論文の概要: Matching Generalized-Bicycle Codes to Neutral Atoms for Low-Overhead Fault-Tolerance

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2311.16980v1
• Date: Tue, 28 Nov 2023 17:31:08 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-11-29 17:28:08.850717
• Title: Matching Generalized-Bicycle Codes to Neutral Atoms for Low-Overhead Fault-Tolerance
• Title（参考訳）: 低オーバーヘッド耐故障性のための一般自転車符号と中性原子とのマッチング
• Authors: Joshua Viszlai, Willers Yang, Sophia Fuhui Lin, Junyu Liu, Natalia Nottingham, Jonathan M. Baker, Frederic T. Chong
• Abstract要約: それらの特徴と基礎となるハードウェアとを慎重にマッチングすることにより、実際に使用できる量子LDPCコードを同定する。 我々は、原子配列における一般化自転車符号の性能を評価し、表面符号に匹敵する論理的誤り率を求める。 我々は、ベンチマークプログラムを標準、表面コードのみのアーキテクチャと最近提案された混合アーキテクチャで実装するコストを比較した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 7.718509743812828
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Despite the necessity of fault-tolerant quantum systems built on error correcting codes, many popular codes, such as the surface code, have prohibitively large overheads. This has spurred significant interest in quantum LDPC codes which can reduce this overhead by an order of magnitude. Unfortunately, this reduction comes at the cost of many long range interactions. The difficulty in implementing these long range interactions raises questions about the practical viability of quantum LDPC codes. In this work we identify quantum LDPC codes that can be used in practice by carefully matching their features with underlying hardware. We target a specific family, known as generalized-bicycle codes, which have the favorable property of repeated check structure. We find this property can be exploited by quantum computers made from atom arrays, enabling an efficient implementation. Using numerical simulations, we evaluate the performance of generalized-bicycle codes in atom arrays and find comparable logical error rates to surface codes, but with an order of magnitude lower qubit overhead. We then quantify the utility of this implementation in the context of a complete fault tolerant architecture. We compare the cost of implementing benchmark programs in a standard, surface code only architecture and a recently proposed mixed architecture where data is stored in qLDPC memory but is loaded to surface codes for computation. We treat the mixed architecture as a simple memory hierarchy and analyze the dependence of performance on program structure and compilation. Overall, for most programs of interest we find the mixed architecture leads to reduced costs compared to a standard, surface code only architecture. Additionally, we point out important compiler optimizations that emphasize qubit reuse and perform data prefetching to further improve the performance of the mixed architecture.
• Abstract（参考訳）: エラー訂正符号に基づくフォールトトレラントな量子システムの必要性にもかかわらず、表面符号のような多くの一般的な符号は、非常に大きなオーバーヘッドを持つ。 これは量子LDPC符号に大きな関心を惹き付け、このオーバーヘッドを桁違いに減らすことができる。 残念ながら、この削減は多くの長距離インタラクションのコストがかかる。 これらの長距離相互作用を実装することの難しさは、量子LDPC符号の実用性に関する疑問を引き起こす。 本研究では,機能と基礎となるハードウェアを慎重にマッチングすることで,実際に使用できる量子LDPCコードを同定する。 我々は、繰り返しチェック構造に有利な特性を持つ一般化二サイクル符号と呼ばれる特定のファミリーを対象とする。 この特性は原子配列からなる量子コンピュータによって利用でき、効率的な実装が可能となる。 数値シミュレーションを用いて、アトムアレイにおける一般化二サイクル符号の性能を評価し、表面符号と同等の論理誤差率を求めるが、キュービットオーバヘッドは桁違いに小さい。 次に、完全なフォールトトレラントアーキテクチャの文脈で、この実装の有用性を定量化する。 我々は,qLDPCメモリにデータを格納するが,計算のためにサーフェスコードにロードされるような,標準的なサーフェスコードのみのアーキテクチャと,最近提案された混合アーキテクチャのベンチマークプログラムの実装コストを比較した。 混合アーキテクチャを単純なメモリ階層として扱い,プログラム構造やコンパイルに対する性能依存性を分析する。 全体として、関心のあるほとんどのプログラムでは、混合アーキテクチャが標準のsurfaceコードのみのアーキテクチャに比べてコスト削減につながることが分かっています。 さらに、量子ビットの再利用を重視し、データプリフェッチを実行する重要なコンパイラ最適化を指摘し、混合アーキテクチャの性能をさらに向上させる。

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