論文の概要: Advances in compilation for quantum hardware -- A demonstration of magic
state distillation and repeat-until-success protocols
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2310.12106v1
- Date: Wed, 18 Oct 2023 16:57:36 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-10-19 15:34:45.527684
- Title: Advances in compilation for quantum hardware -- A demonstration of magic
state distillation and repeat-until-success protocols
- Title（参考訳）: 量子ハードウェアのためのコンパイルの進歩 -- マジック状態蒸留と繰り返しアンティルサクセスプロトコルの実証-
- Authors: Natalie C. Brown, John Peter Campora III, Cassandra Granade, Bettina
Heim, Stefan Wernli, Ciaran Ryan-Anderson, Dominic Lucchetti, Adam Paetznick,
Martin Roetteler, Krysta Svore, Alex Chernoguzov
- Abstract要約: フォールトトレラントプロトコルは大規模かつ正確な量子アルゴリズムを可能にする。
量子中間表現(Quantum Intermediate Representation, QIR)を用いて2つのプロトコルを探索し, サブルーチンの性能解析を行う。
QIRは、量子アセンブリで直接記述された手動最適化版とほぼ同等の性能を持つ、コンパイルされたハイレベルプログラムに対して実行可能な表現を提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 7.9977250359018095
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Fault-tolerant protocols enable large and precise quantum algorithms. Many
such protocols rely on a feed-forward processing of data, enabled by a hybrid
of quantum and classical logic. Representing the control structure of such
programs can be a challenge. Here we explore two such fault-tolerant
subroutines and analyze the performance of the subroutines using Quantum
Intermediate Representation (QIR) as their underlying intermediate
representation. First, we look at QIR's ability to leverage the LLVM compiler
toolchain to unroll the quantum iteration logic required to perform magic state
distillation on the $[[5,1,3]]$ quantum error-correcting code as originally
introduced by Bravyi and Kitaev [Phys. Rev. A 71, 022316 (2005)]. This allows
us to not only realize the first implementation of a real-time magic state
distillation protocol on quantum hardware, but also demonstrate QIR's ability
to optimize complex program structures without degrading machine performance.
Next, we investigate a different fault-tolerant protocol that was first
introduced by Paetznick and Svore [arXiv:1311.1074 (2013)], that reduces the
amount of non-Clifford gates needed for a particular algorithm. We look at four
different implementations of this two-stage repeat-until-success algorithm to
analyze the performance changes as the results of programming choices. We find
the QIR offers a viable representation for a compiled high-level program that
performs nearly as well as a hand-optimized version written directly in quantum
assembly. Both of these results demonstrate QIR's ability to accurately and
efficiently expand the complexity of fault-tolerant protocols that can be
realized today on quantum hardware.
- Abstract（参考訳）: フォールトトレラントプロトコルは大規模かつ正確な量子アルゴリズムを可能にする。
このようなプロトコルの多くは、量子論理と古典論理のハイブリッドによって実現されるデータのフィードフォワード処理に依存している。
このようなプログラムの制御構造を表現することは困難である。
本稿では,2つの耐故障サブルーチンを探索し,その中間表現として量子中間表現(QIR)を用いたサブルーチンの性能解析を行う。
まず、QIR が LLVM コンパイラツールチェーンを利用して、Bravyi と Kitaev [Phys. Rev. A 71, 022316 (2005)] によって導入された$[5,1,3] の量子エラー訂正コードに対して、マジック状態の蒸留を行うのに必要な量子反復論理をアンロールする能力に注目します。
これにより、量子ハードウェア上でのリアルタイムマジック状態蒸留プロトコルの最初の実装を実現するだけでなく、マシン性能を劣化させることなく複雑なプログラム構造を最適化するQIRの能力を示すことができる。
次に,Paetznick と Svore [arXiv:1311.1074 (2013)] が最初に導入した,特定のアルゴリズムに必要な非クリフォードゲートの量を削減したフォールトトレラントプロトコルについて検討する。
プログラム選択の結果としての性能変化を分析するために,この2段階繰り返し実行成功アルゴリズムの4つの異なる実装を検討する。
QIRは、量子アセンブリで直接記述された手動最適化版とほぼ同等の性能を持つ、コンパイルされたハイレベルプログラムに対して実行可能な表現を提供する。
これらの結果は、量子ハードウェア上で今日実現可能なフォールトトレラントプロトコルの複雑さを正確かつ効率的に拡張するQIRの能力を示している。
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