Новый протокол, получивший название deterministic benchmarking (DB), предоставляет более подробный и эффективный метод идентификации конкретных типов квантовых шумов и ошибок по сравнению с широко используемыми существующими методами.

"Квантовые вычисления в конечном счете ограничены тем, насколько точно мы можем реализовать gates - основные операции квантового процессора", - сказал Дэниел Лидар, соавтор исследования и профессор электротехники и вычислительной техники, химии, физики и астрономии в инженерной школе USC Viterbi и колледже USC Dornsife. о литературе, искусствах и науках. "Наш новый протокол может идентифицировать как согласованные, так и некогерентные типы ошибок, используя всего несколько простых экспериментов, что делает его намного более эффективным, чем существующие подходы".

Квантовые элементы и ошибки

Квантовые вычисления могут обладать потенциалом решения сложных задач, которые недоступны традиционным, или классическим, компьютерам. Однако точность квантовых вычислений сильно зависит от производительности квантовых вентилей, которые подвержены ошибкам из-за шума и неправильной калибровки.

Квантовые вентили выполняют операции с кубитами, которые являются квантовым эквивалентом классических компьютерных битов; они необходимы для построения квантовых алгоритмов и являются фундаментальными строительными блоками квантовых схем и квантовых вычислений. Они позволяют квантовым компьютерам выполнять алгоритмы, которые экспоненциально быстрее алгоритмов, выполняемых на классических компьютерах для определенных задач.

Однако квантовые элементы чувствительны к шуму и ошибкам, поэтому сравнительный анализ и исправление ошибок являются важнейшими областями исследований в области квантовых вычислений. Две основные категории - это когерентные и некогерентные ошибки. Когерентные ошибки - это детерминированные и повторяемые ошибки, которые сохраняют чистоту квантового состояния. Когерентные ошибки накапливаются в виде амплитуд (а не вероятностей), что потенциально приводит к квадратично более быстрому накоплению ошибок, чем некогерентные ошибки.

Некогерентные ошибки - это категория ошибок, возникающих в результате взаимодействия квантовых систем с окружающей средой; эти ошибки лишают квантовые компьютеры их квантовости, в результате чего они работают не лучше классических компьютеров.

Физики недавно осознали важную роль, которую когерентные ошибки играют в ограничении производительности квантового компьютера. Эли Левенсон-Фальк, соавтор исследования и доцент кафедры физики и астрономии, электротехники и вычислительной техники в Калифорнийском университете в Дорнсайфе, подчеркивает важность точного сравнительного анализа ошибок затвора.

"Уникальность нашего подхода заключается в том, что он позволяет четко различать различные типы квантовых ошибок", - говорит Левенсон-Фальк. "Это крайне важно, потому что определенные типы ошибок, особенно когерентные ошибки, могут быть более разрушительными для квантовых алгоритмов и требуют различных стратегий смягчения последствий".

Детерминированный сравнительный анализ повышает эффективность

Квантовые тесты - это набор протоколов и методов, используемых для оценки производительности всего квантового компьютера, который включает в себя его элементы, схемы и процессоры. Эти протоколы имеют решающее значение для разработки и оптимизации технологий квантовых вычислений, поскольку обеспечивают количественные показатели того, насколько хорошо выполняются квантовые операции в присутствии шума и ошибок.

Лидар, который занимает преподавательские должности в инженерной школе USC Viterbi и колледже литературы, искусств и наук USC Dornsife, сказал, что детерминированный бенчмаркинг (DB) является значительным достижением в квантовых вычислениях, поскольку он детерминирован и эффективен. В отличие от других методов сравнительного анализа, DB использует небольшой фиксированный набор простых последовательностей пар импульсов, а не усреднение по случайным цепям.

Исследователи сказали, что ключом к пониманию прорыва DB является сравнение его с рандомизированным сравнительным анализом (RB), широко используемым методом оценки средней частоты ошибок квантовых вентилей. В отличие от RB, который усредняет множество последовательностей случайных элементов для получения единой метрики ошибок, DB использует разработанные последовательности для обнаружения конкретных источников ошибок, которые остаются незамеченными при использовании RB.

Новый метод открывает возможности для достижений в квантовой химии, материаловедении

Исследователи продемонстрировали DB на сверхпроводящем кубите transmon - широко используемом типе сверхпроводящего кубита в квантовых вычислениях - чтобы продемонстрировать его способность обнаруживать небольшие изменения параметров кубита, которые невидимы для стандартных методов сравнительного анализа.

"Проведя несколько экспериментов, мы продемонстрировали разнообразие возможностей DB", - сказал Лидар. Он сказал, что выдающаяся способность DB заключается в том, что она предоставляет подробную информацию как о когерентных, так и о некогерентных ошибках, позволяя улучшить калибровку квантовых затворов. DB также требует меньшего количества экспериментальных запусков, чем RB, что повышает эффективность использования ресурсов.

Исследование имеет значительные последствия для приложений квантовой химии и материаловедения, где точные операции с затворами необходимы для достижения надежного моделирования молекулярных систем.

Исследователи планируют изучить способы расширения базы данных до двухкубитных вентилей, что может привести к созданию более сложных квантовых схем. Кроме того, они исследуют, как DB может быть адаптирована к другим платформам квантовых вычислений, помимо сверхпроводящих кубитов, таким как захваченные ионы и фотонные системы.

Это исследование было поддержано Национальным научным фондом, грантом Quantum Leap Big Idea № OMA-1936388, грантом Армейского исследовательского управления MURI № W911NF-22-S-0007 и деятельностью по перспективным исследовательским проектам разведки (IARPA) в рамках Соглашения о сотрудничестве № W911NF- 23-2-0216.