Actis: Un decodor de uniune strict locală

Actis: Un decodor de uniune strict locală

Marca temporală: 14 noiembrie 2023, ora 6:58

Tim Chan1 și Simon C. Benjamin1,2

1Departamentul de Materiale, Universitatea din Oxford, Parks Road, Oxford OX1 3PH, Regatul Unit
2Quantum Motion, 9 Sterling Way, Londra N7 9HJ, Regatul Unit

Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.

Abstract

Calculul cuantic tolerant la erori necesită hardware clasic pentru a efectua decodarea necesară pentru corectarea erorilor. Decodorul Union–Find este unul dintre cei mai buni candidați pentru acest lucru. Are caracteristici remarcabil de organice, implicând creșterea și fuziunea structurilor de date prin pași de cel mai apropiat vecin; acest lucru sugerează în mod firesc posibilitatea realizării sale folosind o rețea de procesoare simple cu legături de cel mai apropiat vecin. În acest fel, sarcina de calcul poate fi distribuită cu paralelism aproape ideal. Aici arătăm pentru prima dată că această localitate strictă (mai degrabă decât parțială) este practică, cu un timp de rulare în cel mai rău caz $mathcal O(d^3)$ și subquadratic mediu de rulare în distanța codului de suprafață $d$. Este folosită o nouă schemă de calcul al parității, care poate simplifica arhitecturile propuse anterior, iar abordarea noastră este optimizată pentru zgomotul la nivel de circuit. Comparăm realizarea noastră locală cu una sporită de legături pe distanță lungă; în timp ce acesta din urmă este, desigur, mai rapid, observăm că logica locală asincronă ar putea anula diferența.

Actis: A Strictly Local Union–Find Decoder PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Imagine prezentată: Rețeaua utilizată pentru comunicarea controler-nod în Actis pentru un cod de suprafață de distanță 3. Acest arbore este similar cu graficul de decodificare pentru zgomotul la nivel de circuit.

Rezumat popular

Calculatoarele cuantice au potențialul de a oferi o putere de calcul inovatoare, dar numai dacă sunt protejate de zgomot. Acest lucru se face prin corecția erorilor: o modalitate de a schimba mulți qubiți zgomotoși (unități de calcul) cu mai puțini qubiți, dar mai perfecți. Subsarcina crucială de monitorizare a măsurătorilor de la procesorul cuantic pentru a deduce când au apărut erori se numește decodare. Acest lucru trebuie realizat extrem de rapid pentru a ține pasul cu mașina cuantică. Aici modificăm un algoritm de decodare existent pentru a-l face local, adică rulabil pe o grilă de celule de procesare identice, fiecare comunicând numai cu cei mai apropiați vecini. Localitatea are diverse beneficii practice în ceea ce privește viteza, aspectul și robustețea. Testăm designul nostru local și constatăm că timpul său de rulare se comportă într-adevăr mai favorabil decât algoritmul original; sugerăm apoi utilizarea hardware-ului „asincron” pentru a maximiza performanța absolută a designului nostru.

► Date BibTeX

► Referințe

[1] Eric Dennis, Alexei Kitaev, Andrew Landahl și John Preskill. „Memoria cuantică topologică”. Journal of Mathematical Physics 43, 4452–4505 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1499754

[2] Austin G. Fowler, Matteo Mariantoni, John M. Martinis și Andrew N. Cleland. „Coduri de suprafață: către calcule cuantice practice la scară largă”. Physical Review A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[3] Daniel Litinski. „Un joc de coduri de suprafață: calcul cuantic la scară largă cu chirurgie latice”. Quantum 3, 128 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-03-05-128

[4] Jack Edmonds. „Drumuri, copaci și flori”. Canadian Journal of Mathematics 17, 449–467 (1965).
https: / / doi.org/ 10.4153 / CJM-1965-045-4

[5] Austin G. Fowler, Adam C. Whiteside și Lloyd CL Hollenberg. „Spre prelucrarea clasică practică pentru codul de suprafață”. Physical Review Letters 108, 180501 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.180501

[6] Guillaume Duclos-Cianci și David Poulin. „Decodoare rapide pentru coduri cuantice topologice”. Physical Review Letters 104, 050504 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.050504

[7] Guillaume Duclos-Cianci și David Poulin. „Un algoritm de decodare a grupului de renormalizare pentru codurile cuantice topologice”. În 2010 Atelierul de Teoria Informației IEEE. Paginile 1–5. (2010).
https://​/​doi.org/​10.1109/​CIG.2010.5592866

[8] James R. Wootton și Daniel Loss. „Corectarea erorii de prag înalt pentru codul de suprafață”. Physical Review Letters 109, 160503 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.160503

[9] Ben Criger și Imran Ashraf. „Sumare cu mai multe căi pentru decodarea codurilor topologice 2D”. Quantum 2, 102 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-10-19-102

[10] Oscar Higgott, Thomas C. Bohdanowicz, Aleksander Kubica, Steven T. Flammia și Earl T. Campbell. „Decodificare îmbunătățită a zgomotului circuitului și limitelor fragile ale codurilor de suprafață adaptate”. Physical Review X 13, 031007 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.13.031007

[11] Oscar Higgott și Nikolas P. Breuckmann. „Decodificare îmbunătățită într-o singură lovitură a codurilor de produse hipergraf de dimensiuni mai mari”. PRX Quantum 4, 020332 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.4.020332

[12] Kao-Yueh Kuo și Ching-Yi Lai. „Exploatarea degenerării în decodificarea propagării credințelor a codurilor cuantice”. npj Quantum Information 8, 111 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00623-2

[13] Milap Sheth, Sara Zafar Jafarzadeh și Vlad Gheorghiu. „Decodificarea ansamblului neuronal pentru codurile de corectare a erorilor cuantice topologice”. Physical Review A 101, 032338 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032338

[14] Ramon WJ Overwater, Masoud Babaie și Fabio Sebastiano. „Decodoare de rețea neuronală pentru corectarea erorilor cuantice folosind coduri de suprafață: o explorare spațială a compromisurilor cost-performanță hardware”. IEEE Transactions on Quantum Engineering 3, 1–19 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2022.3174017

[15] Nicolas Delfosse. „Decodificare ierarhică pentru a reduce cerințele hardware pentru calculul cuantic” (2020). arXiv:2001.11427.
arXiv: 2001.11427

[16] Kai Meinerz, Chae-Yeun Park și Simon Trebst. „Decodor neural scalabil pentru coduri de suprafață topologică”. Physical Review Letters 128, 080505 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.080505

[17] Gokul Subramanian Ravi, Jonathan M. Baker, Arash Fayyazi, Sophia Fuhui Lin, Ali Javadi-Abhari, Massoud Pedram și Frederic T. Chong. „Mai bine decât decodarea în cel mai rău caz pentru corectarea erorilor cuantice”. În Proceedings of the 28th ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages ​​and Operating Systems, Volumul 2. Paginile 88–102. New York, NY, SUA (2023). Asociația pentru Mașini de Calcul.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3575693.3575733

[18] Samuel C. Smith, Benjamin J. Brown și Stephen D. Bartlett. „Predecodor local pentru a reduce lățimea de bandă și latența corectării erorilor cuantice”. Physical Review Applied 19, 034050 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.19.034050

[19] Nicolas Delfosse și Gilles Zémor. „Decodificarea probabilității maxime în timp liniar a codurilor de suprafață pe canalul de ștergere cuantică”. Physical Review Research 2, 033042 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033042

[20] Nicolas Delfosse și Naomi H. Nickerson. „Algoritm de decodare în timp aproape liniar pentru coduri topologice”. Quantum 5, 595 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-12-02-595

[21] Namitha Liyanage, Yue Wu, Alexander Deters și Lin Zhong. „Corectarea erorilor cuantice scalabile pentru codurile de suprafață folosind FPGA” (2023). arXiv:2301.08419.
arXiv: 2301.08419

[22] Alexei Yu Kitaev. „Calcul cuantic tolerant la erori de către oricine”. Analele fizicii 303, 2–30 (2003).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0003-4916(02)00018-0

[23] Tim Chan (2023). cod: timchan0/​localuf.
https://​/​github.com/​timchan0/​localuf

[24] Tim Chan. „Date pentru „Actis: A Strictly Local Union–Find Decoder”” (2023).
https: / / doi.org/ 10.5281 / zenodo.10075207

[25] Michael A. Nielsen și Isaac L. Chuang. „Calcul cuantic și informații cuantice: ediția a 10-a aniversare”. Cambridge University Press. (2010).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[26] Xinyu Tan, Fang Zhang, Rui Chao, Yaoyun Shi și Jianxin Chen. „Decodoare de coduri de suprafață scalabile cu paralelizare în timp” (2022). arXiv:2209.09219.
arXiv: 2209.09219

[27] Luka Skoric, Dan E. Browne, Kenton M. Barnes, Neil I. Gillespie și Earl T. Campbell. „Decodificarea ferestrelor paralele permite calculul cuantic scalabil cu toleranță la erori”. Nature Communications 14, 7040 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-023-42482-1

[28] Shui Hu. „Algoritm de decodare în timp cvasiliniar pentru coduri topologice cu prag de eroare ridicat”. Teza de masterat. Universitatea de Tehnologie Delft. (2020).
https://​/​doi.org/​10.13140/​RG.2.2.13495.96162

[29] Oscar Higgott. „PyMatching: Un pachet Python pentru decodarea codurilor cuantice cu potrivire perfectă de greutate minimă”. Tranzacții ACM pe calculul cuantic 3, 1–16 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3505637

[30] Yue Wu, Namitha Liyanage și Lin Zhong. „O interpretare a decodorului Union-Find pe grafice ponderate” (2022). arXiv:2211.03288.
arXiv: 2211.03288

[31] Robert Endre Tarjan. „Eficiența unui algoritm de unire a seturilor bune, dar nu liniare”. Jurnalul ACM 22, 215–225 (1975).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 321879.321884

[32] Shilin Huang, Michael Newman și Kenneth R. Brown. „Decodare ponderată union-găsire tolerantă la erori pe codul toric”. Physical Review A 102, 012419 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.012419

[33] LMK Vandersypen, H. Bluhm, JS Clarke, AS Dzurak, R. Ishihara, A. Morello, DJ Reilly, LR Schreiber și M. Veldhorst. „Interfațarea qubiților de spin în puncte cuantice și donatori – fierbinți, densi și coerenti”. npj Quantum Information 3, 34 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-017-0038-y

[34] Andrew Richards. „Universitatea din Oxford Advanced Research Computing”. (2015).
https: / / doi.org/ 10.5281 / zenodo.22558

[35] Sam J. Griffiths și Dan E. Browne. „Decodificarea cuantică a uniunii–găsește fără unire–găsește” (2023). arXiv:2306.09767.
arXiv: 2306.09767

[36] Ben Barber, Kenton M. Barnes, Tomasz Bialas, Okan Buğdaycı, Earl T. Campbell, Neil I. Gillespie, Kauser Johar, Ram Rajan, Adam W. Richardson, Luka Skoric, Canberk Topal, Mark L. Turner și Abbas B. Ziad. „Un decodor în timp real, scalabil, rapid și foarte eficient din punct de vedere al resurselor pentru un computer cuantic” (2023). arXiv:2309.05558.
arXiv: 2309.05558

[37] David S. Wang, Austin G. Fowler și Lloyd CL Hollenberg. „Calcul cuantic de cod de suprafață cu rate de eroare de peste 1%”. Physical Review A 83, 020302 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.020302

[38] Emanuel Knill. „Calcul cuantic cu dispozitive realist zgomotoase”. Nature 434, 39–44 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature03350

[39] Oscar Higgott și Craig Gidney. „Sparse Blossom: corectarea unui milion de erori pe secundă de bază cu potrivirea greutății minime” (2023). arXiv:2303.15933.
arXiv: 2303.15933

[40] Austin G. Fowler, Adam C. Whiteside și Lloyd CL Hollenberg. „Către prelucrarea clasică practică pentru codul de suprafață: analiza timpului”. Physical Review A 86, 042313 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.042313

[41] Yue Wu și Lin Zhong. „Fusion Blossom: decodoare rapide MWPM pentru QEC” (2023). arXiv:2305.08307.
arXiv: 2305.08307

Citat de

[1] Sam J. Griffiths și Dan E. Browne, „Union-find quantum decoding without union-find”, arXiv: 2306.09767, (2023).

[2] Asmae Benhemou, Kaavya Sahay, Lingling Lao și Benjamin J. Brown, „Minimising surface-code failures using a color-code decoder”, arXiv: 2306.16476, (2023).

Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2023-11-14 13:28:32). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.

Nu a putut să aducă Date citate încrucișate în ultima încercare 2023-11-14 13:28:31: Nu s-au putut prelua date citate pentru 10.22331 / q-2023-11-14-1183 de la Crossref. Acest lucru este normal dacă DOI a fost înregistrat recent.

Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Jurnalul cuantic