論文の概要: Algorithmic Fault Tolerance for Fast Quantum Computing

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2406.17653v1
• Date: Tue, 25 Jun 2024 15:43:25 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-06-26 13:51:04.505021
• Title: Algorithmic Fault Tolerance for Fast Quantum Computing
• Title（参考訳）: 高速量子コンピューティングのためのアルゴリズム的フォールトトレランス
• Authors: Hengyun Zhou, Chen Zhao, Madelyn Cain, Dolev Bluvstein, Casey Duckering, Hong-Ye Hu, Sheng-Tao Wang, Aleksander Kubica, Mikhail D. Lukin,
• Abstract要約: 本研究では,幅広い種類の量子コードに対して,一定の時間オーバーヘッドでフォールトトレラントな論理演算を実行できることを示す。 理想的な測定結果分布からの偏差をコード距離で指数関数的に小さくできることを示す。 我々の研究は、フォールトトレランスの理論に新たな光を当て、実用的なフォールトトレラント量子計算の時空間コストを桁違いに削減する可能性がある。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 37.448838730002905
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Fast, reliable logical operations are essential for the realization of useful quantum computers, as they are required to implement practical quantum algorithms at large scale. By redundantly encoding logical qubits into many physical qubits and using syndrome measurements to detect and subsequently correct errors, one can achieve very low logical error rates. However, for most practical quantum error correcting (QEC) codes such as the surface code, it is generally believed that due to syndrome extraction errors, multiple extraction rounds -- on the order of the code distance d -- are required for fault-tolerant computation. Here, we show that contrary to this common belief, fault-tolerant logical operations can be performed with constant time overhead for a broad class of QEC codes, including the surface code with magic state inputs and feed-forward operations, to achieve "algorithmic fault tolerance". Through the combination of transversal operations and novel strategies for correlated decoding, despite only having access to partial syndrome information, we prove that the deviation from the ideal measurement result distribution can be made exponentially small in the code distance. We supplement this proof with circuit-level simulations in a range of relevant settings, demonstrating the fault tolerance and competitive performance of our approach. Our work sheds new light on the theory of fault tolerance, potentially reducing the space-time cost of practical fault-tolerant quantum computation by orders of magnitude.
• Abstract（参考訳）: 高速で信頼性の高い論理演算は、実用的な量子アルゴリズムを大規模に実装する必要があるため、有用な量子コンピュータの実現に不可欠である。 論理量子ビットを多くの物理量子ビットに冗長に符号化し、シンドローム測定を用いてエラーを検出し、その後修正することにより、非常に低い論理誤り率が得られる。 しかし、表面符号のようなほとんどの実用的な量子誤り訂正(QEC)符号の場合、一般的に、符号距離dの順に複数の抽出ラウンドがシンドローム抽出誤差のため、フォールトトレラント計算には必要であると考えられている。 ここでは、この一般的な信念に反して、フォールトトレラントな論理演算は、マジック状態入力とフィードフォワード演算を含む広範囲のQEC符号に対して一定の時間オーバーヘッドで行うことができ、「アルゴリズム的フォールトトレランス」を達成することができることを示す。 部分的シンドローム情報のみをアクセスするトランスバーサル演算と新しい相関復号法を組み合わせることで、理想的な測定結果分布からの偏差をコード距離で指数関数的に小さくすることができることを示す。 この証明を回路レベルシミュレーションで補足し,本手法の耐故障性と競合性能を実証する。 我々の研究は、フォールトトレランスの理論に新たな光を当て、実用的なフォールトトレラント量子計算の時空間コストを桁違いに削減する可能性がある。

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