Korrigering af ikke-uafhængige og ikke-identisk distribuerede fejl med overfladekoder

Korrigering af ikke-uafhængige og ikke-identisk distribuerede fejl med overfladekoder

Korrigering af ikke-uafhængige og ikke-identisk distribuerede fejl med overfladekoder PlatoBlockchain Data Intelligence. Lodret søgning. Ai.

Konstantin Tiurev1, Peter-Jan HS Derks2, Joschka Roffe2, Jens Eisert2,3, og Jan-Michael Reiner1

1HQS Quantum Simulations GmbH, Rintheimer Straße 23, 76131 Karlsruhe, Tyskland
2Dahlem Center for Complex Quantum Systems, Freie Universität Berlin, 14195 Berlin, Tyskland
3Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, 14109 Berlin, Tyskland

Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.

Abstrakt

En almindelig tilgang til at studere ydeevnen af ​​kvantefejlkorrigerende koder er at antage uafhængige og identisk fordelte enkelt-qubit-fejl. De tilgængelige eksperimentelle data viser dog, at realistiske fejl i moderne multi-qubit-enheder typisk hverken er uafhængige eller identiske på tværs af qubits. I dette arbejde udvikler og undersøger vi egenskaberne af topologiske overfladekoder tilpasset en kendt støjstruktur ved Clifford-konjugationer. Vi viser, at overfladekoden lokalt skræddersyet til ikke-ensartet enkelt-qubit-støj i forbindelse med en skalerbar matchende dekoder giver en stigning i fejltærskler og eksponentiel undertrykkelse af sub-tærskelfejlfrekvenser sammenlignet med standard overfladekoden. Desuden studerer vi adfærden af ​​den skræddersyede overfladekode under lokal to-qubit-støj og viser den rolle, som kodedegeneration spiller for at korrigere sådan støj. De foreslåede metoder kræver ikke yderligere overhead med hensyn til antallet af qubits eller porte og bruger en standard matchende dekoder, og kommer derfor uden ekstra omkostninger sammenlignet med standard overfladekodefejlkorrektion.

Kvantefejlkorrektion gør det muligt at korrigere for vilkårlig kvantestøj. Men almindelige koder som f.eks. overfladekoden er bedst egnede til at iid upartisk støj. I dette arbejde skræddersyer vi overfladekoden til ikke-uafhængige og ikke-identisk distribuerede fejl. Disse støjtilpassede overfladekoder gør brug af passende lokalt tilpassede Clifford-konjugationer, hvilket fører til en god ydeevne.

► BibTeX-data

► Referencer

[1] AY Kitaev, Ann. Phys. 303, 2 (2003).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0003-4916(02)00018-0

[2] E. Dennis, A. Kitaev, A. Landahl og J. Preskill, J. Math. Phys. 43, 4452 (2002a).
https://​/​doi.org/​10.1063/​1.1499754

[3] AG Fowler, AC Whiteside og LCL Hollenberg, Phys. Rev. Lett. 108, 180501 (2012a).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.108.180501

[4] AG Fowler, M. Mariantoni, JM Martinis og AN Cleland, Phys. Rev. A 86, 032324 (2012b).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.86.032324

[5] H. Bombin og MA Martin-Delgado, Phys. Rev. Lett. 97, 180501 (2006).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.97.180501

[6] AJ Landahl, JT Anderson og PR Rice, Fejltolerant kvanteberegning med farvekoder (2011), arXiv:1108.5738.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1108.5738
arXiv: 1108.5738

[7] AM Kubica, Farvekodens ABC'er: En undersøgelse af topologiske kvantekoder som legetøjsmodeller for fejltolerante kvanteberegninger og kvantefaser af stof, Ph.D. afhandling, California Institute of Technology (2018).
https://doi.org/​10.7907/​059V-MG69

[8] H. Bombín, New J. Phys. 17, 083002 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​17/​8/​083002

[9] MA Nielsen og IL Chuang, Quantum Computation and Quantum Information: 10th Anniversary Edition (Cambridge University Press, 2011).

[10] E. Knill, R. Laflamme og WH Zurek, Science 279, 342 (1998).
https://​doi.org/​10.1126/​science.279.5349.342

[11] JP Bonilla Ataides, DK Tuckett, SD Bartlett, ST Flammia og BJ Brown, Nature Comm. 12, 2172 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-22274-1

[12] G. Duclos-Cianci og D. Poulin, Phys. Rev. Lett. 104, 050504 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.104.050504

[13] B. Criger og I. Ashraf, Quantum 2, 102 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-10-19-102

[14] R. Acharya et al., Nature 614, 676 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-05434-1

[15] KJ Satzinger et al., Science 374, 1237 (2021).
https://​doi.org/​10.1126/​science.abi8378

[16] D. Nigg, M. Müller, EA Martinez, P. Schindler, M. Hennrich, T. Monz, MA Martin-Delgado og R. Blatt, Science 345, 302 (2014).
https://​doi.org/​10.1126/​science.1253742

[17] S. Krinner, N. Lacroix, A. Remm, AD Paolo, E. Genois, C. Leroux, C. Hellings, S. Lazar, F. Swiadek, J. Herrmann, GJ Norris, CK Andersen, M. Müller, A. Blais, C. Eichler og A. Wallraff, Nature 605, 669-674 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-04566-8

[18] C. Ryan-Anderson, JG Bohnet, K. Lee, D. Gresh, A. Hankin, JP Gaebler, D. Francois, A. Chernoguzov, D. Lucchetti, NC Brown, TM Gatterman, SK Halit, K. Gilmore, J. Gerber, B. Neyenhuis, D. Hayes og RP Stutz, Realisering af realtidsfejltolerant kvantefejlkorrektion (2021), arXiv:2107.07505 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2107.07505
arXiv: 2107.07505

[19] A. Acín, I. Bloch, H. Buhrman, T. Calarco, C. Eichler, J. Eisert, J. Esteve, N. Gisin, SJ Glaser, F. Jelezko, S. Kuhr, M. Lewenstein, MF Riedel, PO Schmidt, R. Thew, A. Wallraff, I. Walmsley og FK Wilhelm, New J. Phys. 20, 080201 (2018).
https://​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aad1ea

[20] A. Dua, A. Kubica, L. Jiang, ST Flammia og MJ Gullans, Clifford-deformerede overfladekoder (2022), arXiv:2201.07802.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2201.07802
arXiv: 2201.07802

[21] K. Tiurev, A. Pesah, P.-JHS Derks, J. Roffe, J. Eisert, MS Kesselring og J.-M. Reiner, Domænets vægfarvekode (2023), arXiv:2307.00054 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2307.00054
arXiv: 2307.00054

[22] DK Tuckett, SD Bartlett og ST Flammia, Phys. Rev. Lett. 120, 050505 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.120.050505

[23] O. Higgott, TC Bohdanowicz, A. Kubica, ST Flammia og ET Campbell, Forbedret afkodning af kredsløbsstøj og skrøbelige grænser for skræddersyede overfladekoder (2023), arXiv:2203.04948 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2203.04948
arXiv: 2203.04948

[24] DK Tuckett, SD Bartlett, ST Flammia og BJ Brown, Phys. Rev. Lett. 124, 130501 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.124.130501

[25] B. Srivastava, A. Frisk Kockum og M. Granath, Quantum 6, 698 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-04-27-698

[26] JFS Miguel, DJ Williamson og BJ Brown, Quantum 7, 940 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-03-09-940

[27] J. Lee, J. Park og J. Heo, Quantum Information Processing 20, 231 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1007/​s11128-021-03130-z

[28] DK Tuckett, AS Darmawan, CT Chubb, S. Bravyi, SD Bartlett og ST Flammia, Phys. Rev. X 9, 041031 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.9.041031

[29] AS Darmawan, BJ Brown, AL Grimsmo, DK Tuckett og S. Puri, PRX Quantum 2, 030345 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.030345

[30] IbmBrooklyn, IBM Quantum, https://​/​quantumcomputing.ibm.com/​services/​.
https://​/​quantumcomputing.ibm.com/​services/​

[31] IbmWashington, IBM Quantum, https://​/​quantumcomputing.ibm.com/​services/​.
https://​/​quantumcomputing.ibm.com/​services/​

[32] Aspen-M-2, Rigetti Computing, https://​/​qcs.rigetti.com/​qpus.
https://​/​qcs.rigetti.com/​qpus

[33] A. d. iOlius, JE Martinez, P. Fuentes, PM Crespo og J. Garcia-Frias, Phys. Rev. A 106, 062428 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.106.062428

[34] A. d. iOlius, JE Martinez, P. Fuentes og PM Crespo, Phys. Rev. A 108, 022401 (2023).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.108.022401

[35] Y. Wu et al., Phys. Rev. Lett. 127, 180501 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.127.180501

[36] R. Harper og ST Flammia, Læring af korreleret støj i en 39-qubit kvanteprocessor (2023), arXiv:2303.00780 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2303.00780
arXiv: 2303.00780

[37] J. O'Gorman, NH Nickerson, P. Ross, JJ Morton og SC Benjamin, npj Quant. Inf. 2, 15019 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1038/​npjqi.2015.19

[38] A. Mizel og DA Lidar, Phys. Rev. B 70, 115310 (2004).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.70.115310

[39] T.-Q. Cai, X.-Y. Han, Y.-K. Wu, Y.-L. Ma, J.-H. Wang, Z.-L. Wang, H.-Y. Zhang, H.-Y. Wang, Y.-P. Song, og L.-M. Duan, fys. Rev. Lett. 127, 060505 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.127.060505

[40] P. Mundada, G. Zhang, T. Hazard og A. Houck, Phys. Rev. Appl. 12, 054023 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.12.054023

[41] X. Xue, M. Russ, N. Samkharadze, B. Undseth, A. Sammak, G. Scappucci og LMK Vandersypen, Nature 601, 343 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41586-021-04273-w

[42] DM Debroy, M. Li, S. Huang og KR Brown, Logisk ydeevne af 9 qubit kompaskoder i ionfælder med krydstalefejl (2020), arXiv:1910.08495 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1910.08495
arXiv: 1910.08495

[43] A. Hutter og D. Loss, Phys. Rev. A 89, 042334 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.89.042334

[44] P. Baireuther, TE O'Brien, B. Tarasinski og CWJ Beenakker, Quantum 2, 48 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-01-29-48

[45] JP Clemens, S. Siddiqui og J. Gea-Banacloche, Phys. Rev. A 69, 062313 (2004).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.69.062313

[46] D. Aharonov, A. Kitaev og J. Preskill, Phys. Rev. Lett. 96, 050504 (2006).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.96.050504

[47] AG Fowler og JM Martinis, Phys. Rev. A 89, 032316 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.89.032316

[48] P. Jouzdani, E. Novais, IS Tupitsyn og ER Mucciolo, Phys. Rev. A 90, 042315 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.90.042315

[49] JE Martinez, P. Fuentes, A. deMarti iOlius, J. Garcia-Frías, JR Fonollosa og PM Crespo, Multi-qubit tidsvarierende kvantekanaler til nisq-æra superledende kvanteprocessorer (2022), arXiv:2207.06838 [quant- ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2207.06838
arXiv: 2207.06838

[50] M. Li, D. Miller, M. Newman, Y. Wu og KR Brown, Phys. Rev. X 9, 021041 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.9.021041

[51] J. Edmonds, Canadian Journal of Mathematics 17, 449-467 (1965).
https://​/​doi.org/​10.4153/​CJM-1965-045-4

[52] G. Smith og JA Smolin, Phys. Rev. Lett. 98, 030501 (2007).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.98.030501

[53] E. Dennis, A. Kitaev, A. Landahl og J. Preskill, Journal of Mathematical Physics 43, 4452 (2002b).
https://​/​doi.org/​10.1063/​1.1499754

[54] V. Kolmogorov, Mathematical Programming Computation 1, 43 (2009).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s12532-009-0002-8

[55] N. Delfosse og J.-P. Tillich, i 2014 IEEE International Symposium on Information Theory (2014) s. 1071-1075.
https://​/​doi.org/​10.1109/​ISIT.2014.6874997

[56] L. Skoric, DE Browne, KM Barnes, NI Gillespie og ET Campbell, Parallel vinduesdekodning muliggør skalerbar fejltolerant kvanteberegning (2023), arXiv:2209.08552 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2209.08552
arXiv: 2209.08552

[57] S. Bravyi, M. Suchara og A. Vargo, Phys. Rev. A 90, 032326 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.90.032326

[58] For kohærent støj kunne man også overveje mere generelle Clifford-konjugationer, enten af ​​andre unitarer fra $C_1/​U(1)$, eller ved at konjugere flere qubits på én gang og overveje $C_n/​U(1)$ for $ngeq 1 $. Sådanne kodedeformationer vil ikke blive taget i betragtning her.

[59] En sådan XXZZ-kode minder om den roterede XZZX-kode introduceret i Ref. [11] der har samme struktur af logiske operatorer som i vores XXZZ-kode og derfor også fungerer optimalt på et kvadratisk roteret gitter.

[60] SS Tannu og MK Qureshi, i Proceedings of the Twenty-Fourth International Conference on Architectural Support for Programming Languages ​​and Operating Systems, ASPLOS '19 (Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 2019) s. 987-999.
https://​/​doi.org/​10.1145/​3297858.3304007

[61] J. Golden, A. Bärtschi, D. O'Malley og S. Eidenbenz, ACM Trans. Kvant. Comp. 3, 10.1145/​3510857 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1145/​3510857

[62] F. Arute et al., Nature 574, 505 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[63] F. Arute et al., Observation af adskilt dynamik af ladning og spin i Fermi-Hubbard-modellen (2020), arXiv:2010.07965.
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2010.07965
arXiv: 2010.07965

[64] DK Tuckett, Tailoring surface codes: Improvements in quantum error correction with biased noise, Ph.D. afhandling, University of Sydney (2020), (qecsim: https://​/​github.com/​qecsim/​qecsim).
https://​/​github.com/​qecsim/​qecsim

[65] O. Higgott, ACM Transactions on Quantum Computing 3, 10.1145/​3505637 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1145/​3505637

[66] H. Bombin og MA Martin-Delgado, Phys. Rev. A 76, 012305 (2007).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.76.012305

[67] JM Chow, AD Córcoles, JM Gambetta, C. Rigetti, BR Johnson, JA Smolin, JR Rozen, GA Keefe, MB Rothwell, MB Ketchen og M. Steffen, Phys. Rev. Lett. 107, 080502 (2011).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.107.080502

[68] C. Rigetti og M. Devoret, Phys. Rev. B 81, 134507 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.81.134507

[69] L. Xie, J. Zhai, Z. Zhang, J. Allcock, S. Zhang og Y.-C. Zheng, i Proceedings of the 27th ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages ​​and Operating Systems, ASPLOS '22 (Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 2022) s. 499-513.
https://​/​doi.org/​10.1145/​3503222.3507761

[70] N. Grzesiak, R. Blümel, K. Wright, KM Beck, NC Pisenti, M. Li, V. Chaplin, JM Amini, S. Debnath, J.-S. Chen og Y. Nam, Nature Communications 11, 2963 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-16790-9

[71] I lign. eqrefeq:weights_mod, vi inkluderer kun de nulte ordens termer i $p_1$ og $p_2$. I ref. PhysRevA.89.042334, er sandsynligheden for at forbinde to defekter ved en kæde af enkelt- og to-qubit-fejl blevet beregnet til den højere orden. Det vil sige, at forfatterne også har inkluderet muligheden for at skabe forbindelse mellem to defekter med Manhattan-afstand $N$ med én enkelt-qubit-fejl og $N-1$ to-qubit-fejl, når $p_1/​p_2 ll 1$ (med én to -qubit-fejl og $N-1$ enkelt-qubit-fejl, når $p_2/​p_1 ll 1$). Vores simuleringer viser dog, at tilføjelse af sådanne termer af højere orden har en meget lille effekt på afkodningstroskaben.

[72] CJ Trout, M. Li, M. Gutiérrez, Y. Wu, S.-T. Wang, L. Duan og KR Brown, New Journal of Physics 20, 043038 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aab341

[73] S. Puri, L. St-Jean, JA Gross, A. Grimm, NE Frattini, PS Iyer, A. Krishna, S. Touzard, L. Jiang, A. Blais, ST Flammia og SM Girvin, Science Advances 6, 10.1126/​sciadv.aay5901 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.aay5901

[74] E. Huang, A. Pesah, CT Chubb, M. Vasmer og A. Dua, Skræddersy tredimensionelle topologiske koder for forudindtaget støj (2022), arXiv:2211.02116 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.02116
arXiv: 2211.02116

[75] J. Roffe, LZ Cohen, AO Quintavalle, D. Chandra og ET Campbell, Quantum 7, 1005 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-05-15-1005

[76] L. Bennett, B. Melchers og B. Proppe, Curta: En højtydende computer til generelle formål ved ZEDAT, Freie Universität Berlin (2020).
https://​/​doi.org/​10.17169/​refubium-26754

[77] Koderne, der bruges til numeriske simuleringer af de QECC'er, der er studeret i dette arbejde, er tilgængelige på https://github.com/​HQSquantumsimulations/​non-iid-error-correction-published.
https://​/​github.com/​HQSquantumsimulations/​non-iid-error-correction-published

[78] Dataene opnået fra numeriske simuleringer og brugt til plottene i dette arbejde er tilgængelige på https://​/​github.com/​peter-janderks/​plots-and-data-non-iid-errors-with-surface-codes /.
https://​/​github.com/​peter-janderks/​plots-and-data-non-iid-errors-with-surface-codes/​

[79] C. Wang, J. Harrington og J. Preskill, Ann. Phys. 303, 31 (2003).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0003-4916(02)00019-2

[80] JW Harrington, Analyse af kvantefejlkorrigerende koder: symplektiske gitterkoder og toriske koder, Ph.D. afhandling, California Institute of Technology (2004).

[81] R. Sweke, P. Boes, NHY Ng, C. Sparaciari, J. Eisert og M. Goihl, Commun. Phys. 5, 150 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42005-022-00930-2

Citeret af

[1] Josu Etxezarreta Martinez, Patricio Fuentes, Antonio deMarti iOlius, Javier Garcia-Frias, Javier Rodríguez Fonollosa og Pedro M. Crespo, "Multiqubit tidsvarierende kvantekanaler til NISQ-æra superledende kvanteprocessorer", Physical Review Research 5 3, 033055 (2023).

[2] Moritz Lange, Pontus Havström, Basudha Srivastava, Valdemar Bergentall, Karl Hammar, Olivia Heuts, Evert van Nieuwenburg og Mats Granath, "Datadrevet afkodning af kvantefejlskorrigerende koder ved hjælp af grafneurale netværk", arXiv: 2307.01241, (2023).

[3] Joschka Roffe, Lawrence Z. Cohen, Armanda O. Quintavalle, Daryus Chandra og Earl T. Campbell, "Bias-skræddersyede kvante-LDPC-koder", Quantum 7 (1005).

[4] Eric Huang, Arthur Pesah, Christopher T. Chubb, Michael Vasmer og Arpit Dua, "Skræddersy tredimensionelle topologiske koder til forudindtaget støj", arXiv: 2211.02116, (2022).

[5] Konstantin Tiurev, Arthur Pesah, Peter-Jan HS Derks, Joschka Roffe, Jens Eisert, Markus S. Kesselring og Jan-Michael Reiner, "The domain wall color code", arXiv: 2307.00054, (2023).

[6] Yue Ma, Michael Hanks og MS Kim, "Ikke-Pauli-fejl kan effektivt samples i qudit-overfladekoder", arXiv: 2303.16837, (2023).

Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2023-09-27 02:18:23). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.

On Crossrefs citeret af tjeneste ingen data om at citere værker blev fundet (sidste forsøg 2023-09-27 02:18:22).

Tidsstempel:

Mere fra Quantum Journal