論文の概要: QuFI: a Quantum Fault Injector to Measure the Reliability of Qubits and Quantum Circuits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2203.07183v1
• Date: Mon, 14 Mar 2022 15:23:29 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-02-22 03:39:24.204433
• Title: QuFI: a Quantum Fault Injector to Measure the Reliability of Qubits and Quantum Circuits
• Title（参考訳）: QuFI:量子ビットと量子回路の信頼性測定のための量子障害インジェクタ
• Authors: Daniel Oliveira, Edoardo Giusto, Emanuele Dri, Nadir Casciola, Betis Baheri, Qiang Guan, Bartolomeo Montrucchio, Paolo Rech
• Abstract要約: 本稿では, 放射誘起断層に対する量子回路の感度と, 量子ビット内の断層が出力に伝播する確率を同定する枠組みを提案する。 本フレームワークは, 複数個のクォービット欠陥を注入し, クォービットと粒子衝突位置との近接度に基づいて, 位相シフトの程度を調整できる。 我々は,Qiskitシミュレータ上での285万回以上のインジェクションと,実際のIBMマシン上での53Kインジェクションの発見を報告する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.9322743017642274
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Quantum computing is a new technology that is expected to revolutionize the computation paradigm in the next few years. Qubits exploit the quantum physics proprieties to increase the parallelism and speed of computation. Unfortunately, besides being intrinsically noisy, qubits have also been shown to be highly susceptible to external sources of faults, such as ionizing radiation. The latest discoveries highlight a much higher radiation sensitivity of qubits than traditional transistors and identify a much more complex fault model than bit-flip. We propose a framework to identify the quantum circuits sensitivity to radiation-induced faults and the probability for a fault in a qubit to propagate to the output. Based on the latest studies and radiation experiments performed on real quantum machines, we model the transient faults in a qubit as a phase shift with a parametrized magnitude. Additionally, our framework can inject multiple qubit faults, tuning the phase shift magnitude based on the proximity of the qubit to the particle strike location. As we show in the paper, the proposed fault injector is highly flexible, and it can be used on both quantum circuit simulators and real quantum machines. We report the finding of more than 285M injections on the Qiskit simulator and 53K injections on real IBM machines. We consider three quantum algorithms and identify the faults and qubits that are more likely to impact the output. We also consider the fault propagation dependence on the circuit scale, showing that the reliability profile for some quantum algorithms is scale-dependent, with increased impact from radiation-induced faults as we increase the number of qubits. Finally, we also consider multi qubits faults, showing that they are much more critical than single faults. The fault injector and the data presented in this paper are available in a public repository to allow further analysis.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピューティングは、今後数年間で計算パラダイムに革命をもたらすと期待されている新しい技術である。 量子物理学の領域を利用して並列性と計算速度を増大させる。 残念なことに、本質的なノイズに加えて、クビットは電離放射線などの外部の断層源に非常に感受性が高いことが示されている。 最新の発見は、従来のトランジスタよりもクビットの放射線感度がはるかに高く、ビットフリップよりもずっと複雑な断層モデルを特定する。 本研究では,放射障害に対する量子回路の感度と,量子ビット内の故障が出力に伝播する確率を同定する枠組みを提案する。 実量子マシン上で行われた最新の研究と放射実験に基づいて、量子ビット内の過渡断層をパラメタライズドマグニチュードの位相シフトとしてモデル化する。 さらに,本フレームワークでは,複数の量子ビット断層を注入し,粒子衝突位置への量子ビットの近接に基づく位相シフトの程度を調整できる。 本稿で示すように,提案するフォールトインジェクタは非常に柔軟であり,量子回路シミュレータと実量子マシンの両方で使用することができる。 我々は,Qiskitシミュレータ上での285万回以上のインジェクションと,実際のIBMマシン上での53Kインジェクションの発見を報告する。 3つの量子アルゴリズムを考慮し、出力に影響を及ぼす可能性のある故障や量子ビットを同定する。 また,回路規模に対する故障伝播依存性についても検討し,量子アルゴリズムの信頼性プロファイルがスケール依存性であり,量子ビット数の増加に伴う放射による障害の影響が増加することを示した。 最後に、複数キュービットの故障も考慮し、単一障害よりもはるかに重要な問題であることを示す。 本論文で紹介するフォールトインジェクタとデータはパブリックリポジトリで公開されており,さらなる解析が可能である。

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