Mualliflar: 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 Abstrakt Kvant kompyuterlash muayyan muammolar uchun klassik hamkasbiga nisbatan sezilarli tezlashuvni taklif qilishi mumkin. Biroq, uning toʻliq potentsialini amalga oshirishdagi eng katta toʻsiq ushbu tizimlarga xos boʻlgan shovqinlardir. Ushbu muammoga keng tarqalgan yechim nosozliklarga chidamli kvant sxemalarini amalga oshirishdir, bu esa joriy protsessorlar uchun qoʻl yetmasdir. Bu yerda biz shovqinli 127 kubitli protsessor ustida tajribalar oʻtkazayotganimizni va brutto-kuch klassik hisoblashdan tashqari miqyosda sxema hajmlari uchun aniq kutish qiymatlarini oʻlchashni namoyish etayotganimizni xabar qilamiz. Biz ushbu dalillarning nosozliklarga chidamlilikdan oldingi davrda kvant kompyuterlashning foydaliligini koʻrsatadi, deb hisoblaymiz. Ushbu eksperimental natijalar bunday miqyosdagi superoʻtkazuvchi protsessorning mukammalligi va shovqinni boshqarish qobiliyatidagi yutuqlar bilan ta'minlanadi. Biz aniq tekshiriladigan sxemalar natijalari bilan solishtirish orqali oʻlchangan kutish qiymatlarining aniqligini tasdiqlaymiz. Kuchli tortishish rejimida kvant kompyuter sof holatga asoslangan 1D (matritsa mahsulot holatlari, MPS) va 2D (izometrik tensor tarmogʻi holatlari, isoTNS) tensor tarmogʻi usullari kabi etakchi klassik approksimatsiyalarning buzilgan joylari uchun toʻgʻri natijalarni beradi. Ushbu eksperimentlar yaqin muddatli kvant dasturlarining amalga oshirilishi uchun asosiy vositani namoyish etadi. Asosiy Faktorlash yoki fazani baholash kabi ilgʻor kvant algoritmlari kvant xatosini tuzatishni talab qiladi, deb deyarli universal ravishda qabul qilinadi. Biroq, hozirgi vaqtda mavjud boʻlgan protsessorlar amaliy muammolar uchun qisqa chuqurlikdagi boshqa kvant sxemalarini qochimsiz ishga tushirish uchun etarlicha ishonchli boʻlishi mumkinmi, degan savol qizgʻin muhokama qilinadi. Shu nuqtada, klassik imkoniyatlardan ustun boʻlishi mumkin boʻlgan hatto oddiy kvant sxemalarini amalga oshirish ham ilgʻor, nosozliklarga chidamli protsessorlar paydo boʻlguncha kutish kerak boʻladi, degan an'anaviy taxmin mavjud. Soʻnggi yillarda kvant apparatlarida katta yutuqlarga qaramay, oddiy aniqlik chegaralari ushbu qorongʻ bashoratni qoʻllab-quvvatlaydi; 0,1% darvoza xatosi bilan bajarilgan 100 kubit kenglikdagi va 100 darvoza qatlamli chuqurlikdagi kvant sxemasi 5 × 10−4 dan kam holat aniqligini beradi, deb taxmin qilinadi. Shu bilan birga, bunday past aniqliklar bilan ham ideal holatning xususiyatlariga erishish mumkinmi, degan savol qoladi. Nosoz qurilmalarda yaqin muddatli kvant ustunligiga erishish uchun xatolarni kamaytirish yondashuvi aynan shu savolga javob beradi, ya'ni klassik post-ishlov berish yordamida nosoz kvant sxemasini bir necha marta ishga tushirish orqali aniq kutish qiymatlarini olish mumkin. Kvant ustunligiga ikki bosqichda erishish mumkin: birinchidan, mavjud qurilmalarning brutto-kuch klassik simulyatsiyasidan tashqari miqyosda aniq hisob-kitoblarni amalga oshirish qobiliyatini namoyish qilish orqali va ikkinchidan, ushbu qurilmalardan foyda oladigan tegishli kvant sxemalari bilan muammolarni topish orqali. Bu yerda biz birinchi qadamni qoʻyishga e'tibor qaratamiz va klassik approksimatsiyalarga nisbatan ustunligi isbotlangan muammolar uchun kvant sxemalarini amalga oshirishni maqsad qilmaymiz. Biz 127 kubitli superoʻtkazuvchi kvant protsessoridan foydalanamiz va 60 qatlamgacha boʻlgan ikki kubitli darvozalarni, jami 2880 CNOT darvozasini oʻz ichiga olgan kvant sxemalarini ishga tushiramiz. Bunday kattalikdagi umumiy kvant sxemalari brutto-kuch klassik usullari bilan amalga oshirish mumkin boʻlganidan tashqari. Shu sababli, biz birinchi navbatda oʻlchangan kutish qiymatlarining aniq klassik verifikatsiyasini ta'minlaydigan sxemalarning oʻziga xos sinov holatlariga e'tibor qaratamiz. Keyin biz klassik simulyatsiya qiyinlashadigan sxema rejimlariga va kuzatiladiganlarga murojaat qilamiz va eng zamonaviy approksimativ klassik usullar natijalari bilan solishtiramiz. Bizning benchmark sxemamiz - bu kubit protsessorining topologiyasiga mos keladigan 2D koʻndalang maydonli Ising modeli ning Trotterized vaqt evolyutsiyasidir (1-rasm a). Ising modeli fizikaning bir necha sohalarida keng tarqalgan va vaqt kristallari, kvant izlari va Majorana chekka rejimlar kabi kvant koʻp jism hodisalarini oʻrganuvchi soʻnggi simulyatsiyalarda ijodiy kengayishlarni topgan. Biroq, kvant hisoblashning foydaliligini sinash sifatida, 2D koʻndalang maydonli Ising modelining vaqt evolyutsiyasi katta tortishish oʻsishi chegarasida eng dolzarb boʻlib, u yerda masshtablanadigan klassik approksimatsiyalar qiyinlashadi. , Ising simulyatsiyasining har bir Trotter qadami bir kubitli X va ikki kubitli ZZ aylanishlarini oʻz ichiga oladi. Har bir CNOT qatlamining shovqinini boshqariladigan tarzda masshtablash va aylantirish uchun tasodifiy Pauli darvozalari kiritiladi. Belgi ideal qatlam tomonidan konjugatsiyani bildiradi. , Ibma_kyivda barcha qoʻshni juftliklar orasidagi oʻzaro ta'sirlarni amalga oshirish uchun uchta 1-qatlamli CNOT darvozalari etarli. , Xarakterlash tajribalari mahalliy Pauli xato stavkalarini λl,i ni samarali oʻrganadi (rang shkalasi), bu l-inchi twirled CNOT qatlamiga tegishli umumiy Pauli kanal Λl ni tashkil qiladi. (Rasm qoʻshimcha ma'lumotlarda kengaytirilgan IV.A). , Proporsional stavkalarda kiritilgan Pauli xatolarini yoki dovul shovqinini bekor qilish (PEC) yoki kuchaytirish (ZNE) uchun ishlatish mumkin. a b c d Xususan, biz Hamiltonianning vaqt dinamikasini koʻrib chiqamiz, bu yerda J > 0 eng yaqin qoʻshni spinlarning ulanishi boʻlib, i < j va h global koʻndalang maydon. Boshlang'ich holatdan spin dinamikasini vaqt-evolütsiya operatorining birinchi tartibli Trotter dekompozitsiyasidan foydalanib simulyatsiya qilish mumkin, bu yerda evolyutsiya vaqti T, T/δt Trotter qadamlariga diskretlashtirilgan va ZZ va X aylanish darvozalari mos ravishda sanaladi. Biz Trotterizatsiya natijasidagi model xatosiga ahamiyat bermaymiz va shuning uchun Trotterizatsiya qilingan sxemani har qanday klassik taqqoslash uchun ideal deb hisoblaymiz. Tajriba soddaligi uchun biz θJ = -2Jδt = -π/2 holatiga e'tibor qaratamiz, shuning uchun ZZ aylanishi faqat bitta CNOTni talab qiladi, bu yerda tenglik global fazagacha saqlanadi. Natijada chiqqan sxemada (1-rasm a), har bir Trotter qadami bir kubitli aylanishlar, RX(θh) qatlamiga, keyin parallel ikki kubitli aylanishlar, RZZ(θJ) qatlamlariga toʻgʻri keladi. Tajribaviy amalga oshirish uchun biz asosan 127 ta doimiy chastotali transmon kubitidan iborat ibm_kyiv superoʻtkazuvchi kvant protsessoridan foydalandik, ular ogʻir olti burchakli ulanish va oʻrtacha T1 va T2 vaqtlari mos ravishda 288 μs va 127 μs ga teng. Ushbu spoylanish vaqtlari bunday miqyosdagi superoʻtkazuvchi protsessorlar uchun misli koʻrilmagan va ushbu ishda erishilgan sxema chuqurliklariga imkon beradi. Qoʻshni kubitlar orasidagi ikki kubitli CNOT darvozalari xoch rezonans interfeysi kalibrlash orqali amalga oshiriladi. Har bir kubitning uchta qoʻshnidan koʻp boʻlmaganligi sababli, barcha ZZ oʻzaro ta'sirlari uch qatlamli parallel CNOT darvozalari yordamida amalga oshirilishi mumkin (1-rasm b). Har bir qatlamdagi CNOT darvozalari optimal bir vaqtda ishlash uchun kalibrlanadi (batafsil ma'lumot uchun Metodlar boʻlimiga qarang). Endi biz ushbu apparat ishlashining yaxshilanishlari, hatto kattaroq muammolarni ham xatolarni kamaytirish bilan muvaffaqiyatli bajarishga imkon berishini koʻramiz, bu esa ushbu platformada olib borilgan soʻnggi ishlar bilan taqqoslaganda. Ehtimoliy xatolarni bekor qilish (PEC) kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan kuzatiladigan 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