Actis: декодер строго локального объединения

Actis: декодер строго локального объединения

Отметка времени: 14 ноября 2023 г., 6:58

Тим Чан1 и Саймон С. Бенджамин1,2

1Департамент материалов, Оксфордский университет, Паркс Роуд, Оксфорд OX1 3PH, Соединенное Королевство
2Quantum Motion, 9 Sterling Way, Лондон N7 9HJ, Великобритания

Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.

Абстрактные

Отказоустойчивые квантовые вычисления требуют классического оборудования для выполнения декодирования, необходимого для исправления ошибок. Декодер Union-Find — один из лучших кандидатов для этой цели. Он имеет удивительно органичные характеристики, включающие рост и слияние структур данных посредством шагов ближайшего соседа; это, естественно, предполагает возможность его реализации с использованием решетки простых процессоров со связями ближайших соседей. Таким образом, вычислительная нагрузка может быть распределена с почти идеальным параллелизмом. Здесь мы впервые показываем, что эта строгая (а не частичная) локальность практична: время выполнения в худшем случае $mathcal O(d^3)$ и среднее время выполнения субквадратично на расстоянии поверхностного кода $d$. Используется новая схема расчета четности, которая может упростить ранее предложенные архитектуры, а наш подход оптимизирован с учетом шума на уровне схемы. Мы сравниваем нашу локальную реализацию с реализацией, дополненной дальними связями; хотя последний, конечно, быстрее, отметим, что локальная асинхронная логика может свести на нет разницу.

Actis: строго локальный декодер Union-Find для анализа данных PlatoBlockchain. Вертикальный поиск. Ай.

Рекомендованное изображение: сеть, используемая для связи между контроллером и узлом в Actis для поверхностного кода расстояния 3. Это дерево похоже на граф декодирования шума уровня схемы.

Популярное резюме

Квантовые компьютеры могут предложить революционную вычислительную мощность, но только в том случае, если они защищены от шума. Это делается с помощью коррекции ошибок: способа замены большого количества зашумленных кубитов (вычислительных единиц) на меньшее количество, но более совершенных кубитов. Важнейшая подзадача мониторинга измерений квантового процессора для определения случаев возникновения ошибок называется декодированием. Это необходимо выполнить чрезвычайно быстро, чтобы не отставать от квантовой машины. Здесь мы модифицируем существующий алгоритм декодирования, чтобы сделать его локальным, то есть работающим в сетке идентичных ячеек обработки, каждая из которых взаимодействует только со своими ближайшими соседями. Locality имеет различные практические преимущества в скорости, планировке и надежности. Мы тестируем наш локальный проект и обнаруживаем, что его среда выполнения действительно ведет себя более благоприятно, чем исходный алгоритм; затем мы предлагаем использовать «асинхронное» оборудование для максимизации абсолютной производительности нашего проекта.

► Данные BibTeX

► Рекомендации

[1] Эрик Деннис, Алексей Китаев, Эндрю Ландал и Джон Прескилл. «Топологическая квантовая память». Журнал математической физики 43, 4452–4505 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1499754

[2] Остин Г. Фаулер, Маттео Мариантони, Джон М. Мартинис и Эндрю Н. Клиланд. «Поверхностные коды: на пути к практическим крупномасштабным квантовым вычислениям». Физический обзор A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[3] Даниэль Литинский. «Игра поверхностных кодов: крупномасштабные квантовые вычисления с хирургией решетки». Квант 3, 128 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-03-05-128

[4] Джек Эдмондс. «Дорожки, деревья и цветы». Канадский математический журнал 17, 449–467 (1965).
https: / / doi.org/ 10.4153 / CJM-1965-045-4

[5] Остин Г. Фаулер, Адам К. Уайтсайд и Ллойд К.Л. Холленберг. «К практической классической обработке поверхностного кода». Physical Review Letters 108, 180501 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.180501

[6] Гийом Дюкло-Чанчи и Давид Пулен. «Быстрые декодеры топологических квантовых кодов». Письма о физическом обзоре 104, 050504 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.050504

[7] Гийом Дюкло-Чанчи и Давид Пулен. «Алгоритм ренормгруппового декодирования топологических квантовых кодов». В 2010 году семинар IEEE по теории информации. Страницы 1–5. (2010).
https://doi.org/10.1109/CIG.2010.5592866

[8] Джеймс Р. Вуттон и Дэниел Лосс. «Высокопороговая коррекция ошибок для поверхностного кода». Physical Review Letters 109, 160503 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.160503

[9] Бен Кригер и Имран Ашраф. «Многопутевое суммирование для декодирования 2D топологических кодов». Квант 2, 102 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-10-19-102

[10] Оскар Хигготт, Томас К. Богданович, Александр Кубица, Стивен Т. Фламмиа и Эрл Т. Кэмпбелл. «Улучшенное декодирование шума схемы и хрупких границ адаптированных поверхностных кодов». Физическое обозрение X 13, 031007 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.13.031007

[11] Оскар Хигготт и Николас П. Бройкманн. «Улучшенное однократное декодирование многомерных кодов гиперграфов». PRX Quantum 4, 020332 (2023 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.4.020332

[12] Као-Юэ Куо и Чинг-И Лай. «Использование вырождения при декодировании квантовых кодов с распространением убеждений». npj Quantum Information 8, 111 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00623-2

[13] Милап Шет, Сара Зафар Джафарзаде и Влад Георгиу. «Нейронно-ансамблевое декодирование топологических квантовых кодов, исправляющих ошибки». Физическое обозрение А 101, 032338 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.032338

[14] Рамон У. Дж. Оверуотер, Масуд Бабайе и Фабио Себастьяно. «Декодеры нейронных сетей для квантовой коррекции ошибок с использованием поверхностных кодов: космическое исследование компромиссов между стоимостью и производительностью оборудования». IEEE Transactions on Quantum Engineering 3, 1–19 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2022.3174017

[15] Николя Дельфосс. «Иерархическое декодирование для снижения требований к оборудованию для квантовых вычислений» (2020). arXiv:2001.11427.
Arxiv: 2001.11427

[16] Кай Мейнерц, Пак Чэ Ён и Саймон Требст. «Масштабируемый нейронный декодер топологических поверхностных кодов». Письма о физическом обзоре 128, 080505 (2022 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.080505

[17] Гокул Субраманиан Рави, Джонатан М. Бейкер, Араш Файязи, София Фухуи Лин, Али Джавади-Абхари, Массуд Педрам и Фредерик Т. Чонг. «Лучше, чем декодирование в худшем случае для квантовой коррекции ошибок». В материалах 28-й Международной конференции ACM по архитектурной поддержке языков программирования и операционных систем, том 2. Страницы 88–102. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США (2023 г.). Ассоциация вычислительной техники.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3575693.3575733

[18] Сэмюэл С. Смит, Бенджамин Дж. Браун и Стивен Д. Бартлетт. «Локальный предекодер для уменьшения пропускной способности и задержки квантовой коррекции ошибок». Physical Review Applied 19, 034050 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.19.034050

[19] Николя Дельфос и Жиль Земор. «Декодирование поверхностных кодов методом максимального правдоподобия в линейном времени по каналу квантового стирания». Физический обзор исследований 2, 033042 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033042

[20] Николас Дельфосс и Наоми Х. Никерсон. «Почти линейный по времени алгоритм декодирования топологических кодов». Квант 5, 595 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-12-02-595

[21] Намита Лиянаге, Юэ Ву, Александр Детерс и Линь Чжун. «Масштабируемая квантовая коррекция ошибок для поверхностных кодов с использованием FPGA» (2023). arXiv: 2301.08419.
Arxiv: 2301.08419

[22] Алексей Ю. Китаев. «Отказоустойчивые квантовые вычисления с помощью анионов». Анналы физики 303, 2–30 (2003).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0003-4916(02)00018-0

[23] Тим Чан (2023). код: timchan0/localuf.
https://github.com/timchan0/localuf

[24] Тим Чан. «Данные для Actis: декодер поиска строго локальных объединений» (2023 г.).
https: / / doi.org/ 10.5281 / zenodo.10075207

[25] Майкл А. Нильсен и Исаак Л. Чуанг. «Квантовые вычисления и квантовая информация: выпуск к 10-летию». Издательство Кембриджского университета. (2010).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[26] Синьюй Тан, Фан Чжан, Руй Чао, Яоюнь Ши и Цзяньсинь Чен. «Масштабируемые декодеры поверхностного кода с распараллеливанием во времени» (2022). arXiv: 2209.09219.
Arxiv: 2209.09219

[27] Лука Скорич, Дэн Э. Браун, Кентон М. Барнс, Нил И. Гиллеспи и Эрл Т. Кэмпбелл. «Параллельное оконное декодирование обеспечивает масштабируемые отказоустойчивые квантовые вычисления». Nature Communications 14, 7040 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-023-42482-1

[28] Шуй Ху. «Алгоритм квазилинейного временного декодирования топологических кодов с высоким порогом ошибки». Дипломная работа. Делфтский технологический университет. (2020).
https://​/​doi.org/​10.13140/​RG.2.2.13495.96162

[29] Оскар Хигготт. «PyMatching: пакет Python для декодирования квантовых кодов с идеальным соответствием минимального веса». Транзакции ACM в квантовых вычислениях 3, 1–16 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3505637

[30] Юэ Ву, Намита Лиянаге и Линь Чжун. «Интерпретация декодера Union-Find на взвешенных графах» (2022 г.). arXiv: 2211.03288.
Arxiv: 2211.03288

[31] Роберт Эндре Тарьян. «Эффективность хорошего, но не линейного алгоритма объединения множеств». Журнал ACM 22, 215–225 (1975).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 321879.321884

[32] Шилин Хуанг, Майкл Ньюман и Кеннет Р. Браун. «Отказоустойчивое взвешенное декодирование с поиском объединений торического кода». Физическое обозрение А 102, 012419 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.012419

[33] ЛМК Вандерсипен, Х. Блюм, Дж. С. Кларк, А. С. Дзурак, Р. Исихара, А. Морелло, Д. Д. Рейли, Л. Р. Шрайбер и М. Вельдхорст. «Взаимодействие спиновых кубитов в квантовых точках и донорах — горячих, плотных и когерентных». npj Квантовая информация 3, 34 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-017-0038-й

[34] Эндрю Ричардс. «Оксфордский университет перспективных компьютерных исследований». (2015).
https: / / doi.org/ 10.5281 / zenodo.22558

[35] Сэм Дж. Гриффитс и Дэн Э. Браун. «Квантовое декодирование объединения-найти без объединения-найти» (2023). arXiv: 2306.09767.
Arxiv: 2306.09767

[36] Бен Барбер, Кентон М. Барнс, Томаш Бялас, Окан Бугдайчи, Эрл Т. Кэмпбелл, Нил И. Гиллеспи, Каузер Джохар, Рам Раджан, Адам В. Ричардсон, Лука Скорич, Канберк Топал, Марк Л. Тернер и Аббас Б. Зиад. «Масштабируемый, быстрый и высокоэффективный декодер реального времени для квантового компьютера» (2023 г.). arXiv: 2309.05558.
Arxiv: 2309.05558

[37] Дэвид С. Ван, Остин Г. Фаулер и Ллойд К. Л. Холленберг. «Квантовые вычисления поверхностного кода с уровнем ошибок более 1%». Физическое обозрение А 83, 020302 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.020302

[38] Эмануэль Книлл. «Квантовые вычисления с реально шумными устройствами». Природа 434, 39–44 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature03350

[39] Оскар Хигготт и Крейг Гидни. «Sparse Blossom: исправление миллиона ошибок за секунду ядра с сопоставлением минимального веса» (2023 г.). arXiv: 2303.15933.
Arxiv: 2303.15933

[40] Остин Г. Фаулер, Адам К. Уайтсайд и Ллойд К.Л. Холленберг. «На пути к практической классической обработке поверхностного кода: временной анализ». Физическое обозрение А 86, 042313 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.042313

[41] Юэ Ву и Линь Чжун. «Fusion Blossom: быстрые декодеры MWPM для QEC» (2023 г.). arXiv: 2305.08307.
Arxiv: 2305.08307

Цитируется

[1] Сэм Дж. Гриффитс и Дэн Э. Браун, «Квантовое декодирование с поиском объединения без поиска объединения», Arxiv: 2306.09767, (2023).

[2] Асмаэ Бенхему, Каавья Сахай, Линглинг Лао и Бенджамин Дж. Браун, «Минимизация ошибок поверхностного кода с помощью декодера цветового кода», Arxiv: 2306.16476, (2023).

Приведенные цитаты из САО / НАСА ADS (последнее обновление успешно 2023-11-14 13:28:32). Список может быть неполным, поскольку не все издатели предоставляют подходящие и полные данные о цитировании.

Не удалось получить Перекрестная ссылка на данные во время последней попытки 2023-11-14 13:28:31: Не удалось получить цитируемые данные для 10.22331 / q-2023-11-14-1183 от Crossref. Это нормально, если DOI был зарегистрирован недавно.

Эта статья опубликована в Quantum под Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) лицензия. Авторское право остается за первоначальными правообладателями, такими как авторы или их учреждения.

Отметка времени:

Больше от Квантовый журнал