Nem független és nem azonos eloszlású hibák javítása felületi kódokkal

Nem független és nem azonos eloszlású hibák javítása felületi kódokkal

Nem független és nem azonos eloszlású hibák javítása PlatoBlockchain Data Intelligence felületi kódokkal. Függőleges keresés. Ai.

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

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

Érdekesnek találja ezt a cikket, vagy szeretne megvitatni? Scite vagy hagyjon megjegyzést a SciRate-en.

Absztrakt

A kvantumhibajavító kódok teljesítményének tanulmányozásának általános megközelítése független és azonos eloszlású egy-qubites hibák feltételezése. A rendelkezésre álló kísérleti adatok azonban azt mutatják, hogy a modern több qubites eszközök reális hibái általában nem függetlenek és nem azonosak a qubitek között. Ebben a munkában a Clifford-konjugációkkal ismert zajszerkezethez adaptált topológiai felületkódok tulajdonságait fejlesztjük és vizsgáljuk. Megmutatjuk, hogy a nem egységes egyqubites zajra helyileg szabott felületkód egy skálázható illesztő dekóderrel együtt növeli a hibaküszöböt és exponenciálisan csökkenti a küszöb alatti hibaarányt a szabványos felületi kódhoz képest. Továbbá tanulmányozzuk a testre szabott felületi kód viselkedését a helyi két qubites zaj mellett, és megmutatjuk, hogy a kód degenerációja milyen szerepet játszik az ilyen zaj kijavításában. A javasolt módszerek nem igényelnek további többletköltséget a qubitek vagy kapuk száma tekintetében, és szabványos illeszkedő dekódert használnak, így nem járnak többletköltséggel a szabványos felületkód hibajavításhoz képest.

A kvantumhiba-korrekció lehetővé teszi az önkényes kvantumzaj korrigálását. De az általános kódok, mint például a felületi kód, a legalkalmasabbak az elfogulatlan zajra. Ebben a munkában a felületi kódot a nem független és nem azonos eloszlású hibákhoz szabjuk. Ezek a zajra szabott felületkódok megfelelő, helyileg adaptált Clifford-konjugációkat használnak, ami jó teljesítményt eredményez.

► BibTeX adatok

► Referenciák

[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 és J. Preskill, J. Math. Phys. 43, 4452 (2002a).
https://​/​doi.org/​10.1063/​1.1499754

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

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

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

[6] AJ Landahl, JT Anderson és PR Rice, Hibatűrő kvantumszámítógép színkódokkal (2011), arXiv:1108.5738.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1108.5738
arXiv: 1108.5738

[7] AM Kubica, A színkód ABC-je: Topológiai kvantumkódok, mint játékmodellek vizsgálata hibatűrő kvantumszámításhoz és az anyag kvantumfázisaihoz, Ph.D. szakdolgozat, 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 és IL Chuang, Quantum Computation and Quantum Information: 10th Anniversary Edition (Cambridge University Press, 2011).

[10] E. Knill, R. Laflamme és 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 és BJ Brown, Nature Comm. 12, 2172 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-22274-1

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

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

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

[15] KJ Satzinger és munkatársai, 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 és 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 és 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 és RP Stutz, Real-time fault-tolerant kvantumhiba-javítás megvalósítása (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 és 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 és MJ Gullans, Clifford-deformed surface codes (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 és J.-M. Reiner, A tartomány falának színkódja (2023), arXiv:2307.00054 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2307.00054
arXiv: 2307.00054

[22] DK Tuckett, SD Bartlett és 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 és ET Campbell, Az áramköri zaj és a testre szabott felületi kódok törékeny határainak továbbfejlesztett dekódolása (2023), arXiv:2203.04948 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2203.04948
arXiv: 2203.04948

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

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

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

[27] J. Lee, J. Park és 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 és 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 és 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 és 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 és PM Crespo, Phys. Rev. A 108, 022401 (2023).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.108.022401

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

[36] R. Harper és ST Flammia: Korrelált zaj tanulása 39 qubit-es kvantumprocesszorban (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 és SC Benjamin, npj Quant. Inf. 2, 15019 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1038/​npjqi.2015.19

[38] A. Mizel és 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, és L.-M. Duan, Phys. Rev. Lett. 127, 060505 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.127.060505

[40] P. Mundada, G. Zhang, T. Hazard és 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 és LMK Vandersypen, Nature 601, 343 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41586-021-04273-w

[42] DM Debroy, M. Li, S. Huang és KR Brown, 9 qubit-es iránytűkódok logikai teljesítménye áthallási hibákkal rendelkező ioncsapdákban (2020), arXiv:1910.08495 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1910.08495
arXiv: 1910.08495

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

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

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

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

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

[48] P. Jouzdani, E. Novais, IS Tupitsyn és 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 és PM Crespo, Multi-qubit time-varinging quantum channels for nisq-era superconducting quantum processors (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 és 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 és JA Smolin, Phys. Rev. Lett. 98, 030501 (2007).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.98.030501

[53] E. Dennis, A. Kitaev, A. Landahl és 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 és J.-P. Tillich, 2014-ben az IEEE International Symposium on Information Theory (2014) 1071–1075.
https://​/​doi.org/​10.1109/​ISIT.2014.6874997

[56] L. Skoric, DE Browne, KM Barnes, NI Gillespie és ET Campbell: A párhuzamos ablakdekódolás skálázható hibatűrő kvantumszámítást tesz lehetővé (2023), arXiv:2209.08552 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2209.08552
arXiv: 2209.08552

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

[58] A koherens zajhoz általánosabb Clifford-konjugációkat is figyelembe vehetnénk, akár más unitáriusokkal a $C_1/​U(1)$-ból, akár több qubit konjugálásával, és a $C_n/​U(1)$ figyelembevételével $ngeq 1-hez. $. Az ilyen kóddeformációkat itt nem vesszük figyelembe.

[59] Egy ilyen XXZZ-kód a Ref.-ben bevezetett elforgatott XZZX-kódra emlékeztet. [11], amely ugyanazzal a logikai operátorstruktúrával rendelkezik, mint az XXZZ kódunkban, és ezért optimálisan teljesít egy négyzetes elforgatott rácson is.

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

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

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

[63] F. Arute és munkatársai, A töltés és a spin elkülönült dinamikájának megfigyelése a Fermi-Hubbard modellben (2020), arXiv:2010.07965.
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2010.07965
arXiv: 2010.07965

[64] DK Tuckett, Felületi kódok szabása: Javítások a kvantumhiba-javításban torzított zajjal, Ph.D. szakdolgozat, 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 és 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 és M. Steffen, Phys. Rev. Lett. 107, 080502 (2011).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.107.080502

[68] C. Rigetti és 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 és Y.-C. Zheng, Proceedings of the 27. ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages ​​and Operating Systems, ASPLOS '22 (Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 2022) p. 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 és Y. Nam, Nature Communications 11, 2963 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-16790-9

[71] Az Eq. eqrefeq:weights_mod, csak a nulladik sorrendű kifejezéseket tartalmazza a $p_1$ és a $p_2$. In Ref. PhysRevA.89.042334, két hiba összekapcsolásának valószínűségét egy- és két qubites hibák láncolatával a magasabb rendűre számítottuk. Vagyis a szerzők azt a lehetőséget is beépítették, hogy két, $N$ Manhattan távolsággal összekötő hibát hozzanak létre egy egyqubites hibával és $N-1$ kétkubites hibákat, ha $p_1/​p_2 ll 1$ (egy kettővel -qubit hiba és $N-1$ egy-qubit hiba, ha $p_2/​p_1 ll 1$). Szimulációink azonban azt mutatják, hogy az ilyen magasabb rendű kifejezések hozzáadása ijesztően csekély hatással van a dekódolási hűségre.

[72] CJ Trout, M. Li, M. Gutiérrez, Y. Wu, S.-T. Wang, L. Duan és 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 és 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 és A. Dua, Tailoring three-dimensional topological codes for biased noise (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 és ET Campbell, Quantum 7, 1005 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-05-15-1005

[76] L. Bennett, B. Melchers és B. Proppe, Curta: Általános célú, nagy teljesítményű számítógép a ZEDAT-nál, Freie Universität Berlin (2020).
https://​/​doi.org/​10.17169/​refubium-26754

[77] Az ebben a munkában vizsgált QECC-k numerikus szimulációjához használt kódok a https://​/​github.com/​HQSquantumsimulations/​non-iid-error-correction-published címen érhetők el.
https://​/​github.com/​HQSquantumsimulations/​non-iid-error-correction-published

[78] A numerikus szimulációkból nyert és a jelen munkában a diagramokhoz felhasznált adatok a következő címen érhetők el: 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 és J. Preskill, Ann. Phys. 303, 31 (2003).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0003-4916(02)00019-2

[80] JW Harrington, Kvantum hibajavító kódok elemzése: szimplektikus rácskódok és tórikus kódok, Ph.D. szakdolgozat, California Institute of Technology (2004).

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

Idézi

[1] Josu Etxezarreta Martinez, Patricio Fuentes, Antonio deMarti iOlius, Javier Garcia-Frias, Javier Rodríguez Fonollosa és Pedro M. Crespo, „Multiqubit time-variing quantum channels for NISQ-korabeli szupravezető kvantumprocesszorok”, Physical Review Research 5 3, 033055 (2023).

[2] Moritz Lange, Pontus Havström, Basudha Srivastava, Valdemar Bergental, Karl Hammar, Olivia Heuts, Evert van Nieuwenburg és Mats Granath, „Kvantumhiba-javító kódok adatvezérelt dekódolása gráf neurális hálózatok segítségével”, arXiv: 2307.01241, (2023).

[3] Joschka Roffe, Lawrence Z. Cohen, Armanda O. Quintavalle, Daryus Chandra és Earl T. Campbell, „Elfogultságra szabott kvantum LDPC kódok”, Quantum 7, 1005 (2023).

[4] Eric Huang, Arthur Pesah, Christopher T. Chubb, Michael Vasmer és Arpit Dua, „Háromdimenziós topológiai kódok testreszabása torzított zajhoz”, arXiv: 2211.02116, (2022).

[5] Konstantin Tiurev, Arthur Pesah, Peter-Jan HS Derks, Joschka Roffe, Jens Eisert, Markus S. Kesselring és Jan-Michael Reiner, „A tartomány falának színkódja”, arXiv: 2307.00054, (2023).

[6] Yue Ma, Michael Hanks és MS Kim: „A nem Pauli hibák hatékonyan mintavételezhetők qudit felületi kódokban”, arXiv: 2303.16837, (2023).

A fenti idézetek innen származnak SAO/NASA HIRDETÉSEK (utolsó sikeres frissítés: 2023-09-27 02:18:23). Előfordulhat, hogy a lista hiányos, mivel nem minden kiadó ad megfelelő és teljes hivatkozási adatokat.

On Crossref által idézett szolgáltatás művekre hivatkozó adat nem található (utolsó próbálkozás 2023-09-27 02:18:22).

Időbélyeg:

Még több Quantum Journal