DE102020008010B4 - Procedure for reducing errors in a quantum computer - Google Patents
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Abstract
Es ist bereits bekannt, dass Quantencomputer zur Simulation von Materialien und Molekülen eingesetzt werden können. Allerdings sind Quantencomputer fehleranfällig und weisen ein intrinsisches Rauschen auf, welches bisher die echte technische Anwendung von Quantencomputern unmöglich macht. Aus dem Stand der Technik sind bereits Ansätze bekannt, welche es trotz der Fehleranfälligkeit erlaubt, sinnvolle Simulationen quantenmechanischer Systeme zu erschaffen, jedoch bleiben die Fehler weiterhin vorhanden.Die Erfindung erlaubt es nunmehr darauf aufbauend zum Einen, die Fehler zu reduzieren, zum Anderen die Fehler als Teil der Simulation mit einzubeziehen. Außerdem ermöglicht es die Erfindung, die Wirkung des intrinsischen Rauschens zu hemmen. Dadurch wird die technische Anwendbarkeit von Quantencomputern zur Simulation von Materialien und Molekülen weiter verbessert.It is already known that quantum computers can be used to simulate materials and molecules. However, quantum computers are prone to errors and have an intrinsic noise, which so far has made the real technical application of quantum computers impossible. Approaches are already known from the prior art which, despite the susceptibility to errors, make it possible to create meaningful simulations of quantum mechanical systems, but the errors still exist. The invention now allows, building on this, to reduce errors on the one hand and errors on the other to be included as part of the simulation. In addition, the invention makes it possible to inhibit the effect of intrinsic noise. This further improves the technical applicability of quantum computers for simulating materials and molecules.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation eines quantenmechanischen Systems mithilfe eines Quantencomputers, welcher eine Mehrzahl von Qubits aufweist, wobei zunächst ein quantenmechanisches Modell des quantenmechanischen Systems auf Qubits des Quantencomputers abgebildet und auf diesem simuliert wird und im Rahmen einer Auswertung der Simulation Simulationsergebnisse durch Messungen des Quantencomputers extrahiert werden.The present invention relates to a method for simulating a quantum mechanical system with the aid of a quantum computer which has a plurality of qubits, a quantum mechanical model of the quantum mechanical system first being mapped onto qubits of the quantum computer and being simulated thereon and, as part of an evaluation of the simulation, simulation results using measurements of the quantum computer can be extracted.
Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der
Auf der Basis solcher Überlegungen wird jedoch weiter daran gearbeitet, Berechnungen mit Quantencomputern zuverlässiger zu machen. Ein Quantencomputer ist ein technisch gut gesteuertes Quantensystem, dessen Berechnung auf der Nutzung der Gesetze der Quantenmechanik basiert. Die grundlegende Einheit des Quantencomputers ist das Quantenbit, das so genannte Qubit. Wie das bekannte klassische Bit kann das Qubit die Werte 0 und 1 annehmen. Der Hauptunterschied zu den klassischen Zuständen besteht darin, dass der Quantenspeicher in jeder beliebigen Überlagerung der möglichen Bitfolgen liegen kann. Daraus folgt, dass ein Quantenregister aus N Qubits die Information von 2N Variablen kodiert. Ein ausreichend großer und gut funktionierender Quantencomputer kann zur Lösung bestimmter mathematischer Probleme verwendet werden, die für klassische Computer unlösbar sind. Zu solchen Problemen gehören auch Simulationen anderer quantenmechanischer Systeme.On the basis of such considerations, however, work is continuing to make calculations with quantum computers more reliable. A quantum computer is a technically well-controlled quantum system, the calculation of which is based on the use of the laws of quantum mechanics. The basic unit of the quantum computer is the quantum bit, the so-called qubit. Like the well-known classic bit, the qubit can take the
Allerdings gibt es viele technische Schwierigkeiten beim Bau eines großen Quantencomputers. Die Hauptschwierigkeit besteht in der Isolierung eines Quantencomputers von einer verrauschten Umgebung. Nicht alle Rauschquellen sind bekannt und als solche quantifizierbar. Zu diesen gehören auch Nicht-Gleichgewichtszustände von Hardware-Materialien, Verunreinigungen, die während des Herstellungsprozesses entstehen, lokale Fluktuatoren, die zwischen verschiedenen Materialien während des Herstellungsprozesses entstehen, und thermische Restanregungen.However, there are many technical difficulties in building a large quantum computer. The main difficulty is isolating a quantum computer from a noisy environment. Not all noise sources are known and as such are quantifiable. These also include non-equilibrium states of hardware materials, impurities that arise during the manufacturing process, local fluctuations that arise between different materials during the manufacturing process, and residual thermal excitations.
Die Wirkung des Rauschens auf die Quantensimulation kann durch seine Dekohärenzrate γ charakterisiert werden. Diese ergibt eine charakteristische Zeit tlost = 1/γ, in der die in einem Qubit gespeicherte Information verloren geht. Das Rauschen und die entsprechende Dekohärenzrate werden normalerweise weiter in zwei spezifische Teile unterteilt, wobei der eine Teil zum Qubit-Zerfall mit der Rate γdec der andere Teil zur Qubit-Dephasierung mit Rate γdep führt. Gegenwärtig wird das Rauschen in supraleitenden Quantencomputern durch den Qubit-Zerfall dominiert, während in lonenfallen-Quantencomputern eine Qubit-Dephasierung stattfindet.The effect of the noise on the quantum simulation can be characterized by its decoherence rate γ. This results in a characteristic time t lost = 1 / γ in which the information stored in a qubit is lost. The noise and the corresponding decoherence rate are normally further divided into two specific parts, one part leading to the qubit decay at rate γ dec, the other part leading to qubit dephasing at rate γ dep . At present, the noise in superconducting quantum computers is dominated by qubit decay, while qubit dephasing takes place in ion trap quantum computers.
Eine sehr vielversprechende Anwendung von kleinen Quantencomputern ist die Simulation anderer quantenmechanischer Systeme. Tatsächlich kann gezeigt werden, dass Algorithmen zur Quantensimulation selbst für eine kleine Anzahl von Qubits schneller sein können als jeder klassische Computer.A very promising application of small quantum computers is the simulation of other quantum mechanical systems. In fact, it can be shown that quantum simulation algorithms can be faster than any classic computer, even for a small number of qubits.
Aus der Veröffentlichung von
Weiterhin offenbart die Publikation von
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Simulation eines quantenmechanischen Systems zu schaffen, welches die Vorteile der Quantenmechanik für die Simulation nutzt, gleichzeitig aber die Fehleranfälligkeit dieser Systeme senkt.Against this background, the present invention is based on the object of creating a method for simulating a quantum mechanical system which uses the advantages of quantum mechanics for the simulation, but at the same time reduces the susceptibility of these systems to errors.
Dies gelingt durch ein Verfahren zur Simulation eines quantenmechanischen Systems gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Sinnvolle Ausgestaltungen eines solchen Verfahrens können den sich anschließenden abhängigen Ansprüchen entnommen werden.This is achieved by a method for simulating a quantum mechanical system according to the features of
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass zur Simulation eines quantenmechanischen Systems dieses zunächst auf die Qubits eines Quantencomputers abgebildet und im Folgenden dann auf diesem simuliert wird. Im Rahmen einer Auswertung dieser Simulation werden schließlich Messungen an den Qubits durchgeführt und hierdurch die Simulationsergebnisse aus dem Quantencomputer extrahiert. Um in diesem Zusammenhang Fehler möglichst weitgehend auszuschließen ist es vorgesehen, bekannte und neue Verfahren zur Fehlerreduktion einander ergänzend anzuwenden, so dass deren Effekte zu einer möglichst umfassenden Reduktion des Effekts verschiedener Rauschquellen einschließlich des Eigenrauschens des Quantencomputers selbst führen.According to the invention, it is provided that, in order to simulate a quantum mechanical system, this is first mapped onto the qubits of a quantum computer and then subsequently simulated on this. As part of an evaluation of this simulation, measurements are finally carried out on the qubits and the simulation results are thereby extracted from the quantum computer. In order to exclude errors as far as possible in this context, it is provided that known and new methods for error reduction complement one another, so that their effects lead to the most comprehensive possible reduction in the effect of various noise sources, including the intrinsic noise of the quantum computer itself.
Insbesondere werden hierfür drei Mechanismen eingesetzt, die in verschiedenen Varianten vorgeschlagen und eingesetzt werden. Diese sind zunächst die Fehlerreduzierung durch die geschickte Wahl einer Qubit-Basis, die Fehlerreduzierung durch Extrapolation, bei der das Ergebnis der Simulation bei verschieden starken Fehlerraten gemessen und das fehlerfreie Ergebnis durch Extrapolieren ermittelt wird, sowie die Temperaturregelung durch Einführung eines effektiven Thermostats, wobei ein oder mehrere Qubits genutzt werden, um eine effektive Temperatur im simulierten System zu erzeugen. Mehrere dieser Vorgehensweisen werden im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert.In particular, three mechanisms are used for this, which are proposed and used in different variants. These are first of all error reduction through the clever choice of a qubit base, error reduction through extrapolation, in which the result of the simulation is measured at different error rates and the error-free result is determined through extrapolation, and temperature control through the introduction of an effective thermostat, whereby a or several qubits can be used to generate an effective temperature in the simulated system. Several of these procedures are combined with one another within the scope of the invention.
Zunächst sieht die erfindungsgemäße Lösung vor, dass bei der Simulation des quantenmechanischen Systems eine Abbildung logischer Zustände der Qubits auf physikalische Zustände der Qubits erfolgt, wobei diese Abbildung zur Fehlerreduktion optimiert wird.First of all, the solution according to the invention provides that when the quantum mechanical system is simulated, logical states of the qubits are mapped onto physical states of the qubits, this mapping being optimized to reduce errors.
Hier wird die Fehlerminimierung durch Optimierung logischer Qubit-Winkel gegenüber physikalischen Qubit-Winkeln so durchgeführt, dass das Eigenrauschen das System idealerweise zu einer Lösung, zumindest aber zu einer approximativen Lösung des Problems treibt. Wird ein Algorithmus angewendet, der wiederholt auf die gleichen Gatter zugreift, wie es bei der Trotter-Expansion in der Quantensimulation der Fall ist, wird das Eigenrauschen, das auch als eine Art von Reibung beschrieben werden kann, immer einen stationären oder quasistationären Zustand im System erzeugen. Hier soll eine Situation erzeugt werden, in welcher der quasistationäre Zustand so nahe wie möglich am Grundzustand des simulierten Systems liegt. Entsprechend werden die logischen Qubits ausgewählt.Here, errors are minimized by optimizing logical qubit angles versus physical qubit angles in such a way that the inherent noise ideally drives the system to a solution, or at least to an approximate solution, of the problem. If an algorithm is used that repeatedly accesses the same gates, as is the case with the Trotter expansion in the quantum simulation, the self-noise, which can also be described as a type of friction, always becomes a stationary or quasi-stationary state in the system produce. Here, a situation is to be created in which the quasi-stationary state is as close as possible to the basic state of the simulated system. The logical qubits are selected accordingly.
Konkret kann dies dadurch gelöst werden, dass die logischen Zustände der Qubits jeweils mithilfe eines Transformationsoperators U(ϕ) = exp(-iϕσy/2) = I · cos(ϕ2) - iσy sin(ϕ/2) für beliebige Rotationswinkel ϕ auf die physikalischen Zustände der Qubits abgebildet werden, wobei I die Identitätsmatrix und σy eine Pauli-Matrix in einem von den Zuständen |0〉 ≡ (1,0) und 11) ≡ (0,1) aufgespannten Raum ist.Specifically, this can be solved by setting the logical states of the qubits using a transformation operator U (ϕ) = exp (-iϕσ y / 2) = I · cos (ϕ2) - iσ y sin (ϕ / 2) for any rotation angle ϕ can be mapped onto the physical states of the qubits, where I is the identity matrix and σ y is a Pauli matrix in a space spanned by the states | 0〉 ≡ (1,0) and 11) ≡ (0,1).
Anbieter von Quantencomputern erlauben den Zugriff auf ihre Geräte mit einer vordefinierten Definition für den Zustand jedes Qubits. Die beiden Zustände werden teilweise als 0 und 1 bezeichnet oder in einer mehr von der Physik inspirierten Notation als ↑ und ↓. Die vordefinierte Einstellung für die Qubits wird als die Definition des physikalischen Qubits bezeichnet. Indem jedoch Überlagerungen der Zustände des physikalischen Qubits erzeugt werden, lassen sich zwei neue Zustände definieren, die im Weiteren als die Zustände eines logischen Qubits bezeichnet werden sollen. Die Wirkung des Eigenrauschens eines Quantencomputers auf logische Qubits hängt von der Wahl der logischen Qubits ab. Die einfachste Wahl ist, dass die Zustände der simulierten Qubits, also der logischen Qubits, die Zustände der physikalischen Qubits sind
Entsprechend kann dies ebenfalls invertiert werden zu
Allgemeiner gesagt kann jede Überlagerung gewählt werden, die durch einen Rotationswinkel ϕ definiert ist, wie im Folgenden dargestellt:
Diese neue Basis entspricht einer Rotation, die durch den Transformationsoperator |0/1〉logical = U(ϕ)|0/1〉physical definiert wird, wobei
Hierbei ist I die Identitätsmatrix und σy eine Pauli-Matrix in einem von den Zuständen |0〉 ≡ (1,0) und 11) ≡ (0,1) aufgespannten Raum. Diese Art von Einzel-Qbit-Operationen sind auf einem Quantencomputer leicht zu implementieren.Here I is the identity matrix and σ y is a Pauli matrix in a space spanned by the states | 0〉 ≡ (1,0) and 11) ≡ (0,1). These types of single qbit operations are easy to implement on a quantum computer.
Die ideale, rauschfreie Zeitentwicklung im Simulationsraum hat stets die gleiche Form. Einer Änderung der logischen Qubit-Definitionen wird durch ‚gegenläufige‘ Änderungen der angewandten physikalischen Gatter entgegengewirkt. Die Rauschoperatoren sind jedoch im physikalischen Raum fixiert und rotieren dadurch im Simulationsraum. So ändert sich etwa der physikalische Qubit-Zerfall zu
Insbesondere wenn Qubit-Zustände gekippt werden, also ϕ = π gesetzt wird, so wird der physikalische Qubit-Zerfall σ+ auf die logische Qubit-Anregung σ- abgebildet. Ferner transformiert der Dephasierungsoperator zu
Insbesondere, wenn Qubit-Zustände um ϕ = π/2 gedreht werden, rotiert der Qubit-Dephasierungsoperator σz zum Depolarisierungsoperator σx.In particular, if qubit states are rotated by ϕ = π / 2, the qubit dephasing operator σ z rotates to the depolarization operator σ x .
Insbesondere kann der Rotationswinkel ϕ für jedes Qubit so gewählt werden, dass das Qubit aufgrund von Eigenrauschen des Quantencomputers in einen Zustand zerfällt, welcher einen sinnvollen physikalischen Systemzustand des simulierten quantenmechanischen Systems beschreibt. Desgleichen gilt für den Zerfall, wobei idealerweise im Rahmen der Abbildung des quantenmechanischen Systems auf die Qubits des Quantencomputers die Abbildung so gewählt wird, dass jedes Qubit zumindest vor oder nach dem Zerfall, vorzugsweise aber sowohl vor als auch nach dem Zerfall, einen sinnvollen physikalischen Zustand des quantenmechanischen Systems beschreibt.In particular, the rotation angle ϕ can be selected for each qubit in such a way that the qubit decays into a state due to inherent noise of the quantum computer, which describes a meaningful physical system state of the simulated quantum mechanical system. The same applies to decay, with ideally in the context of mapping the quantum mechanical system to the qubits of the quantum computer the mapping is chosen so that each qubit has a meaningful physical state at least before or after the decay, but preferably both before and after the decay of the quantum mechanical system.
Parallel zur Wahl der logischen Qubit-Winkel kann eine geeignete Wahl der Teilchenbasis den Effekt des Rauschens drastisch reduzieren. Hier betrachten wir eine Situation, in der jedes physikalische oder logische Qubit ein elektronisches Orbital des Systems beschreibt. Die Wirkung des Eigenrauschens auf eine Quantensimulation hängt von dieser Wahl ab.In parallel to the choice of the logical qubit angles, a suitable choice of the particle base can drastically reduce the effect of the noise. Here we consider a situation in which each physical or logical qubit describes an electronic orbital of the system. The effect of the self-noise on a quantum simulation depends on this choice.
In der Darstellung der zweiten Quantisierung der Elektronenstruktur eines Materiales projiziert man die elektronische Hamilton-Funktion auf orthogonale Wellenfunktionen φ(x), welche die Basiszustände bilden. Diese konstruieren eine elektronische Hamilton-Funktion
Dabei ist ci die Elektronenvernichtung und
Ein anschauliches Beispiel stellt der auf der Mittelfeld-Hamilton-Funktion (Meanfield-Hamiltonian) und seinen Korrekturen basierende Ansatz dar. Hier wird die elektronische Hamilton-Funktion in der Mittelfeldbasis dargestellt. Diese Basis wird zunächst aus klassischen Simulationen ermittelt.
Hier wird die Systembeschreibung in zwei Bereiche unterteilt. Für den durch Hamilton-Funktion H1 beschriebenen Bereich wird die Mittelfeldbeschreibung verwendet. Dadurch wird dieser Bereich allein durch elektronische Orbitale beschrieben. Die Hamilton-Funktion H1 ist diagonal, da die Orbitale so ausgewählt wurden. Die Grundzustandswellenfunktion ist für diesen Teil
Es kann optimal sein, einzelne Qubit-Zustände so zu wählen, dass sie den Einzelteilchen-Zuständen entsprechen, also dass im Mittel die selbe Besetzungswahrscheinlichkeit erzeugt wird. Bei Vorhandensein eines physikalischen Qubit-Zerfalls kann es vorteilhaft sein, logische Winkel so zu wählen, dass der Zerfall die Quantensimulation, vorzugsweise ausschließlich, in Richtung der Mittelfeldlösung treibt, also dass der Zerfall die gleiche Besetzungswahrscheinlichkeit erzeugt, die das Orbital im exakten Grundzustand hätte. Um dies zu erreichen, werden etwa elektronische Teilchenzustände mit positiven Energien, also leere Zustände, durch logische Qubits mit den Rotationswinkeln ϕ = 0 und elektronische Zustände mit negativen Energien, also gefüllte Zustände, durch angeregte Zustände mit ϕ = π dargestellt. Im schlimmsten Fall einer starken zerfallsdefinierten Lösung ergibt sich dann wieder eine Mittelfeldlösung. Für einen Zustand mit einer Besetzung von ½, was im Bereich mit Wechselwirkung vorkommen kann, würde man den Winkel ϕ = π/2 wählen.It can be optimal to choose individual qubit states in such a way that they correspond to the individual particle states, i.e. that the same occupation probability is generated on average. In the presence of a physical qubit decay, it can be advantageous to choose logical angles in such a way that the decay drives the quantum simulation, preferably exclusively, in the direction of the midfield solution, i.e. that the decay produces the same occupancy probability that the orbital would have in the exact ground state. To achieve this, electronic particle states with positive energies, i.e. empty states, are represented by logical qubits with the rotation angles ϕ = 0 and electronic states with negative energies, i.e. filled states, by excited states with ϕ = π. In the worst case of a strong decay-defined solution, there is again a midfield solution. For a state with an occupation of ½, which can occur in the area with interaction, one would choose the angle ϕ = π / 2.
Die Besetzungswahrscheinlichkeiten im wechselwirkenden Bereich, der durch H2 beschrieben wird, können auch komplizierter aussehen. Dadurch können alle möglichen teilweisen Besetzungen entstehen. Um diese in einem Qubit, welches unter Zerfall leidet, herzustellen, muss dazu der Rotationswinkel im Bereich 0 < ϕ < π gewählt werden.The occupation probabilities in the interacting area, which is described by H 2 , can also look more complicated. This can create all kinds of partial occupations. In order to produce this in a qubit that suffers from decay, the angle of rotation must be selected in the
Die Teilchenbasis kann jedoch auch auf eine andere Weise gewählt werden, insbesondere durch eine Wahl, die dabei hilft, eine genauere Lösung für einen Teil des Systems oder für einen anderen beobachtbaren Bereich als die Energie zu finden. Geeignete Wahlmöglichkeiten könnten lokalisierte Zustände in der Nähe bestimmter Regionen des Systems oder Eigenzustände anderer Beobachtungsobjekte sein. Solche Zustände sind gewöhnlich durch eine starke Teilfüllung gekennzeichnet, selbst in der Mittelfeldlösung (Meanfield-Solution).However, the particle base can also be chosen in some other way, in particular by a choice that helps to find a more accurate solution for part of the system or for a different observable region than the energy. Suitable choices could be localized states in the vicinity of certain regions of the system or eigenstates of other objects of observation. Such conditions are usually characterized by a strong partial filling, even in the mean field solution.
Betrachtet wird ein Problem mit wenigen stark aktiven, teilweise gefüllten Zuständen, einer Menge von zumeist gefüllten Zuständen, die energetisch unterhalb dieser Zustände liegen, und einer Menge von zumeist leeren Zuständen, die energetisch oberhalb dieser Zustände liegen. In Gegenwart von physikalischem Zerfall ist es dann wahrscheinlich optimal, meist leere elektronische Zustände zu wählen, die durch den Winkel ϕ = 0 und meist gefüllte elektronische Zustände durch angeregte Zustände durch ϕ = π repräsentiert werden.A problem is considered with a few strongly active, partially filled states, a set of mostly filled states that are energetically below these states, and a lot of mostly empty states that are energetically above these states. In the presence of physical decay it is then probably optimal to choose mostly empty electronic states, which are represented by the angle ϕ = 0 and mostly filled electronic states by excited states by ϕ = π.
Die Zustände in der aktiven Region sind entweder teilweise gefüllt oder leer. Eine Teilfüllung kann durch die Wahl der Winkel 0 < ϕ < π erreicht werden.The states in the active region are either partially filled or empty. Partial filling can be achieved by choosing the
Zum Beispiel entspricht ein physikalischer Qubit-Zerfall bis zum Grundzustand mit dem logischen Qubit-Winkel ϕ der elektronischen Besetzung
Eine durch Zerfall angetriebene partielle Füllung kann etwa bei einem Cluster-Bad-Ansatz vorteilhaft sein, wenn Interesse an den Eigenschaften lokalisierter Zustände in der Nähe des Clusters besteht. Auch für das selbstkonsistente Cluster-Bad-Modell von Festkörpern ist eines der Hauptprobleme die Anpassung der kinetischen Energien an der Grenze zwischen Cluster und Bad.Partial filling driven by decay can be advantageous in a cluster-bath approach, for example, if there is interest in the properties of localized states in the vicinity of the cluster. For the self-consistent cluster-bath model of solids, too, one of the main problems is the adaptation of the kinetic energies at the boundary between cluster and bath.
Ein solcher Cluster-Bad-Ansatz kann von besonderem Vorteil für das erfindungsgemäße Verfahren sein, weshalb hierauf näher eingegangen werden soll. Bei dem Cluster-Bad-Ansatz wird das zu simulierende, quantenmechanische System in ein Cluster und ein Bad unterteilt. Einige Orbitale werden als Teil des Bades definiert und einige als Teil des Clusters. Bei der Abbildung der Orbitale auf Qubits werden die Qubits zunächst hinsichtlich ihrer Systemeigenschaften bewertet und in hochperformante Qubits und niederperformante Qubits kategorisiert. Die hochperformanten Qubits werden dann den Orbitalen im Cluster zugeordnet und die niederperformanten Qubits werden den Orbitalen im Bad zugeordnet.Such a cluster-bath approach can be of particular advantage for the method according to the invention, which is why it will be discussed in more detail. In the cluster-bad approach, the quantum mechanical system to be simulated is divided into a cluster and a bath. Some orbitals are defined as part of the bath and some as part of the cluster. When mapping the orbitals onto qubits, the qubits are first evaluated with regard to their system properties and categorized into high-performance qubits and low-performance qubits. The high-performance qubits are then assigned to the orbitals in the cluster and the low-performance qubits are assigned to the orbitals in the bathroom.
In diesem Modell gehen wir von einer Hamilton-Funktion wie folgt aus.
Die Systembeschreibung ist in drei Teile unterteilt: Cluster HC, der Elektronen vollständig mit Wechselwirkung beschreibt, ein Bad HB wechselwirkungsfreier Elektronen und Elektronen-Hopping zwischen den beiden Bereichen HI. Die Modellierung innerhalb des Clusters ist möglichst exakt, während das Bad und die Wechselwirkung im Mittelfeldansatz berücksichtigt werden. Dies liefert die detaillierteste lösbare Beschreibung vieler Festkörper und ist die Grundlage der dynamischen Mittelfeldtheorie (Dynamical Mean Field Theory, DMFT).The system description is divided into three parts: Cluster H C , which describes electrons completely with interaction, a bath H B of non-interacting electrons and electron hopping between the two areas H I. The modeling within the cluster is as precise as possible, while the bathroom and the Interaction in the midfield approach must be taken into account. This provides the most detailed solvable description of many solids and is the basis of the dynamic mean field theory (DMFT).
Bei Vorhandensein von intrinsischem Bad-Qubit-Zerfall kann dieses Rauschen verwendet werden, um das System zur vollständigen Lösung, also zum Grundzustand zu treiben. Ein System aus wechselwirkungsfreien Elektronen wird vollständig durch eine spektrale Funktion charakterisiert. Dementsprechend müssen die Qubits, die das Bad modellieren, dieselbe spektrale Funktion haben wie das zu simulierende elektronische System. Die Qubits im Cluster sehen folgende spektrale Funktion, wenn sie effektiv an die Bad-Qubits gekoppelt sind:
Hierin ist γj die Zerfallsrate des Bad-Qubits j. Ein Teil der Spektraldichte beschreibt leere Zustände (-) und der andere Teil beschreibt gefüllte Zustände (+) im Bad, wenn sie nicht mit dem Cluster interagieren. Die Winkel der logischen Qubits in Bezug auf die physikalischen Qubits werden analog wie oben gewählt, leere Stellen mit ϕ = 0 und gefüllte Stellen mit ϕ = π. Der Bad-Zerfall treibt dann das System zu seiner vollen Lösung. Die spektrale Funktion kann durch Wahl der Kopplungsparameter ti so optimiert werden, dass sie der Spektralfunktion des zu simulierenden Systems entspricht.Here γ j is the decay rate of the bad qubit j. One part of the spectral density describes empty states (-) and the other part describes filled states (+) in the bathroom when they do not interact with the cluster. The angles of the logical qubits in relation to the physical qubits are chosen in the same way as above, empty spaces with ϕ = 0 and filled spaces with ϕ = π. The bad decay then drives the system to its full solution. The spectral function can be optimized by choosing the coupling parameters t i so that it corresponds to the spectral function of the system to be simulated.
Oben wurde implizit angenommen, dass das Eigenrauschen der Cluster-Qubits vernachlässigbar ist. Wenn dies nicht der Fall ist, treibt das Rauschen der Cluster-Qubits das System zu einer falschen Lösung. Dieser Fehler kann jedoch gemildert werden. Hierzu kann es vorteilhaft sein, Cluster-Winkel 0 < ϕ < π zu verwenden, um bei Rauschen nur teilweise besetzte Cluster-Zustände zu erhalten.It was implicitly assumed above that the self-noise of the cluster qubits is negligible. If this is not the case, the noise from the cluster qubits is driving the system to a wrong solution. However, this mistake can be mitigated. For this purpose it can be advantageous to use
In vorteilhafter Weiterbildung kann das Verfahren dadurch ergänzt werden, dass bei der Simulation des quantenmechanischen Systems eine Extrapolation der Simulationsergebnisse in ein rauscharmes, vorzugsweise rauschfreies, Umfeld vorgenommen wird.In an advantageous development, the method can be supplemented by extrapolating the simulation results into a low-noise, preferably noise-free, environment during the simulation of the quantum mechanical system.
Diese Methode reduziert die Wirkung von Rauschen durch Extrapolation des rauschbehafteten Ergebnisses in ein rauscharmes Umfeld. Diese Idee beruht auf der Möglichkeit, die Dekohärenzrate effektiv zu erhöhen. Es wird angenommen, dass der Erwartungswert der Variablen X, den der verrauschte Quantencomputer erhält, als Taylorentwicklung geschrieben werden kann.
Hier bezieht sich 〈X〉(0) auf das rauschfreie Ergebnis, also γ = 0. Das Ergebnis einer Berechnung auf einem Quantencomputer ergibt 〈X〉(γ0), wobei γ0 die normale Dekohärenzrate ist.Here 〈X〉 (0) relates to the noise-free result, i.e. γ = 0. The result of a calculation on a quantum computer gives 〈X〉 (γ 0 ), where γ 0 is the normal decoherence rate.
Die einfachste Schätzung für das fehlerfreie Ergebnis ergibt sich über eine lineare Extrapolation. Die Quantensimulation wird in Gegenwart von zwei Rauschraten, γ1 und γ0, durchgeführt und nur die Expansion der führenden Ordnung, n=1, betrachtet. Der vordere Faktor in dem linearen Term hat dabei die Form
Damit ist
Diese lineare Schätzung kann durch die Einbeziehung von Korrekturen höherer Ordnung weiter verbessert werden. Hierzu wird die Quantensimulation mit mehreren verschiedenen Dekohärenzraten
Die Koeffizienten müssen hierbei die folgenden Bedingungen für k ∈
[0,1,2, ..., n] erfüllen.
[0, 1, 2, ..., n].
Durch eine solche Wahl der Koeffizienten wird der Fehler n-ter Ordnung aufgehoben. Die Idee der Extrapolation kann auch auf den exponentiellen Ansatz ausgedehnt werden.Such a choice of the coefficients cancels the n-th order error. The idea of extrapolation can also be extended to the exponential approach.
Um die Extrapolation eines rauschfreien Zustands durchzuführen, müssen wir in der Lage sein, künstliches Rauschen unterschiedlicher Stärke in unserem Quantencomputer zu erzeugen. Eine bekannte Methode um dies zu erreichen, ist es einfach alle Rechen-Operationen auf dem Quantencomputer langsamer durchzuführen. Dadurch wird effektiv die Dekohärenz während einer Rechnung erhöht. Es soll hier jedoch noch eine weitere Methode diskutiert werden.In order to extrapolate a noise-free state, we need to be able to generate artificial noise of different strengths in our quantum computer. A well-known method to achieve this is to simply perform all arithmetic operations on the quantum computer more slowly. This effectively increases the decoherence during a calculation. However, another method will be discussed here.
Die Veränderung der Geschwindigkeit der Operationen ist schwierig durchzuführen und verlangt eine detaillierte Kontrolle über den Quantencomputer. Eine Methode, die einfach zu Kontrollieren ist, ist der Effekt der Erhöhung der physikalischen Zeit eines Trotter-Schrittes dτ.Changing the speed of operations is difficult to perform and requires detailed control over the quantum computer. One method that is easy to control is the effect of increasing the physical time of a trotter step dτ.
Die Auswirkung der physikalischen Trotterzeit dτ auf die Fehlerrate γ kann über die folgende Ableitung hergeleitet werden. Die ideale Quantencomputer-Zeitentwicklung wird durch die Hamilton-Funktion HQC(t) definiert. Die Kopplung an das externe Rauschen wird durch die Hamilton-Funktion HE beschrieben. Unter der Annahme, dass dτ << 1/γ ist, kann der Zeitentwicklungsoperator über die Simulationszeit dt unter Berücksichtigung der physikalischen Zeit dt geschrieben werden als
Hierbei ist c = dτ/dt, was eine Beziehung zwischen den Zeitschritten in der Hardware und im simulierten System ergibt. Nachdem der Faktor c mit der Umgebungs-Hamilton-Funktion multipliziert wird, kann er einfach in die Definition von HE aufgenommen werden, mit
So sieht die Umgebungs-Hamilton-Funktion im logischen Raum aus. Nun werden alle Energien und Kopplungsterme, die sich auf die Umgebung beziehen, mit c multipliziert. Daraus folgt, dass sich die Dekohärenzrate der logischen Qubits in der Quantensimulation genauso ändert.This is what the neighborhood Hamilton function looks like in logical space. Now all energies and coupling terms that relate to the environment are multiplied by c. It follows that the decoherence rate of the logical qubits changes in the same way in the quantum simulation.
Wie bereits oben erwähnt, kann die Erhöhung der physischen Trotterzeit dτ selbst kann durch einfache längere Gate-Steuerimpulse realisiert werden. Diese Möglichkeit ist jedoch möglicherweise nicht möglich oder für den Benutzer nicht verfügbar. In diesem Fall kann die Trotterzeit durch mehrere gleichwertige Operationen innerhalb eines Trotterschritts erhöht werden. Ein einfaches Beispiel ist die Aufteilung der Gate-Operation exp(iφσz) in exp(iφσz/2)exp(iφσz/2). Dadurch würde sich die für die Durchführung der gesamten Operation benötigte physische Zeit verdoppelt. Diese Veränderungen führen effektiv zur Verdopplung der Dekohärenzrate für die Simulation und dadurch kann dann die Extrapolation zu einem rauschfreien Zustand vorgenommen werden.As already mentioned above, the increase in the physical trotting time dτ can itself be achieved by simple longer gate control pulses. However, this facility may not be possible or available to the user. In this case, the trotting time can be increased by several equivalent operations within one trotting step. A simple example is the division of the gate operation exp (iφσ z ) into exp (iφσ z / 2) exp (iφσ z / 2). This would double the physical time required to complete the entire operation. These changes effectively lead to a doubling of the decoherence rate for the simulation, which means that the extrapolation to a noise-free state can then be carried out.
In abermaliger Weiterbildung des Verfahrens kann eine die Erhöhung der Dekohärenzrate künstlich durch zusätzliche Qubits erzeugt werden. Hierbei wird iterativ zunächst ein Trotter-Schritt durchgeführt und dann zwischen einem Bad-Qubit und einem Hilfs-Qubit mit einer Wahrscheinlichkeit p << 1 ein Anregungsaustausch vorgenommen. Das Hilfs-Qubit wird gemessen und in dem Fall, dass das Hilfs-Qubit in seinem Anregungszustand gemessen wurde, wird dieser in seinen Grundzustand zurückgesetzt. Danach wird schließlich wieder mit dem Trotter-Schritt begonnen. Diese Methode erlaubt die Einstellung der Dekohärenzzeiten der Qubits und schließlich können auch die Simulationsergebnisse durch Extrapolation der Dekohärenzzeit und Ableitung einer Transformationsvorschrift, sowie deren Anwendung auf die Simulationsergebnisse der Qubits in einen rauscharmen, vorzugsweise rauschfreien, Zustand transformiert werden.In a further development of the method, an increase in the decoherence rate can be generated artificially by means of additional qubits. In this case, a trotter step is first carried out iteratively and then an excitation exchange is carried out between a bad qubit and an auxiliary qubit with a probability p << 1. The auxiliary qubit is measured and in the event that the auxiliary qubit was measured in its excited state, it is reset to its basic state. Then finally the trotter step is started again. This method allows the decoherence times of the qubits to be set and, finally, the simulation results can also be transformed into a low-noise, preferably noise-free, state by extrapolating the decoherence time and deriving a transformation rule, as well as applying it to the simulation results of the qubits.
Die Möglichkeit, künstlich Dekohärenz zu erzeugen, soll hier noch im Detail darlegt werden. Eine Gate-basierte Quantenentwicklung wird durch aufeinanderfolgende Anwendungen identischer Trotter-Schritte konstruiert, die jeweils eine kleine Zeitentwicklung über die Simulationszeit dt darstellen. Eine derartige digitalisierte Zeitentwicklung kann auch modifiziert werden, um den Zerfall oder die Dephasierung ausgewählter Qubits effektiv zu reproduzieren. Dies ermöglicht es, die Rauschextrapolation viel rigoroser durchzuführen.The possibility of artificially creating decoherence will be explained in detail here. A gate-based quantum development is constructed by successive applications of identical trotter steps, each of which represents a small time development over the simulation time dt. Such a digitized time evolution can also be modified in order to effectively reproduce the decay or dephasing of selected qubits. This enables the noise extrapolation to be performed much more rigorously.
Ein Beispiel für die Schaffung von künstlichem Zerfall in der trotterisierten Zeitentwicklung im Folgenden beschrieben. Jeder Trotter-Schritt ist in vier Schritte unterteilt:
- (i) Anwendungszeit-Evolutions-Operation UQC(dt), also der ursprüngliche Trotter-Schritt,
- (ii) Anwendung eines Anregungsaustauschs zwischen einem Bad-Qubit und einem diesem zugeordneten Hilfs-Qubit mit einer Wahrscheinlichkeit p << 1,
- (iii) Messung des Hilfs-Qubits,
- (iv) wenn sich das Hilfs-Qubit im angeregten Zustand befand, wird es in seinen Grundzustand zurückversetzt. Dann wird ab Schritt (i) iteriert.
- (i) Application time evolution operation U QC (dt), i.e. the original trotter step,
- (ii) Application of an excitation exchange between a bad qubit and an auxiliary qubit assigned to it with a probability p << 1,
- (iii) Measurement of the auxiliary qubit,
- (iv) if the auxiliary qubit was in the excited state, it is reset to its ground state. It is then iterated from step (i).
Es lässt sich zeigen, dass sich bei jedem Messvorgang die Dichtematrix D̂ des simulierten Systems ändert
Hier ist σ+(-) ein Spin-Drop/Increase-Operator, der dem Anregungs-Erzeugungs/Vernichtungs-Operator entspricht. Die wiederholte Durchführung ähnlicher Verschränkungsoperationen und Messungen erzeugt dann einen künstlichen Zerfall mit der Rate γ = p/dt. Diese Rate kann dann durch die Vertauschungswahrscheinlichkeit p gesteuert werden. Dies wiederum erlaubt eine Rauschextrapolation, die nur auf den Zerfall bezogen ist wie oben beschrieben.Here σ + (-) is a spin-drop / increase operator, which corresponds to the excitation-generation / annihilation operator. Repeatedly performing similar entanglement operations and measurements then creates an artificial decay at the rate γ = p / dt. This rate can then be controlled by the commutation probability p. This in turn allows a noise extrapolation that is only related to the decay, as described above.
Neben Zerfall können durch eine beliebige Drehung des ursprünglichen Dissipator-Operators auch andere Effekte erreicht werden. Insbesondere simuliert die Wahl ϕ = π das Rauschen, das zur Anregung des Qubits führt. In ähnlicher Weise kann auch ein Bad mit endlicher Temperatur realisiert werden, wenn eine statistische Verteilung für die Drehung des Dissipator-Operators verwendet wird.In addition to decay, other effects can be achieved by any rotation of the original dissipator operator. In particular, the choice ϕ = π simulates the noise that leads to the excitation of the qubit. Similarly, a finite temperature bath can also be realized if a statistical distribution is used for the rotation of the dissipator operator.
Intrinsische Dephasierung kann auch künstlich erzeugt werden. Eine Möglichkeit hierfür ist die Anwendung des obigen Verfahrens, jedoch mit Dissipator-Operator σz. Ein anderer Ansatz ist die Feststellung, dass die Dephasierung den Schwankungen der Qubit-Frequenzen entspricht und dass die Schwankungen einer Qubit-Frequenz wiederum den Termen des Typs δωσz in der Hamilton-Funktion entspricht. Um die Größe der Dephasierung allein zu erhöhen, kann man daher auch künstliche Fluktuationen der entsprechenden Hamilton-Terme in jeden Trotter-Schritt einfügen, mit entsprechender Statistik. Insbesondere würde diese Methode die Reproduktion beliebiger Zeitkorrelationen des Rauschens ermöglichen.Intrinsic dephasing can also be created artificially. One possibility for this is to use the above procedure, but with the dissipator operator σ z . Another approach is to establish that the dephasing corresponds to the fluctuations of the qubit frequencies and that the fluctuations of a qubit frequency in turn correspond to the terms of the type δωσ z in the Hamilton function. In order to increase the size of the dephasing alone, one can therefore also insert artificial fluctuations of the corresponding Hamilton terms in each Trotter step, with corresponding statistics. In particular, this method would enable any time correlation of the noise to be reproduced.
Die letzte hier diskutierte Möglichkeit der Fehlerkorrektur sieht vor, dass eine Temperaturregelung zur Herstellung einer spezifischen Wärmeverteilung innerhalb des Quantencomputers vorgenommen wird, indem wenigstens ein Hilfs-Qubit zur Absorption von Wärmeenergie in einen angeregten Zustand versetzt wird.The last possibility of error correction discussed here provides for temperature regulation to be carried out to produce a specific heat distribution within the quantum computer by putting at least one auxiliary qubit into an excited state for the purpose of absorbing thermal energy.
Dies ist notwendig, da die Qubit-Dephasierung eine Erwärmung des Systems bewirken kann. Wenn die Erwärmung unerwünscht ist, kann sie durch die Einführung eines Thermostats zwischen der Simulation und dem physikalischen Raum, wie im weiteren Verlauf noch erläutert wird, gemildert werden.This is necessary because the qubit dephasing can cause the system to heat up. If the heating is undesirable, it can be mitigated by the introduction of a thermostat between the simulation and the physical space, as will be explained below.
Wie bereits oben angesprochen, soll die Zeitentwicklung eines Quantensystems unter der Wirkung der Hamilton-Funktion H simuliert werden. Dann können die Effekte des Eigenrauschens genutzt werden, um das System in einen quasistationären Zustand zu bringen. Um eine spezifische Wärmeverteilung zu erreichen, kann ein zusätzlicher Thermostat zur Hamilton-Funktion hinzugefügt werden, etwa
Ein spezifisches Beispiel für Hthermo ist eine Hamilton-Funktion, welche so auf den Simulationsraum einwirkt, dass die Anzahl der Anregungen erhalten bleibt. Die Beibehaltung der Anzahl der Anregungen ist notwendig, wenn ein Elektronenstrukturproblem simuliert werden soll, da die Anzahl der Anregungen der Anzahl der Elektronen entspricht und die Anzahl der Elektronen fest ist. Die Hamilton-Funktion verbindet den Simulationsraum mit einer Operation außerhalb des Simulationsraumes, also mit einem Hilfs-Qubit. Die Operation auf dem Hilfs-Qubit muss in der Lage sein, das Qubit vom Grundzustand aus in einen angeregten Zustand zu versetzen. Wenn das Hilfs-Qubit eine intrinsische Abklingrate/Zerfallsrate hat und sich auf Nulltemperatur befindet, dann wird das Hilfs-Qubit Energie an und um den Energieabstand ΔE zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand absorbieren. Eine Hamilton-Funktion dieser Art könnte etwa
Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention described above is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
Es zeigen
-
1 eine schematische Darstellung der Quantensimulation mit allen erfindungsgemäßen Fehlerkorrekturverfahren, -
2 eine schematische Darstellung einer optimalen Abbildung logischer Qubits auf physische Qubits mit einem geeigneten Rotationswinkel, sowie -
3 eine Darstellung einer linearen Rauschextrapolation in einem Schaubild mit (X) über γ sowie einem Hilfsschaubild mit γ über dτ.
-
1 a schematic representation of the quantum simulation with all error correction methods according to the invention, -
2 a schematic representation of an optimal mapping of logical qubits to physical qubits with a suitable angle of rotation, and -
3 a representation of a linear noise extrapolation in a graph with (X) over γ and an auxiliary graph with γ over dτ.
Der zentrale Bereich in der Mitte visualisiert die Simulation
Vorstehend beschrieben ist somit ein Verfahren zur Simulation eines quantenmechanischen Systems, welches die Vorteile der Quantenmechanik für die Simulation nutzt, gleichzeitig aber die Fehleranfälligkeit dieser Systeme senkt.A method for simulating a quantum mechanical system is thus described above, which uses the advantages of quantum mechanics for the simulation, but at the same time reduces the susceptibility of these systems to errors.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Simulationsimulation
- 22
- Rauschenrush
- 33
- AbbildungIllustration
- 44th
- ExtrapolationExtrapolation
- 55
- TemperaturregelungTemperature control
- 66th
- Cluster-QubitsCluster qubits
- 77th
- Bad-QubitsBad qubits
- 88th
- Hilfs-QubitsAuxiliary qubits
- 99
- UmgebungSurroundings
- 1010
- SimulationsergebnisseSimulation results
- 1111
- künstliches Rauschenartificial noise
- 1212th
- Physischer RaumPhysical space
- 1313th
- Logischer RaumLogical space
Claims (9)
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