Coherente fouten en uitleesfouten in de oppervlaktecode

Coherente fouten en uitleesfouten in de oppervlaktecode

Tijdstempel: 21 september 2023 8:07 uur

Aron Márton1 en János K. Asbóth1,2

1Afdeling Theoretische Fysica, Instituut voor Natuurkunde, Universiteit voor Technologie en Economie van Boedapest, Műegyetem rkp. 3., H-1111 Boedapest, Hongarije
2Wigner Research Center for Physics, H-1525 Boedapest, P.O. Box 49., Hongarije

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

Abstract

We beschouwen het gecombineerde effect van uitleesfouten en coherente fouten, dat wil zeggen deterministische faserotaties, op de oppervlaktecode. We gebruiken een recent ontwikkelde numerieke benadering, via het in kaart brengen van de fysieke qubits aan Majorana-fermionen. We laten zien hoe deze aanpak kan worden gebruikt in de aanwezigheid van uitleesfouten, behandeld op fenomenologisch niveau: perfecte projectieve metingen met mogelijk onjuist geregistreerde uitkomsten, en meerdere herhaalde meetrondes. We vinden een drempel voor deze combinatie van fouten, met een foutenpercentage dat dicht bij de drempel ligt van het overeenkomstige onsamenhangende foutkanaal (willekeurige Pauli-Z en uitleesfouten). De waarde van het drempelfoutpercentage, waarbij de slechtste getrouwheid als maatstaf voor logische fouten wordt gebruikt, is 2.6%. Beneden de drempel leidt het opschalen van de code tot een snel verlies aan coherentie in de fouten op logisch niveau, maar de foutenpercentages zijn groter dan die van het overeenkomstige incoherente foutkanaal. We variëren ook de coherente en uitleesfoutpercentages onafhankelijk, en ontdekken dat de oppervlaktecode gevoeliger is voor coherente fouten dan voor uitleesfouten. Ons werk breidt de recente resultaten over coherente fouten met perfecte uitlezing uit naar de experimenteel meer realistische situatie waarin uitleesfouten ook optreden.

Coherente fouten en uitleesfouten in de oppervlaktecode PlatoBlockchain Data Intelligence. Verticaal zoeken. Ai.

Uitgelichte afbeelding: Onze numerieke resultaten laten zien dat Quantum Error Correction (QEC) met behulp van de Surface Code goed werkt (groen gebied: betere bescherming als er meer qubits worden gebruikt), zelfs als het uitleesfoutenpercentage vrij hoog is, ervan uitgaande dat het aantal coherente fouten niet te hoog is hoog.

Populaire samenvatting

Om lange berekeningen uit te voeren moet de kwantuminformatie waar kwantumcomputers mee werken beschermd worden tegen omgevingsgeluid. Dit vereist kwantumfoutcorrectie (QEC), waarbij elke logische qubit wordt gecodeerd in collectieve kwantumtoestanden van veel fysieke qubits. We hebben met behulp van numerieke simulatie onderzocht hoe goed de meest veelbelovende kwantumfoutcorrectiecode, de zogenaamde Surface Code, kwantuminformatie kan beschermen tegen een combinatie van zogenaamde coherente fouten (een soort kalibratiefouten) en uitleesfouten. We hebben ontdekt dat de Surface Code betere bescherming biedt naarmate de code wordt opgeschaald, zolang de foutniveaus onder een drempel blijven. Deze drempel ligt dicht bij de bekende drempel van een andere combinatie van fouten: incoherente fouten (een soort fout die voortkomt uit verstrengeling met een kwantumomgeving) en uitleesfouten. We ontdekten ook (zoals weergegeven in de begeleidende afbeelding) dat de Surface Code robuuster is tegen uitleesfouten dan coherente fouten. Merk op dat we het zogenaamde fenomenologische foutenmodel hebben gebruikt: we hebben de ruiskanalen zeer nauwkeurig gemodelleerd, maar hebben de code niet op kwantumcircuitniveau gemodelleerd.

► BibTeX-gegevens

► Referenties

[1] Eric Dennis, Alexei Kitaev, Andrew Landahl en John Preskill. "Topologisch kwantumgeheugen". Journal of Mathematical Physics 43, 4452-4505 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1499754

[2] Austin G Fowler, Matteo Mariantoni, John M Martinis en Andrew N Cleland. "Oppervlaktecodes: op weg naar praktische grootschalige kwantumberekeningen". Fysieke beoordeling A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[3] Chenyang Wang, Jim Harrington en John Preskill. "Opsluiting-Higgs-overgang in een ongeordende ijktheorie en de nauwkeurigheidsdrempel voor kwantumgeheugen". Annals of Physics 303, 31–58 (2003).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0003-4916(02)00019-2

[4] Héctor Bombin, Ruben S Andrist, Masayuki Ohzeki, Helmut G Katzgraber en Miguel A Martin-Delgado. "Sterke veerkracht van topologische codes tegen depolarisatie". Fysieke beoordeling X 2, 021004 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.2.021004

[5] Christopher T Chubb en Steven T Flammia. “Statistische mechanische modellen voor kwantumcodes met gecorreleerde ruis”. Annales de l'Institut Henri Poincaré D 8, 269–321 (2021).
https:/​/​doi.org/10.4171/​AIHPD/​105

[6] Scott Aaronson en Daniel Gottesman. "Verbeterde simulatie van stabilisatorcircuits". Fysieke beoordeling A 70, 052328 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.052328

[7] Craig Gidney. "Stim: een snelle stabilisatorcircuitsimulator". Kwantum 5, 497 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-07-06-497

[8] Sebastian Krinner, Nathan Lacroix, Ants Remm, Agustin Di Paolo, Elie Genois, Catherine Leroux, Christoph Hellings, Stefania Lazar, Francois Swiadek, Johannes Herrmann, et al. "Het realiseren van herhaalde kwantumfoutcorrectie in een oppervlaktecode op afstand drie". Natuur 605, 669–674 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-04566-8

[9] Rajeev Acharya et al. "Kwantumfouten onderdrukken door een logische qubit met oppervlaktecode te schalen". Natuur 614, 676 – 681 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-05434-1

[10] Yu Tomita en Krysta M Svore. "Oppervlaktecodes op lage afstand onder realistische kwantumruis". Fysieke beoordeling A 90, 062320 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.90.062320

[11] Daniel Greenbaum en Zachary Dutton. ‘Het modelleren van coherente fouten bij kwantumfoutcorrectie’. Kwantumwetenschap en technologie 3, 015007 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​aa9a06

[12] Andrew S Darmawan en David Poulin. "Tensor-netwerksimulaties van de oppervlaktecode onder realistische ruis". Fysieke beoordelingsbrieven 119, 040502 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.040502

[13] Shigeo Hakkaku, Kosuke Mitarai en Keisuke Fujii. "Op steekproeven gebaseerde quasi-waarschijnlijkheidssimulatie voor fouttolerante kwantumfoutcorrectie op de oppervlaktecodes onder coherente ruis". Fysisch beoordelingsonderzoek 3, 043130 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.043130

[14] Florian Venn, Jan Behrends en Benjamin Béri. "Coherente foutdrempel voor oppervlaktecodes van majorana-delokalisatie". Fysieke beoordelingsbrieven 131, 060603 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.131.060603

[15] Stefanie J Beale, Joel J Wallman, Mauricio Gutiérrez, Kenneth R Brown en Raymond Laflamme. "Kwantumfoutcorrectie decohereert ruis". Fysieke beoordelingsbrieven 121, 190501 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.190501

[16] Joseph K Iverson en John Preskill. "Samenhang in logische kwantumkanalen". Nieuw tijdschrift voor natuurkunde 22, 073066 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab8e5c

[17] Mauricio Gutiérrez, Conor Smith, Livia Lulushi, Smitha Janardan en Kenneth R Brown. "Fouten en pseudodrempels voor onsamenhangende en coherente ruis". Fysieke beoordeling A 94, 042338 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.042338

[18] Sergey Bravyi, Matthias Englbrecht, Robert König en Nolan Peard. "Coherente fouten corrigeren met oppervlaktecodes". npj Quantuminformatie 4 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-018-0106-y

[19] F Venn en B Béri. "Foutcorrectie- en ruis-decoherentiedrempels voor coherente fouten in oppervlaktecodes van vlakke grafieken". Fysisch beoordelingsonderzoek 2, 043412 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.043412

[20] Héctor Bombín en Miguel A Martin-Delgado. “Optimale middelen voor topologische tweedimensionale stabilisatorcodes: vergelijkend onderzoek”. Fysieke beoordeling A 76, 012305 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.76.012305

[21] Nicolas Delfosse en Naomi H Nickerson. "Bijna lineair tijddecoderingsalgoritme voor topologische codes". Kwantum 5, 595 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-12-02-595

[22] Sergey Bravyi, Martin Suchara en Alexander Vargo. "Efficiënte algoritmen voor maximale waarschijnlijkheidsdecodering in de oppervlaktecode". Fysieke beoordeling A 90, 032326 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.90.032326

[23] Austin G. Fowler. "Minimum gewicht perfecte matching van fouttolerante topologische kwantumfoutcorrectie in gemiddelde o (1) parallelle tijd". Kwantuminfo. Berekenen. 15, 145-158 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1307.1740

[24] Eric Huang, Andrew C. Doherty en Steven Flammia. "Prestaties van kwantumfoutcorrectie met coherente fouten". Fysieke beoordeling A 99, 022313 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022313

[25] Alexei Gilchrist, Nathan K. Langford en Michael A. Nielsen. "Afstandsmetingen om echte en ideale kwantumprocessen te vergelijken". Fysieke beoordeling A 71, 062310 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.71.062310

[26] Christopher A Pattison, Michael E Beverland, Marcus P da Silva en Nicolas Delfosse. "Verbeterde kwantumfoutcorrectie met behulp van zachte informatie". voordruk (2021).
https:/​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2107.13589

[27] Oscar Higgott. "Pymatching: een Python-pakket voor het decoderen van kwantumcodes met perfecte matching van minimaal gewicht". ACM-transacties op kwantumcomputing 3, 1–16 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3505637

[28] Alexei Kitaev. "Iedereen in een exact opgelost model en verder". Annals of Physics 321, 2-111 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2005.10.005

[29] "FLO-simulatie van de oppervlaktecode – Python-script". https://​/​github.com/​martonaron88/​Surface_code_FLO.git.
https://​/​github.com/​martonaron88/​Surface_code_FLO.git

[30] Yuanchen Zhao en Dong E Liu. "Roostermetertheorie en topologische kwantumfoutcorrectie met kwantumafwijkingen in de toestandsvoorbereiding en foutdetectie". voordruk (2023).
https:/​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2301.12859

[31] Jingzhen Hu, Qingzhong Liang, Narayanan Rengaswamy en Robert Calderbank. "Coherente ruis verzachten door gewicht-2 z-stabilisatoren in evenwicht te brengen". IEEE-transacties over informatietheorie 68, 1795–1808 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2021.3130155

[32] Yingkai Ouyang. “Het vermijden van coherente fouten met geroteerde aaneengeschakelde stabilisatorcodes”. npj Quantuminformatie 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 en Kenneth R Brown. "Het optimaliseren van stabilisatorpariteiten voor verbeterde logische qubit-geheugens". Fysieke beoordelingsbrieven 127, 240501 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.240501

[34] S Bravyi en R König. ‘Klassieke simulatie van dissipatieve fermionische lineaire optica’. Kwantuminformatie en berekeningen 12, 1–19 (2012).
https:/​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1112.2184

[35] Barbara M Terhal en David P DiVincenzo. ‘Klassieke simulatie van niet-interacterende fermion-kwantumcircuits’. Fysieke beoordeling A 65, 032325 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.65.032325

[36] Sergej Bravyi. ‘Lagrangiaanse representatie voor fermionische lineaire optica’. Kwantuminformatie en berekeningen 5, 216–238 (2005).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​0404180
arXiv: quant-ph / 0404180

Geciteerd door

Dit artikel is gepubliceerd in Quantum onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationaal (CC BY 4.0) licentie. Het auteursrecht blijft berusten bij de oorspronkelijke houders van auteursrechten, zoals de auteurs of hun instellingen.

Tijdstempel:

Meer van Quantum Journaal