論文の概要: Fault-Tolerant Code Switching Protocols for Near-Term Quantum Processors
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2306.17686v1
- Date: Fri, 30 Jun 2023 14:16:52 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-07-03 12:06:08.183034
- Title: Fault-Tolerant Code Switching Protocols for Near-Term Quantum Processors
- Title（参考訳）: 短期量子プロセッサにおけるフォールトトレラントコードスイッチングプロトコル
- Authors: Friederike Butt, Sascha Heu{\ss}en, Manuel Rispler, Markus M\"uller
- Abstract要約: トップカラーコードは、フォールトトレラント量子コンピューティングの有望な候補として広く認められている。
トップカラー符号は、T-次元においてT-ゲートが欠落し、H-ゲートが3-次元の場合、普遍ゲートセット$$H, T, C$$を提供することができる。
我々は,2次元および3次元距離3色符号に対するリソース最適化決定性および非決定性符号切替プロトコルを構築した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Topological color codes are widely acknowledged as promising candidates for
fault-tolerant quantum computing. Neither a two-dimensional nor a
three-dimensional topology, however, can provide a universal gate set $\{$H, T,
CNOT$\}$, with the T-gate missing in the two-dimensional and the H-gate in the
three-dimensional case. These complementary shortcomings of the isolated
topologies may be overcome in a combined approach, by switching between a two-
and a three-dimensional code while maintaining the logical state. In this work,
we construct resource-optimized deterministic and non-deterministic code
switching protocols for two- and three-dimensional distance-three color codes
using fault-tolerant quantum circuits based on flag-qubits. Deterministic
protocols allow for the fault-tolerant implementation of logical gates on an
encoded quantum state, while non-deterministic protocols may be used for the
fault-tolerant preparation of magic states. Taking the error rates of
state-of-the-art trapped-ion quantum processors as a reference, we find a
logical failure probability of $3\%$ for deterministic logical gates, which
cannot be realized transversally in the respective code. By replacing the
three-dimensional distance-three color code in the protocol for magic state
preparation with the morphed code introduced in [1], we reduce the logical
failure rates by two orders of magnitude, thus rendering it a viable method for
magic state preparation on near-term quantum processors. Our results
demonstrate that code switching enables the fault-tolerant and deterministic
implementation of a universal gate set under realistic conditions, and thereby
provide a practical avenue to advance universal, fault-tolerant quantum
computing and enable quantum algorithms on first, error-corrected logical
qubits.
- Abstract（参考訳）: トポロジカルカラーコードは、フォールトトレラント量子コンピューティングの有望な候補として広く認められている。
しかし、2次元の位相も3次元の位相も、T-ゲートが2次元のときとH-ゲートが欠落しているような普遍ゲート集合$$$$$$H, T, CNOT$\}$は提供できない。
これらの分離トポロジの相補的な欠点は、論理状態を維持しながら2次元と3次元のコードを切り替えることで、組み合わせたアプローチで克服することができる。
本研究では,フラグ量子ビットに基づくフォールトトレラント量子回路を用いた2次元および3次元距離3色コードのための,資源最適化決定性および非決定性コードスイッチングプロトコルを構築する。
決定論的プロトコルは、エンコードされた量子状態上の論理ゲートのフォールトトレラントな実装を可能にするが、非決定性プロトコルは、マジック状態のフォールトトレラントな構成に使用できる。
最先端のトラップイオン量子プロセッサの誤差率を基準として、決定論的論理ゲートに対して論理障害確率が3$%$であることを見出した。
マジック状態準備プロトコルにおける3次元距離3色符号を[1]で導入したモルヒド符号に置き換えることにより、論理的故障率を2桁に減らし、短期量子プロセッサ上でのマジック状態作成の実行可能な方法となる。
その結果、コードスイッチングにより、実環境下でのユニバーサルゲートセットのフォールトトレラントかつ決定論的実装が可能となり、これにより、ユビキタスでフォールトトレラントな量子コンピューティングを前進させ、最初に誤り訂正された論理量子ビット上で量子アルゴリズムを有効にすることができる。
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