知道何时展开EM:将高能物理方法应用于量子计算

阿特拉斯新小轮子

轮形MuOn探测器是核心核心的阿特拉斯粒子探测器升级的一部分。新的研究适用于粒子检测器的“展开,”或误差校正技术,对量子计算中的噪声问题。信用:朱利安玛丽斯堡垒/核心

'展开'技术用于改善准确性粒子检测器数据还可以从量子计算机改善量子状态的读数。

从高能量物理和天文学教科书借用一页,这是美国能源部·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的物理学家和计算机科学家团队已成功调整并将普通的差错技术应用于该领域量子计算

在亚非粒子和巨型粒子探测器和遥远的星系和巨型望远镜的世界中,科学家学会了生活,并与不确定性一起工作。它们通常试图从其他颗粒相互作用和背景“噪声”的大规模纠结和可能试图过滤大气扭曲和星际灰尘的影响以改善天文学的分辨率来取消超稀有颗粒相互作用成像。

Also, inherent problems with detectors, such as with their ability to record all particle interactions or to exactly measure particles’ energies, can result in data getting misread by the electronics they are connected to, so scientists need to design complex filters, in the form of computer algorithms, to reduce the margin of error and return the most accurate results.

噪声和物理缺陷的问题,以及对误差频率和严重程度的误差和错误缓解算法的问题也是普遍存在的量子计算领域的常见问题,以及在期刊中发表的一项研究NPJ量子信息发现似乎也有一些常见的解决方案。

Ben Nachman,伯克利实验室物理学家参与粒子物理实验c作为伯克利实验室的地图集组的成员,看到量子计算连接,同时使用伯克利实验室理论物理学家与Christian Bauer进行粒子物理计算,该研究是该研究的共同作者。阿特拉斯是Cern大型Hadron Collifer的四种巨型粒子探测器之一,是世界上最大,最强大的粒子撞机。

“在地图集,我们经常必须”展开“或纠正探测器效果,”该研究的牵头作者纳哈曼说。“人们一直在开发这种技术。”

在LHC的实验中,称为质子的颗粒以每秒约10亿次的速率碰撞。为了应对这种令人难以置信的忙碌,“嘈杂”的环境和与能量分辨率相关的内在问题和与探测器相关的其他因素相关,物理学家使用纠错“展开”技术和其他过滤器来Winnow下来这个粒子混合到最有用,准确数据。

“我们意识到当前的量子计算机也非常嘈杂,”Nachman说,所以找到一种减少这种噪音的方法,最大限度地减少错误 - 错误缓解 - 是推进量子计算的关键。“一种错误与您所做的实际操作有关,并且涉及读出量子计算机的状态,”他注意到 - 第一种称为栅极误差,后者称为读出错误。

高能物理量计算

这些图表显示了与粒子散射相关的分类高能量物理测量值 - 称为差分横截面测量(左) - 并重复测量量子计算机(右)的输出。这些相似之处提供了对来自两个字段的数据应用类似的错误缓解技术的机会。信用:伯克利实验室;NPJ量子INF 6,84(2020),DOI:10.1038 / S41534-020-00309-7

最新的研究重点是减少读出错误的技术,称为“迭代贝叶斯展开”(IBU),这对高能物理界熟悉。该研究比较了这种方法对其他纠错和缓解技术的有效性。IBU方法基于贝叶斯定理,它提供了一种数学方式来查找与已经知道的此事件有关的其他条件发生的事件的概率。

Nachman注意到该技术可以应用于经典计算机的量子模拟,称为通用栅极基量子计算机。

在量子计算中,依赖于量子位或Qubits,携带信息,称为量子叠加的易碎状态难以维持并且可以随时间衰减,导致量子位向零而不是一个,这是一个常见的读出错误的示例。

叠加提供量子位同时可以表示零,零,一个或两个数量。这使得传统计算中无法实现独特的计算能力,其依赖于表示一个或零的位,而不是一次。Quantum计算机中的另一个读出误差源只是由于计算机的架构而导致Qubit状态的错误测量。

在研究中,研究人员模拟了量子计算机,比较了三种不同纠错(或错误缓解或展开)技术的性能。他们发现IBU方法在非常嘈杂,易于易受的环境中更加强大,并且在存在更常见的噪声模式的情况下略高于其他两个。将其性能与称为IGNIS的纠错方法进行比较,该方法是为IBM的量子计算机开发的开源量子计算软件开发工具集的一部分,以及称为矩阵反转方法的非常基本的展开形式。

研究人员使用了模拟量子计算环境来生产超过1,000个伪实验,并且他们发现IBU方法的结果是最接近预测的结果。在称为IBM Q Johannesburg的20 Qubit量子计算机上测量了用于该分析的噪声模型。

“我们采用了一项非常常见的技术,从高能量物理学中,并将其应用于量子计算,它的工作非常好 - ”应该是应该的,“纳哈曼说。有一个陡峭的学习曲线。“我不得不学习各种关于量子计算的东西,以确保我知道如何翻译这个并在量子计算机上实现它。”

他说,他也非常幸运能够找到伯克利实验室的Quantum Computing专业知识的合作者,包括Bert de Jong,他在伯克利提供了一支高级科学计算研究量子算法团队的Doe办事处,并加速了对伯克利量子计算项目的加速研究Lab’s Computational Research Division.

“看看高能量物理界的大风如何发展如何充分利用嘈杂的实验是如何令人兴奋的,这可以用来摆脱嘈杂的量子电脑,”德佳说。

Nachman表示,该研究中使用的模拟和实数量从五个Qubits变化到20个Qubits,并且该技术应该可以扩展到更大的系统。但是,随着量子计算机的大小增加,研究人员所需的纠错和错误缓解技术将需要更多的计算资源,因此Nachman表示,该团队专注于如何使方法更加可管理具有较大Qubit阵列的量子计算机。

Nachman,Bauer和De Jong也参加了一个早期的研究这提出了一种减少栅极误差的方法,这是量子计算错误的其他主要来源。他们认为量子计算中的纠错和误差缓解可能最终需要混合和匹配的方法 - 使用多种技术的组合。

“这是一个令人兴奋的时刻,”纳哈曼说,随着量子计算领域仍然很年轻,有很多创新空间。“人们至少有关于这些类型的方法的信息,并且仍然存在进步的空间。”他指出,量子计算提供了“推动以新的方式思考问题”,添加“,”它已经开辟了新的科学潜力。“

参考:“展开量子计算机读数噪声”由Benjamin Nachman,Miroslav Urbanek,Wibe A. de Jong和Christian W. Bauer,2020年9月25日,NPJ量子信息
DOI:10.1038 / S41534-020-00309-7

Oak Ridge领导计算机计算设施,橡树岭国家实验室的科学用户设施办公室,为研究人员提供了IBM的量子计算资源,包括IBM量子经验和Q集线网络。

Miroslav Urbanek在伯克利实验室的计算研究部门还参加了该研究,该研究得到了美国大学理学办事处和物理学中心的支持。

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