خطاهای منسجم و خطاهای خواندن در کد سطح

خطاهای منسجم و خطاهای خواندن در کد سطح

آرون مارتون1 و یانوس ک. آسبوث1,2

1گروه فیزیک نظری، موسسه فیزیک، دانشگاه فناوری و اقتصاد بوداپست، Műegyetem rkp. 3.، H-1111 بوداپست، مجارستان
2مرکز تحقیقات فیزیک ویگنر، H-1525 بوداپست، صندوق پستی 49.، مجارستان

این مقاله را جالب می دانید یا می خواهید بحث کنید؟ SciRate را ذکر کنید یا در SciRate نظر بدهید.

چکیده

ما اثر ترکیبی خطاهای خواندن و خطاهای همدوس، به عنوان مثال، چرخش فاز قطعی، بر روی کد سطح را در نظر می گیریم. ما از یک رویکرد عددی اخیراً توسعه‌یافته، از طریق نگاشت کیوبیت‌های فیزیکی به فرمیون‌های Majorana استفاده می‌کنیم. ما نشان می‌دهیم که چگونه از این رویکرد در حضور خطاهای بازخوانی که در سطح پدیدارشناسی درمان می‌شوند، استفاده کنیم: اندازه‌گیری‌های تصویری کامل با نتایج بالقوه به‌طور نادرست ثبت‌شده، و چندین دور اندازه‌گیری مکرر. ما یک آستانه برای این ترکیب از خطاها، با نرخ خطا نزدیک به آستانه کانال خطای نامنسجم مربوطه (تصادفی Pauli-Z و خطاهای بازخوانی) پیدا می کنیم. مقدار آستانه خطا با استفاده از وفاداری در بدترین حالت به عنوان معیار خطاهای منطقی، 2.6٪ است. در زیر آستانه، افزایش مقیاس کد منجر به از دست دادن سریع انسجام در خطاهای سطح منطقی می شود، اما میزان خطاهایی که از کانال خطای نامنسجم مربوطه بیشتر است. ما همچنین نرخ خطای منسجم و بازخوانی را به طور مستقل تغییر می‌دهیم و متوجه می‌شویم که کد سطحی نسبت به خطاهای منسجم حساس‌تر است تا خطاهای بازخوانی. کار ما نتایج اخیر را در مورد خطاهای منسجم با بازخوانی کامل به موقعیت واقعی‌تر تجربی که در آن خطاهای بازخوانی نیز رخ می‌دهد، گسترش می‌دهد.

برای انجام محاسبات طولانی، اطلاعات کوانتومی که کامپیوترهای کوانتومی روی آن کار می کنند باید در برابر نویزهای محیطی محافظت شوند. این نیاز به تصحیح خطای کوانتومی (QEC) دارد، که به موجب آن هر کیوبیت منطقی در حالت‌های کوانتومی جمعی بسیاری از کیوبیت‌های فیزیکی کدگذاری می‌شود. ما با استفاده از شبیه‌سازی عددی بررسی کردیم که امیدوارکننده‌ترین کد تصحیح خطای کوانتومی، به اصطلاح کد سطحی، چقدر می‌تواند از اطلاعات کوانتومی در برابر ترکیبی از خطاهای به اصطلاح منسجم (نوعی خطاهای کالیبراسیون) و خطاهای بازخوانی محافظت کند. ما متوجه شدیم که کد سرفیس با بزرگ‌تر شدن کد، تا زمانی که سطح خطا زیر یک آستانه باشد، محافظت بهتری را ارائه می‌کند. این آستانه نزدیک به آستانه شناخته شده ترکیب دیگری از خطاها است: خطاهای ناهمدوس (نوعی خطا ناشی از درهم تنیدگی با محیط کوانتومی) و خطاهای بازخوانی. ما همچنین دریافتیم (همانطور که در تصویر همراه نشان داده شده است) که سرفیس کد در برابر خطاهای خواندن قوی تر از خطاهای منسجم است. توجه داشته باشید که ما از مدل خطای پدیدارشناسی استفاده کردیم: کانال‌های نویز را بسیار دقیق مدل‌سازی کردیم، اما مدل‌سازی کد را در سطح مدار کوانتومی انجام ندادیم.

► داده های BibTeX

◄ مراجع

[1] اریک دنیس، الکسی کیتایف، اندرو لاندال و جان پرسکیل. "حافظه کوانتومی توپولوژیکی". مجله فیزیک ریاضی 43، 4452-4505 (2002).
https://doi.org/​10.1063/​1.1499754

[2] آستین جی فاولر، متئو ماریانتونی، جان ام مارتینیس و اندرو ان کلیلند. "کدهای سطحی: به سوی محاسبات کوانتومی در مقیاس بزرگ". بررسی فیزیکی A 86, 032324 (2012).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.86.032324

[3] چنیانگ وانگ، جیم هرینگتون و جان پرسکیل. "انتقال حبس-هیگز در یک نظریه گیج بی نظم و آستانه دقت برای حافظه کوانتومی". Annals of Physics 303، 31-58 (2003).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0003-4916(02)00019-2

[4] هکتور بومبین، روبن اس اندریست، ماسایوکی اوهزکی، هلموت جی کاتزگرابر و میگل آ مارتین-دلگادو. "تاب آوری قوی کدهای توپولوژیک در برابر دپلاریزاسیون". Physical Review X 2, 021004 (2012).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevX.2.021004

[5] کریستوفر تی چاب و استیون تی فلامیا. "مدل های مکانیکی آماری برای کدهای کوانتومی با نویز همبسته". Annales de l'Institut Henri Poincaré D 8, 269–321 (2021).
https://doi.org/​10.4171/AIHPD/​105

[6] اسکات آرونسون و دنیل گوتسمن "شبیه سازی بهبود یافته مدارهای تثبیت کننده". بررسی فیزیکی A 70, 052328 (2004).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.70.052328

[7] کریگ گیدنی "Stim: یک شبیه ساز مدار تثبیت کننده سریع". Quantum 5, 497 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-07-06-497

[8] سباستین کرینر، ناتان لاکروا، آنتس رم، آگوستین دی پائولو، الی جنوا، کاترین لروکس، کریستف هلینگز، استفانیا لازار، فرانسوا سویادک، یوهانس هرمان، و همکاران. "تحقق تصحیح خطای کوانتومی مکرر در یک کد سطح فاصله سه". Nature 605, 669-674 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-04566-8

[9] راجیو آچاریا و همکاران "سرکوب خطاهای کوانتومی با مقیاس بندی یک کیوبیت منطقی کد سطح". Nature 614, 676 - 681 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-05434-1

[10] یو تومیتا و کریستا ام اسوور. "کدهای سطحی با فاصله کم تحت نویز کوانتومی واقعی". بررسی فیزیکی A 90, 062320 (2014).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.90.062320

[11] دنیل گرینبام و زکری داتون "مدل سازی خطاهای منسجم در تصحیح خطای کوانتومی". علوم و فناوری کوانتومی 3, 015007 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​aa9a06

[12] اندرو اس درماوان و دیوید پولین. "شبیه سازی شبکه تانسور از کد سطح تحت نویز واقعی". Physical Review Letters 119, 040502 (2017).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.119.040502

[13] شیگئو هاکاکو، کوسوکه میتارای و کیسوکه فوجی. «شبیه‌سازی شبه احتمال مبتنی بر نمونه‌برداری برای تصحیح خطای کوانتومی متحمل به خطا در کدهای سطح تحت نویز منسجم». تحقیقات مروری فیزیکی 3، 043130 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.043130

[14] فلوریان ون، یان بهرندز و بنجامین بری. "آستانه خطای منسجم برای کدهای سطحی از جابجایی majorana". Physical Review Letters 131, 060603 (2023).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.131.060603

[15] استفانی جی بیل، جوئل جی والمن، مائوریسیو گوتیرز، کنت آر براون و ریموند لافلم. "تصحیح خطای کوانتومی نویز را جدا می کند". Physical Review Letters 121, 190501 (2018).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.121.190501

[16] جوزف کی آیورسون و جان پرسکیل. انسجام در کانال های کوانتومی منطقی مجله جدید فیزیک 22, 073066 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab8e5c

[17] مائوریسیو گوتیرز، کانر اسمیت، لیویا لولوشی، اسمیتا جاناردان و کنت آر براون. "خطاها و آستانه های شبه برای نویز نامنسجم و منسجم". بررسی فیزیکی A 94, 042338 (2016).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.94.042338

[18] سرگئی براوی، ماتیاس انگلبرشت، رابرت کونیگ و نولان پرد. "اصلاح خطاهای منسجم با کدهای سطح". npj Quantum Information 4 (2018).
https://doi.org/​10.1038/​s41534-018-0106-y

[19] F Venn و B Béri. "آستانه های تصحیح خطا و نویز- ناهمدوسی برای خطاهای منسجم در کدهای سطح گراف مسطح". تحقیقات مروری فیزیکی 2، 043412 (2020).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.2.043412

[20] هکتور بومبین و میگل آ مارتین-دلگادو. "منابع بهینه برای کدهای تثبیت کننده دو بعدی توپولوژیکی: مطالعه تطبیقی". بررسی فیزیکی A 76, 012305 (2007).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.76.012305

[21] نیکلاس دلفوس و نائومی اچ نیکرسون. "الگوریتم رمزگشایی زمان تقریبا خطی برای کدهای توپولوژیکی". Quantum 5, 595 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-12-02-595

[22] سرگئی براوی، مارتین سوچارا و الکساندر وارگو. "الگوریتم های کارآمد برای رمزگشایی حداکثر احتمال در کد سطح". بررسی فیزیکی A 90, 032326 (2014).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.90.032326

[23] آستین جی فاولر. "حداقل وزن تطابق کامل تصحیح خطای کوانتومی توپولوژیکی متحمل خطا در میانگین زمان موازی o(1)". اطلاعات کوانتومی محاسبه کنید. 15، 145-158 (2015).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1307.1740

[24] اریک هوانگ، اندرو سی دوهرتی و استیون فلامیا. "عملکرد تصحیح خطای کوانتومی با خطاهای منسجم". بررسی فیزیکی A 99, 022313 (2019).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.99.022313

[25] الکسی گیلکریست، ناتان کی لنگفورد، و مایکل ای. نیلسن. اندازه گیری فاصله برای مقایسه فرآیندهای کوانتومی واقعی و ایده آل بررسی فیزیکی A 71, 062310 (2005).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.71.062310

[26] کریستوفر پتیسون، مایکل ای بورلند، مارکوس پی داسیلوا و نیکلاس دلفوس. "تصحیح خطای کوانتومی بهبود یافته با استفاده از اطلاعات نرم". پیش چاپ (2021).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.2107.13589

[27] اسکار هیگوت Pymatching: یک بسته پایتون برای رمزگشایی کدهای کوانتومی با تطابق کامل با حداقل وزن. معاملات ACM در محاسبات کوانتومی 3، 1-16 (2022).
https://doi.org/​10.1145/​3505637

[28] الکسی کیتایف. "هر کسی در یک مدل دقیقاً حل شده و فراتر از آن". Annals of Physics 321, 2-111 (2006).
https://doi.org/​10.1016/​j.aop.2005.10.005

[29] "شبیه سازی FLO از کد سطح - اسکریپت پایتون". https://github.com/​martonaron88/​Surface_code_FLO.git.
https://github.com/​martonaron88/​Surface_code_FLO.git

[30] یوانچن ژائو و دونگ ای لیو. "نظریه گیج شبکه و تصحیح خطای کوانتومی توپولوژیکی با انحرافات کوانتومی در آماده سازی حالت و تشخیص خطا". پیش چاپ (2023).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.2301.12859

[31] جینگژن هو، چینگژونگ لیانگ، نارایانان رنگاسوامی، و رابرت کالدربانک. "کاهش نویز منسجم با متعادل کردن وزن-2 تثبیت کننده z". معاملات IEEE در نظریه اطلاعات 68، 1795-1808 (2021).
https://doi.org/​10.1109/​TIT.2021.3130155

[32] یینگکای اویانگ "جلوگیری از خطاهای منسجم با کدهای تثبیت کننده به هم پیوسته چرخشی". npj Quantum Information 7, 87 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-021-00429-8

[33] Dripto M Debroy، Laird Egan، Crystal Noel، Andrew Risinger، Daiwei Zhu، Debopriyo Biswas، Marko Cetina، Chris Monroe و Kenneth R Brown. "بهینه سازی برابری های تثبیت کننده برای بهبود حافظه های کیوبیت منطقی". Physical Review Letters 127, 240501 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.127.240501

[34] S Bravyi و R König. "شبیه سازی کلاسیک اپتیک خطی فرمیونی اتلافی". اطلاعات کوانتومی و محاسبات 12، 1-19 (2012).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1112.2184

[35] باربارا ام ترهال و دیوید پی دی وینچنزو. شبیه سازی کلاسیک مدارهای کوانتومی فرمیونی غیر متقابل بررسی فیزیکی A 65, 032325 (2002).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.65.032325

[36] سرگئی براوی. "نمایش لاگرانژی برای اپتیک خطی فرمیونی". اطلاعات کوانتومی و محاسبات 5، 216-238 (2005).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​0404180
arXiv:quant-ph/0404180

ذکر شده توسط

تمبر زمان:

بیشتر از مجله کوانتومی