| dc.description.abstract | Kvantedatamaskiner har potensiale til å kunne løse spesifikke beregningsproblemer eksponentielt raskere enn noen klassisk datamaskin er i stand til. I nærliggende fremtid er derimot kvantedatamaskiner begrensede når det kommer til antallet tilgjengelige qubiter, og i lengden av mulige kvanteberegninger grunner mye støy. På sikt vil kvantefeilkorreksjon kunne korrigere feil til vilkårlig presisjon over lange kvanteberegninger, men de krever et stort antall ekstra qubiter. Vi fokuserer derfor i stedet på dempe effekten av kvantefeil, så kalt kvantefeilmitigering.
I denne oppgaven studerer vi ulike teknikker for å dempe kvantefeil i anvendelser av kvantedatamaskiner i nær fremtid. Målet vårt er å undersøke og sammenligne ulike slike teknikker, og vi foreslår en variant av nullstøysekstrapoleringsteknikken men en ny metode for støyforsterkning på kvantekrets-nivå. Vi anvendte nullstøysekstrapoleringsteknikken på en representativ testkrets og oppnådde en relativ feil på 3.3%, betydelig bedre enn den opprinnelige feilen i kretsen på 30%, i det beste testede tilfellet. Vår metode gav også bedre resultater enn en eksisterende støyforsterkningsmetode for flere ulike støymodeller. Vi så derimot at denne teknikken ga en betydelig økning i beregningskostnad, spesielt når vi inkluderer mange støyforsterkningsledd. For kun 2 og 3 ledd fant vi fortsatt en betydelig forbedring i den relative feilen, til henholdsvis 14% og 8.3%, men i disse tilfellene økte beregningskostnaden med under én størrelsesorden.
Videre utforsket vi potensialet i å kombinere to ulike teknikker for støydemping. Vi kombinerte vår variant av nullstøysekstrapoleringen men en teknikk for støydemping ved feildeteksjon. Dette anvendte vi på en algoritme for simuleringer av H2-molekylet på en simulator med en enkel støymodell. Den kombinerte metoden gav bedre resultater enn både nullstøysekstrapolerings- og feildeteksjons-teknikkene gav for seg selv. Med en feilrate på 0.1% oppnådde den kombinerte metoden en feil under den kjemiske nøyaktigheten. Teknikken med feildeteksjon oppnådde ikke dette for noen av de testede tilfellene, men teknikken kom med en betydelig lavere beregningskostnad enn nullstøysekstrapolering, men den krever noen ekstra qubiter. Å kombinere de to støymitigeringsteknikkene viser dermed potensiale til å kunne oppnå en større grad av støydemping | |
| dc.description.abstract | Quantum computing has the potential to solve specific problems exponentially faster than any classical computer. In the short term, however, quantum hardware will be limited both in the number of qubits, the basic unit of quantum information, and the length of useful computations due to the influence of noise. In the long-term, quantum error correction promises to allow for corrections to arbitrary precision over long calculations, but they require lots of ancillary qubits. Our attention therefore turns to quantum error mitigation, which encompasses a range of techniques that aim to reduce the impact of noise in quantum computations.
In this thesis, we study techniques of quantum error mitigation for near-term applications of quantum computers. We aim to assess and compare different techniques for error mitigation, and we propose a variant of the zero-noise extrapolation technique with a novel scheme for circuit-level noise amplification. We applied the zero-noise extrapolation to a representative trial circuit and achieved a relative error of 3.3% in simulations with applied noise models, compared to 30% in the non-mitigated results, in the best case. We also found our noise amplification scheme to outperform an existing scheme for different noise models. However, we found the zero-noise extrapolation technique to come with a considerable computational cost, especially for larger numbers of noise amplified terms. For 2 and 3 terms we still a significant improvement in the error to 14% and 8.3% respectively, yet with a required shot count within one order of magnitude.
We further explored the potential in combining this variant of the zero-noise extrapolation with the error detection scheme. We applied the scheme to the variational quantum eigensolver on the H2 molecule, using a noisy simulator. The combined scheme outperformed both the extrapolation and the detection schemes on their own. For an error rate of 0.1%, the combined scheme achieved an error within the important benchmark of the chemical accuracy. The error detection scheme on its own did not achieve the chemical accuracy for any cases, however, it increased required circuit shots by less than one order of magnitude in all cases. The scheme thus comes at a much lesser computational cost than the zero-noise extrapolation scheme, although it requires some additional ancillary qubits. Combining the two techniques thus showed potential for greater noise-mitigation whilst still remaining viable for near-term applications. | |
