eo amin'ny hafainganam-pandeha noho ny mpanohitra azy amin'ny kajy mahazatra ho an'ny olana sasany. Na izany aza, ny sakana lehibe indrindra amin'ny fanatontosana ny tanjany feno dia ny tabataba izay efa misy amin'ireo rafitra ireo. Ny vahaolana eken'ny maro ho an'io fanamby io dia ny fampiharana ny sirkuitina kôntoumika mahatohitra fahadisoana, izay tsy azo tratrarina amin'ny processeur ankehitriny. Eto izahay dia nitatitra andrana momba ny processeur 127-qubit misy tabataba ary naneho ny fandrefesana ny sandan'ny andrasana marina ho an'ny volan'ny sirkuitina amin'ny ambaratonga mihoatra ny kajy mahazatra. Milaza izahay fa izany dia maneho porofo momba ny fampiasana ny informatika kôntoumika ao anatin'ny vanim-potoana mialoha ny fahadisoana. Ireo vokatra andrana ireo dia nateraky ny fandrosoana eo amin'ny fihenjanana sy ny fanitsiana ny processeur superconducting amin'io ambaratonga io sy ny fahafahana mamaritra sy mifehy ny tabataba amin'ny fitaovana lehibe toy izany. Niorina ny fahamarinan'ny sandan'ny andrasana refesina izahay tamin'ny fampitahana azy ireo tamin'ny vokatra avy amin'ny sirkuitina azo jerena tsara. Ao amin'ny faritry ny fanelingelenana matanjaka, ny kaonpotera kôntoumika dia manome vokatra marina izay tapaka ny fomba fanaovana kajy tsara indrindra toy ny fomba tambajotran-kofehy madio (matrix product states, MPS) sy 2D (isometric tensor network states, isoTNS) , . Ireo andrana ireo dia mampiseho fitaovana fototra ho an'ny fanatontosana ny fampiharana kôntoumika akaiky , . 1 2 3 4 5 Loharano Efa neken'ny ankamaroany izao fa ny algorithms kôntoumika mandroso toy ny factoring na estimation phase dia mitaky fanitsiana fahadisoana kôntoumika. Na izany aza, be ny adihevitra raha azo atao ny processeur ankehitriny ho azo itokisana ampy mba handefasana sirkuitina kôntoumika fohy kokoa amin'ny ambaratonga iray izay mety hanome tombony amin'ny olana azo ampiharina. Amin'izao fotoana izao, ny fanantenana mahazatra dia ny hoe ny fampiharana na dia ny sirkuitina kôntoumika tsotra aza izay mety hihoatra ny fahaiza-manaon'ny kajy mahazatra dia tsy maintsy miandry mandra-pahatongan'ny processeur mandroso kokoa, mahatohitra fahadisoana. Na eo aza ny fandrosoana goavana eo amin'ny fitaovana kôntoumika tato anatin'ny taona vitsivitsy, ny fetran'ny fahamarinana tsotra dia manohana ity vinavinan'ny fahabangana ity; tombanana fa ny sirkuitina kôntoumika 100 qubits malalaka amin'ny 100 gate-layers lalina ampiasaina amin'ny 0.1% gate error dia manome fahamarinana fanjakana latsaky ny 5 × 10−4. Na izany aza, dia mijanona ny fanontaniana raha azo tratrarina ny toetran'ny fanjakana idealy na dia amin'ny fahamarinana ambany toy izany aza. Ny fomba fampihenana fahadisoana , ho an'ny tombony kôntoumika akaiky amin'ny fitaovana misy tabataba dia mamaly io fanontaniana io, izany hoe, azo atao ny mamokatra sandan'ny andrasana marina avy amin'ny fihodinana maromaro amin'ny sirkuitina kôntoumika misy tabataba amin'ny alàlan'ny fanodinana tsotra. 6 7 8 9 10 Ny tombontsoa kôntoumika dia azo tratrarina amin'ny dingana roa: voalohany, amin'ny fampisehoana ny fahaizan'ny fitaovana efa misy hanao kajy marina amin'ny ambaratonga mihoatra ny simulation tsotra mahazatra, ary faharoa amin'ny fitadiavana olana miaraka amin'ny sirkuitina kôntoumika mifandraika izay mahazo tombony amin'ireo fitaovana ireo. Eto izahay dia mifantoka amin'ny fanaovana ny dingana voalohany ary tsy mikendry ny hampiditra sirkuitina kôntoumika ho an'ny olana misy tombony voaporofo. Mampiasa processeur kôntoumika superconducting misy 127 qubits izahay mba handefasana sirkuitina kôntoumika misy hatramin'ny 60 sosona gates roa-qubit, miisa 2.880 CNOT gates. Ny sirkuitina kôntoumika ankapobeny amin'io habeny io dia mihoatra ny azo atao amin'ny fomba tsotra mahazatra. Noho izany, mifantoka voalohany amin'ny tranga fitsapana manokana amin'ny sirkuitina izahay izay mamela ny fanamarinana tsotra ny sandan'ny andrasana refesina. Avy eo dia mifindra amin'ny faritry ny sirkuitina sy ny observables izahay izay mahasarotra ny simulation tsotra ary mampitaha amin'ny vokatra avy amin'ny fomba fanombanana tsotra tsara indrindra. Ny sirkuitina benchmark-nay dia ny fivoaran'ny fotoana Trotterized an'ny 2D transverse-field Ising model, izay mizara ny topology amin'ny processeur qubit (Sary ). Ny modelina Ising dia miseho betsaka amin'ny faritra maro amin'ny fizika ary nahita fanitarana noforonin'ny olona tamin'ny simulation vao haingana nitady ny trangan'ny maro-body kôntoumika, toy ny time crystals , , quantum scars ary Majorana edge modes . Amin'ny maha fitsapana ny fampiasana ny kajy kôntoumika, na izany aza, ny fivoaran'ny fotoana amin'ny 2D transverse-field Ising model dia tena misy ifandraisany amin'ny fetran'ny fanitarana fanelingelenana lehibe izay sarotra ny fomba fanombanana tsotra azo ampiharina. 1a 11 12 13 14 , Ny dingana Trotter tsirairay amin'ny simulation Ising dia ahitana rotations X tokana sy ZZ roa-qubit. Ny gates Pauli kisendrasendra dia ampidirina mba hanodina (spiral) sy hifehy ny tabataban'ny sosona CNOT tsirairay. Ny dagger dia manondro ny conjugation amin'ny sosona idealy. , Ny sosona telo-lalana CNOT dia ampy mba hahatratrarana fifandraisana eo amin'ny mpifanolo-bodirindrina rehetra amin'ny ibm_kyiv. , Ny andrana famaritana dia mianatra tsara ny tahan'ny Pauli error eo an-toerana λl,i (tohatra miloko) izay mamorona ny Pauli channel Λl mifandraika amin'ny sosona CNOT misy fihodinana l. (Sary nampitomboina ao amin'ny Fampahalalana Fanampiny ). , Ny errors Pauli ampidirina amin'ny tahan'ny proportional dia azo ampiasaina mba hanafoana (PEC) na hanamafy (ZNE) ny tabataba anatiny. a b c IV.A d Indrindra indrindra, mandinika ny dinamika fotoana amin'ny Hamiltonian izahay, izay J > 0 dia ny fifandraisana amin'ny spins mifanolo-bodirindrina miaraka amin'ny i < j ary h dia ny saha transverse global. Ny dinamika spin avy amin'ny fanjakana voalohany dia azo simika amin'ny alàlan'ny decomposition Trotter voalohany amin'ny operator fivoaran'ny fotoana, izay ny fotoam-pivoarana T dia voasoratra anarana ho T/δt Trotter steps ary sy dia ZZ sy X rotation gates, tsirairay avy. Tsy raharahanay ny fahadisoan'ny modelina vokatry ny Trotterization ary noho izany dia raisina ho idealy ny sirkuitina Trotterized ho an'ny fanoharanana tsotra rehetra. Ho an'ny fahatsorana andrana, mifantoka amin'ny tranga θJ = −2Jδt = −π/2 izahay ka ny rotation ZZ dia mitaky CNOT iray ihany, izay ny fitoviana dia mitranga hatramin'ny fizarana global. Ao amin'ny sirkuitina vokatr'izany (Sary ), ny dingana Trotter tsirairay dia mitovy amin'ny sosona rotation tokana-qubit, RX(θh), arahana sosona parallelized rotation roa-qubit, RZZ(θJ). 1a Ho an'ny fampiharana andrana, dia nampiasa ny processeur kôntoumika superconducting IBM Eagle ibm_kyiv izahay, izay ahitana 127 transmon qubits misy fanamboarana maharitra miaraka amin'ny fampifandraisana heavy-hex ary fotoana fihenjanana T1 sy T2 eo ho eo amin'ny 288 μs sy 127 μs, tsirairay avy. Ireo fotoam-pivoarana ireo dia tsy mbola nisy toy izany ho an'ny processeur superconducting amin'io ambaratonga io ary mamela ny halalin'ny sirkuitina tratrarina amin'ity asa ity. Ny gates CNOT roa-qubit eo anelanelan'ny mpifanolo-bodirindrina dia atao amin'ny alàlan'ny fanitsiana ny fifandraisana cross-resonance . Satria ny qubit tsirairay dia manana mpifanolo-bodirindrina telo farafahabetsany, ny fifandraisana ZZ rehetra dia azo atao amin'ny sosona telo amin'ny gates CNOT parallelized (Sary ). Ny gates CNOT ao anatin'ny sosona tsirairay dia nitsitsy mba hanao asa miaraka amin'ny tsara indrindra (jereo ho an'ny antsipiriany bebe kokoa). 15 16 1b Fomba Ankehitriny dia mahita isika fa ireo fanatsarana ny fahombiazan'ny fitaovana ireo dia mamela olana lehibe kokoa ho tratrarina tsara amin'ny fampihenana fahadisoana, raha oharina amin'ny asa vao haingana , amin'ity sehatra ity. Ny probabilistic error cancellation (PEC) dia naseho fa tena mahomby amin'ny fanomezana fanombanana tsy miangatra momba ny observables. Ao amin'ny PEC, ny modely tabataba misy solontena dia ianarana ary ampidina tsara amin'ny alàlan'ny fampivoahana avy amin'ny fizarana ny sirkuitina misy tabataba mifandraika amin'ny modely nianarana. Na izany aza, ho an'ny tahan'ny fahadisoana ankehitriny amin'ny fitaovanay, ny fandaniana amin'ny fampivoahana ho an'ny volan'ny sirkuitina nandinika tamin'ity asa ity dia mbola mametraka, araka ny voalaza eto ambany. 1 17 9 1 Noho izany dia mifamadika amin'ny zero-noise extrapolation (ZNE) , , , , izay manome estimator biased amin'ny vidin'ny fampivoahana ambany kokoa. Ny ZNE dia mety ho fomba fanitarana polynomial , na exponential ho an'ny sandan'ny andrasana misy tabataba ho fiasan'ny parametre tabataba. Izany dia mitaky ny fampitomboana ny tabataban'ny fitaovana anatiny amin'ny lafin-javatra fantatra G mba hanitarana amin'ny sandan'ny idealy G = 0. Ny ZNE dia nampiasaina betsaka ampahany satria ny fomba fampitomboana tabataba mifototra amin'ny fanitarana pulse , , na fampahafantarana ny subcircuit , , dia nandresy ny filana famaritana tsara ny tabataba, raha miantehitra amin'ny fiheverana tsotra momba ny tabataban'ny fitaovana. Na izany aza, ny fampitomboana tabataba tsara kokoa dia mety hahafahana mampihena be ny bias amin'ny estimator nitarina, araka ny asehonay eto. 9 10 17 18 9 10 19 9 17 18 20 21 22 Ny modely tabataba Pauli–Lindblad somary voalaza ao amin'ny ref. 1 dia mifanaraka tsara amin'ny fampidirana endrika tabataba ao amin'ny ZNE. Ny modely dia mitaky endrika , izay dia Lindbladian iray ahitana Pauli jump operators Pi voalanjalanja amin'ny tahan'ny λi. Naseho tao amin'ny ref. 1 fa ny famerana ny jump operators izay miasa amin'ny mpivady qubits eo an-toerana dia mamorona modely tabataba somary azo ianarana amin'ny fomba mahomby ho an'ny qubits maro ary mandrakotra tsara ny tabataba mifandraika amin'ny sosona gates Clifford roa-qubit, anisan'izany ny crosstalk, rehefa ampiarahina amin'ny Pauli twirls kisendrasendra , . Ny sosona misy tabataba amin'ny gates dia modely ho toy ny andiana gates idealy arahana fChannel Pauli Λ. Noho izany, ny fampiharana Λα alohan'ny sosona misy tabataba dia mamokatra fChannel Pauli ankapobeny ΛG miaraka amin'ny tombony G = α + 1. Noho ny endrika exponential amin'ny modely tabataba Pauli–Lindblad, ny sarintany dia azo amin'ny alàlan'ny fampitomboana fotsiny ny tahan'ny Pauli λi amin'ny α. Ny sarintany Pauli vokatr'izany dia azo avy amin'ny alàlan'ny fampivoahana mba hahazoana sirkuitina ohatra; ho an'ny α ≥ 0, ny sarintany dia fChannel Pauli azo avy amin'ny fampivoahana mivantana, raha ho an'ny α < 0, dia ilaina ny fampivoahana quasi-probabilistic miaraka amin'ny fandaniana amin'ny fampivoahana γ−2α ho an'ny γ manokana momba ny modely. Ao amin'ny PEC, misafidy α = -1 izahay mba hahazoana ambaratonga tabataba zero ankapobeny. Ao amin'ny ZNE, kosa izahay dia mampitombo ny tabataba , , , ho an'ny ambaratonga tombony samihafa ary manombana ny fetran'ny zero-noise amin'ny alàlan'ny fanitarana. Ho an'ny fampiharana azo ampiharina, mila mandinika ny fahamarinan'ny modely tabataba nianarana izahay miaraka amin'ny fotoana (Fampahalalana Fanampiny ), ohatra, noho ny fifandraisana qubit amin'ny defekta mikroskopika miovaova fantatra amin'ny anarana hoe two-level systems . 23 24 10 25 26 27 III.A 28 Ny sirkuitina Clifford dia miasa ho benchmarks mahasoa amin'ny fanombanana vokatra avy amin'ny fampihenana fahadisoana, satria azo simika tsara izy ireo . Indrindra indrindra, ny sirkuitina Trotter Ising manontolo dia lasa Clifford rehefa ny θh dia voafantina ho maromaro amin'ny π/2. Amin'ny maha ohatra voalohany, noho izany dia mametraka ny saha transverse ho zero (RX(0) = I) ary mampivoatra ny fanjakana voalohany |0⟩⊗127 (Sary ). Ny gates CNOT dia tsy manova io fanjakana io, ka ny observables lanja-1 Zq rehetra dia manana sandan'ny andrasana 1; noho ny fihodinana Pauli amin'ny sosona tsirairay, ny CNOTs miboridana dia misy fiantraikany amin'ny fanjakana. Ho an'ny andrana Trotter tsirairay, nanamarina voalohany ny modely tabataba Λl ho an'ny sosona CNOT telo misy fihodinana Pauli (Sary ) izahay ary avy eo nampiasa ireo modely ireo mba hampiditra sirkuitina Trotter miaraka amin'ny ambaratonga tombony amin'ny tabataba G ∈ {1, 1.2, 1.6}. Ny Sary dia mampiseho ny fanombanana an'ny ⟨Z106⟩ taorian'ny dingana Trotter efatra (12 sosona CNOT). Ho an'ny G tsirairay, namorona sirkuitina ohatra 2,000 izahay izay, alohan'ny sosona tsirairay l, nampidirinay ny vokatra avy amin'ny Pauli errors tokana-qubit sy roa-qubit i avy amin'ny voasoritra miaraka amin'ny mety 1 − wi ary nanao ny ohatra tsirairay 64 heny, miisa 384,000 fandidiana. Rehefa miangona ny ohatra betsaka kokoa, ny fanombanana ny ⟨Z106⟩G, mifandraika amin'ny tombony samihafa G, dia mifamatotra amin'ny sandany miavaka. Ny fanombanana samihafa dia avy eo ampidirina amin'ny fiasan'ny fanitarana mba hanombanana ny sandan'ny idealy ⟨Z106⟩0. Ny vokatra ao amin'ny Sary dia manasongadina ny bias mihena avy amin'ny fanitarana exponential raha oharina amin'ny fanitarana linear. Na izany aza, ny fanitarana exponential dia mety mampiseho tsy fahatomombanana, ohatra, rehefa ny sandan'ny andrasana dia tsy azo atokana akaikin'ny zero, ary — amin'ny tranga toy izany — dia miverimberina mampihena ny hatsaran-tarehin'ny modely fanitarana izahay (jereo ny Fampahalalana Fanampiny ). Ny fomba voalaza ao amin'ny Sary dia nampiharina tamin'ny vokatra fandrefesana avy amin'ny qubit tsirairay q mba hanombanana ny Pauli expectations N = 127 rehetra ⟨Zq⟩0. Ny fiovaova eo amin'ny observables tsy voatsitsy sy voatsitsy ao amin'ny Sary dia manondro ny tsy fitoviana amin'ny tahan'ny fahadisoana manerana ny processeur manontolo. Ny magnetization global manaraka ny , , ho an'ny halalin'ny fitomboana ao amin'ny Sary . Na dia ny vokatra tsy voatsitsy aza dia mampiseho fihenan-tsasatra tsikelikely avy amin'ny 1 miaraka amin'ny elanelana mitombo ho an'ny sirkuitina lalina kokoa, ny ZNE dia manatsara be ny fifanarahana, na dia misy bias kely aza, amin'ny sandan'ny idealy na dia hatramin'ny dingana Trotter 20, na halalin'ny CNOT 60 aza. Marihina fa ny isan'ny santionany ampiasaina eto dia kely lavitra noho ny fanombanana ny fandaniana amin'ny fampivoahana izay ho ilaina amin'ny fampiharana PEC tsotra (jereo ny Fampahalalana Fanampiny ). Amin'ny fitsipika, io elanelana io dia mety ho mampihena be amin'ny alàlan'ny fampiharana PEC mandroso kokoa amin'ny fampiasana light-cone tracing na amin'ny fanatsarana ny tahan'ny fahadisoan'ny fitaovana. Rehefa ny fandrosoana amin'ny fitaovana sy rindrambaiko amin'ny ho avy dia mampihena ny vidin'ny fampivoahana, ny PEC dia mety ho tiana rehefa azo vidina mba hialana amin'ny toetra mety hitongilanan'ny ZNE. 29 1a 1 1c 2a 2a 19 II.B 2a 2b 2c IV.B 30
