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Enregistrement W3215183963 · doi:10.1007/s00220-024-04958-z

Random Quantum Circuits Transform Local Noise into Global White Noise

2024· article· en· W3215183963 sur OpenAlex

Pourquoi ce travail est dans la base

Une base qui oublie comment elle a trouvé un travail ne peut pas être vérifiée. Voici les voies qui ont admis celui-ci.

affAu moins un auteur déclare une institution canadienne dans l'instantané OpenAlex épinglé.
fundUn bailleur canadien est enregistré sur le travail.

Notice bibliographique

RevueCommunications in Mathematical Physics · 2024
Typearticle
Langueen
DomaineComputer Science
ThématiqueQuantum Computing Algorithms and Architecture
Établissements canadiensPerimeter Institute
Organismes subventionnairesInstitute for Quantum Information and Matter, California Institute of TechnologyMinistry of Colleges and UniversitiesNational Science FoundationGovernment of CanadaAspen Center for PhysicsStanford UniversityInstitut Périmètre de physique théoriqueInnovation, Science and Economic Development Canada
Mots-clésAlgorithmArtificial intelligenceComputer science

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract We study the distribution over measurement outcomes of noisy random quantum circuits in the regime of low fidelity, which corresponds to the setting where the computation experiences at least one gate-level error with probability close to one. We model noise by adding a pair of weak, unital, single-qubit noise channels after each two-qubit gate, and we show that for typical random circuit instances, correlations between the noisy output distribution $$p_{\text {noisy}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mtext>noisy</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> and the corresponding noiseless output distribution $$p_{\text {ideal}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mtext>ideal</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> shrink exponentially with the expected number of gate-level errors. Specifically, the linear cross-entropy benchmark F that measures this correlation behaves as $$F=\text {exp}(-2s\epsilon \pm O(s\epsilon ^2))$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>F</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mtext>exp</mml:mtext> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mi>s</mml:mi> <mml:mi>ϵ</mml:mi> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mi>O</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>s</mml:mi> <mml:msup> <mml:mi>ϵ</mml:mi> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> , where $$\epsilon $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>ϵ</mml:mi> </mml:math> is the probability of error per circuit location and s is the number of two-qubit gates. Furthermore, if the noise is incoherent—for example, depolarizing or dephasing noise—the total variation distance between the noisy output distribution $$p_{\text {noisy}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mtext>noisy</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> and the uniform distribution $$p_{\text {unif}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mtext>unif</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> decays at precisely the same rate. Consequently, the noisy output distribution can be approximated as $$p_{\text {noisy}}\approx Fp_{\text {ideal}}+ (1-F)p_{\text {unif}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mtext>noisy</mml:mtext> </mml:msub> <mml:mo>≈</mml:mo> <mml:mi>F</mml:mi> <mml:msub> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mtext>ideal</mml:mtext> </mml:msub> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mi>F</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mtext>unif</mml:mtext> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> . In other words, although at least one local error occurs with probability $$1-F$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mi>F</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> , the errors are scrambled by the random quantum circuit and can be treated as global white noise, contributing completely uniform output. Importantly, we upper bound the average total variation error in this approximation by $$O(F\epsilon \sqrt{s})$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>O</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>F</mml:mi> <mml:mi>ϵ</mml:mi> <mml:msqrt> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:msqrt> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> . Thus, the “white-noise approximation” is meaningful when $$\epsilon \sqrt{s} \ll 1$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>ϵ</mml:mi> <mml:msqrt> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:msqrt> <mml:mo>≪</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> , a quadratically weaker condition than the $$\epsilon s\ll 1$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>ϵ</mml:mi> <mml:mi>s</mml:mi> <mml:mo>≪</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> requirement to maintain high fidelity. The bound applies if the circuit size satisfies $$s \ge \Omega (n\log (n))$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>s</mml:mi> <mml:mo>≥</mml:mo> <mml:mi>Ω</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mo>log</mml:mo> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> , which corresponds to only logarithmic depth circuits, and if, additionally, the inverse error rate satisfies $$\epsilon ^{-1} \ge {\tilde{\Omega }}(n)$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>ϵ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo>≥</mml:mo> <mml:mover> <mml:mi>Ω</mml:mi> <mml:mo>~</mml:mo> </mml:mover> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> , which is needed to ensure errors are scrambled faster than F decays. The white-noise approximation is useful for salvaging the signal from a noisy quantum computation; for example, it was an underlying assumption in complexity-theoretic arguments that noisy random quantum circuits cannot be efficiently sampled classically, even when the fidelity is low. Our method is based on a map from second-moment quantities in random quantum circuits to expectation values of certain stochastic processes for which we compute upper and lower bounds.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Prédiction distillée sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,000
Version: codex-gemma-dda1882f352aStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Théorique ou conceptuel · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Méthodes · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,889
Score d'incertitude au seuil0,876

Scores Codex et Gemma par catégorie

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0000,001
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0000,000
Science ouverte0,0030,001
Intégrité de la recherche0,0000,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,021
Tête enseignante GPT0,297
Écart entre enseignants0,276 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle