Het corrigeren van niet-onafhankelijke en niet-identiek verdeelde fouten met oppervlaktecodes

Het corrigeren van niet-onafhankelijke en niet-identiek verdeelde fouten met oppervlaktecodes

Het corrigeren van niet-onafhankelijke en niet-identiek verdeelde fouten met oppervlaktecodes PlatoBlockchain Data Intelligence. Verticaal zoeken. Ai.

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

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

Vind je dit artikel interessant of wil je het bespreken? Scite of laat een reactie achter op SciRate.

Abstract

Een gebruikelijke benadering bij het bestuderen van de prestaties van kwantumfoutcorrectiecodes is het aannemen van onafhankelijke en identiek verdeelde single-qubit-fouten. Uit de beschikbare experimentele gegevens blijkt echter dat realistische fouten in moderne multi-qubit-apparaten doorgaans niet onafhankelijk of identiek zijn voor alle qubits. In dit werk ontwikkelen en onderzoeken we de eigenschappen van topologische oppervlaktecodes aangepast aan een bekende ruisstructuur door Clifford-conjugaties. We laten zien dat de oppervlaktecode die lokaal is afgestemd op niet-uniforme single-qubit-ruis in combinatie met een schaalbare matching-decoder een toename van foutdrempels en exponentiële onderdrukking van uitvalpercentages onder de drempel oplevert in vergelijking met de standaard oppervlaktecode. Verder bestuderen we het gedrag van de op maat gemaakte oppervlaktecode onder lokale twee-qubit-ruis en laten we de rol zien die code-degeneratie speelt bij het corrigeren van dergelijke ruis. De voorgestelde methoden vereisen geen extra overhead in termen van het aantal qubits of poorten en maken gebruik van een standaard matchingdecoder, en brengen daarom geen extra kosten met zich mee vergeleken met de standaard oppervlaktecodefoutcorrectie.

Kwantumfoutcorrectie maakt het mogelijk om willekeurige kwantumruis te corrigeren. Maar gewone codes, zoals de oppervlaktecode, zijn het meest geschikt voor het identificeren van onbevooroordeelde ruis. In dit werk stemmen we de oppervlaktecode af op niet-onafhankelijke en niet-identiek verdeelde fouten. Deze op ruis afgestemde oppervlaktecodes maken gebruik van geschikte lokaal aangepaste Clifford-conjugaties, wat tot goede prestaties leidt.

► BibTeX-gegevens

► Referenties

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

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

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

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

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

[6] AJ Landahl, JT Anderson en PR Rice, fouttolerante kwantumcomputers met kleurcodes (2011), arXiv:1108.5738.
https:/​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1108.5738
arXiv: 1108.5738

[7] AM Kubica, Het ABC van de kleurcode: een onderzoek naar topologische kwantumcodes als speelgoedmodellen voor fouttolerante kwantumberekeningen en kwantumfasen van materie, Ph.D. proefschrift, 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 en IL Chuang, Quantum Computation en Quantum Information: 10th Anniversary Edition (Cambridge University Press, 2011).

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

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

[13] B. Criger en 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, en 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 en 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 en RP Stutz, Realisatie van realtime fouttolerante kwantumfoutcorrectie (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, en 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 en MJ Gullans, Clifford-vervormde oppervlaktecodes (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 en J.-M. Reiner, De kleurcode van de domeinmuur (2023), arXiv:2307.00054 [quant-ph].
https:/​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2307.00054
arXiv: 2307.00054

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

[23] O. Higgott, TC Bohdanowicz, A. Kubica, ST Flammia en ET Campbell, Verbeterde decodering van circuitruis en fragiele grenzen van op maat gemaakte oppervlaktecodes (2023), arXiv:2203.04948 [quant-ph].
https:/​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2203.04948
arXiv: 2203.04948

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

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

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

[27] J. Lee, J. Park en 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 en 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 en 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] Advertentie. iOlius, JE Martinez, P. Fuentes, PM Crespo, en J. Garcia-Frias, Phys. A 106, 062428 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.106.062428

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

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

[36] R. Harper en ST Flammia, Gecorreleerde ruis leren in een 39-qubit kwantumprocessor (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 en SC Benjamin, npj Quant. Inf. 2, 15019 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / npjqi.2015.19

[38] A. Mizel en DA Lidar, Phys. 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, en L.-M. Duan, Fys. Ds. Lett. 127, 060505 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.060505

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

[42] DM Debroy, M. Li, S. Huang en KR Brown, Logische prestaties van 9 qubit kompascodes in ionenvallen met overspraakfouten (2020), arXiv:1910.08495 [quant-ph].
https:/​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1910.08495
arXiv: 1910.08495

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

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

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

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

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

[48] P. Jouzdani, E. Novais, IS Tupitsyn, en 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 en PM Crespo, Multi-qubit tijdsvariërende kwantumkanalen voor supergeleidende kwantumprocessors uit het Nisq-tijdperk (2022), arXiv:2207.06838 [kwantitatieve ph].
https:/​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2207.06838
arXiv: 2207.06838

[50] M. Li, D. Miller, M. Newman, Y. Wu en 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 en JA Smolin, Phys. Ds. Lett. 98, 030501 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.030501

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

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

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

[56] L. Skoric, DE Browne, KM Barnes, NI Gillespie en ET Campbell, Parallelle vensterdecodering maakt schaalbare fouttolerante kwantumberekeningen mogelijk (2023), arXiv:2209.08552 [quant-ph].
https:/​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2209.08552
arXiv: 2209.08552

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

[58] Voor coherente ruis zou je ook meer algemene Clifford-conjugaties kunnen overwegen, hetzij door andere unitaries van $C_1/​U(1)$, of door meerdere qubits tegelijk te conjugeren en $C_n/​U(1)$ te beschouwen voor $ngeq 1 $. Dergelijke codevervormingen worden hier buiten beschouwing gelaten.

[59] Een dergelijke XXZZ-code doet denken aan de geroteerde XZZX-code geïntroduceerd in Ref. [11] dat dezelfde structuur aan logische operatoren heeft als in onze XXZZ-code en daarom ook optimaal presteert op een kwadraat geroteerd rooster.

[60] SS Tannu en MK Qureshi, in 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, VS, 2019) p. 987–999.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3297858.3304007

[61] J. Golden, A. Bärtschi, D. O'Malley en S. Eidenbenz, ACM Trans. Kwantitatief 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., Observatie van gescheiden dynamiek van lading en spin in het Fermi-Hubbard-model (2020), arXiv:2010.07965.
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2010.07965
arXiv: 2010.07965

[64] DK Tuckett, Op maat maken van oppervlaktecodes: verbeteringen in kwantumfoutcorrectie met vooringenomen ruis, Ph.D. proefschrift, Universiteit van 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 en 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 en M. Steffen, Phys. Ds. Lett. 107, 080502 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.080502

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

[69] L. Xie, J. Zhai, Z. Zhang, J. Allcock, S. Zhang en Y.-C. Zheng, in 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, VS, 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 en Y. Nam, Nature Communications 11, 2963 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-16790-9

[71] In vgl. eqrefeq:weights_mod, we nemen alleen de termen van de nulde orde op in $p_1$ en $p_2$. In ref. PhysRevA.89.042334 is de waarschijnlijkheid van het verbinden van twee defecten door een keten van single- en two-qubit-fouten berekend in de hogere orde. Dat wil zeggen dat de auteurs ook de mogelijkheid hebben opgenomen om twee defecten met Manhattan-afstand $N$ te verbinden met één enkele qubit-fout en $N-1$ twee-qubit-fouten wanneer $p_1/​p_2 ll 1$ (met één twee -qubit-fout en $N-1$ single-qubit-fouten wanneer $p_2/​p_1 ll 1$). Onze simulaties laten echter zien dat het toevoegen van dergelijke termen van hogere orde een vaag klein effect heeft op de decoderingsgetrouwheid.

[72] CJ Trout, M. Li, M. Gutiérrez, Y. Wu, S.-T. Wang, L. Duan en 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 en 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 en A. Dua, Driedimensionale topologische codes op maat maken voor 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 en ET Campbell, Quantum 7, 1005 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-05-15-1005

[76] L. Bennett, B. Melchers en B. Proppe, Curta: een krachtige computer voor algemeen gebruik bij ZEDAT, Freie Universität Berlin (2020).
https://​/​doi.org/​10.17169/​refubium-26754

[77] De codes die worden gebruikt voor numerieke simulaties van de QECC's die in dit werk zijn bestudeerd, zijn beschikbaar op https://​/​github.com/​HQSquantumsimulations/​non-iid-error-correction-published.
https://​/​github.com/​HQSquantumsimulations/​non-iid-error-correction-published

[78] De gegevens verkregen uit numerieke simulaties en gebruikt voor de grafieken in dit werk zijn beschikbaar op 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 en J. Preskill, Ann. Fys. 303, 31 (2003).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0003-4916(02)00019-2

[80] JW Harrington, Analyse van kwantumfoutcorrectiecodes: symplectische roostercodes en torische codes, Ph.D. proefschrift, California Institute of Technology (2004).

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

Geciteerd door

[1] Josu Etxezarreta Martinez, Patricio Fuentes, Antonio deMarti iOlius, Javier Garcia-Frias, Javier Rodríguez Fonollosa en Pedro M. Crespo, "Multiqubit tijdsvariërende kwantumkanalen voor supergeleidende kwantumprocessors uit het NISQ-tijdperk", Physical Review Onderzoek 5 3, 033055 (2023).

[2] Moritz Lange, Pontus Havström, Basudha Srivastava, Valdemar Bergentall, Karl Hammar, Olivia Heuts, Evert van Nieuwenburg en Mats Granath, "Datagestuurde decodering van codes voor het corrigeren van kwantumfouten met behulp van neurale netwerken van grafieken", arXiv: 2307.01241, (2023).

[3] Joschka Roffe, Lawrence Z. Cohen, Armanda O. Quintavalle, Daryus Chandra en Earl T. Campbell, "Bias-tailored quantum LDPC-codes", Kwantum 7, 1005 (2023).

[4] Eric Huang, Arthur Pesah, Christopher T. Chubb, Michael Vasmer en Arpit Dua, "Driedimensionale topologische codes afstemmen op vooringenomen ruis", arXiv: 2211.02116, (2022).

[5] Konstantin Tiurev, Arthur Pesah, Peter-Jan HS Derks, Joschka Roffe, Jens Eisert, Markus S. Kesselring en Jan-Michael Reiner, "De kleurcode van de domeinmuur", arXiv: 2307.00054, (2023).

[6] Yue Ma, Michael Hanks en MS Kim, "Niet-Pauli-fouten kunnen efficiënt worden bemonsterd in qudit-oppervlaktecodes", arXiv: 2303.16837, (2023).

Bovenstaande citaten zijn afkomstig van SAO / NASA ADS (laatst bijgewerkt met succes 2023-09-27 02:18:23). De lijst is mogelijk onvolledig omdat niet alle uitgevers geschikte en volledige citatiegegevens verstrekken.

On De door Crossref geciteerde service er zijn geen gegevens gevonden over het citeren van werken (laatste poging 2023-09-27 02:18:22).

Tijdstempel:

Meer van Quantum Journaal