論文の概要: The Q-Spellbook: Crafting Surface Code Layouts and Magic State Protocols for Large-Scale Quantum Computing
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.11253v1
- Date: Sun, 16 Feb 2025 20:13:51 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-02-18 14:10:20.070880
- Title: The Q-Spellbook: Crafting Surface Code Layouts and Magic State Protocols for Large-Scale Quantum Computing
- Title（参考訳）: Q-Spellbook:大規模量子コンピューティングのためのSurface Code LayoutsとMagic State Protocolの作成
- Authors: Avimita Chatterjee, Archisman Ghosh, Swaroop Ghosh,
- Abstract要約: 量子誤り訂正は、信頼性のある量子コンピューティングの基盤となる。
表面符号はクリフォードゲートにとって効率的であるが、非クリフォードゲートを処理するにはマジックステート蒸留プロトコルが必要である。
任意の回路を修正できる大規模量子アーキテクチャでは、データキュービットの特殊曲面符号とマジック状態蒸留の個別符号が必要である。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.089191490381739
- License:
- Abstract: Quantum error correction is a cornerstone of reliable quantum computing, with surface codes emerging as a prominent method for protecting quantum information. Surface codes are efficient for Clifford gates but require magic state distillation protocols to process non-Clifford gates, such as T gates, essential for universal quantum computation. In large-scale quantum architectures capable of correcting arbitrary circuits, specialized surface codes for data qubits and distinct codes for magic state distillation are needed. These architectures can be organized into data blocks and distillation blocks. The system works by having distillation blocks produce magic states and data blocks consume them, causing stalls due to either a shortage or excess of magic states. This bottleneck presents an opportunity to optimize quantum space by balancing data and distillation blocks. While prior research offers insights into selecting distillation protocols and estimating qubit requirements, it lacks a tailored optimization approach. We present a framework for optimizing large-scale quantum architectures, focusing on data block layouts and magic state distillation protocols. We evaluate three data block layouts and four distillation protocols under three optimization strategies: minimizing tiles, minimizing steps, and achieving a balanced trade-off. Through a comparative analysis of brute force, dynamic programming, greedy, and random algorithms, we find that brute force delivers optimal results, while greedy deviates by 7% for minimizing steps and dynamic programming matches brute force in tile minimization. We observe that total steps increase with columns, while total tiles scale with qubits. Finally, we propose a heuristic to help users select algorithms suited to their objectives, enabling scalable and efficient quantum architectures.
- Abstract（参考訳）: 量子誤り訂正は信頼性の高い量子コンピューティングの基盤であり、表面符号は量子情報を保護する重要な方法として現れる。
表面符号はクリフォードゲートにとって効率的であるが、Tゲートのような非クリフォードゲートを処理するために魔法の状態蒸留プロトコルを必要とする。
任意の回路を修正できる大規模量子アーキテクチャでは、データキュービットの特殊曲面符号とマジック状態蒸留の個別符号が必要である。
これらのアーキテクチャはデータブロックと蒸留ブロックにまとめることができる。
このシステムは、蒸留ブロックがマジック状態を生成し、データブロックがそれらを消費することで機能し、マジック状態の不足または過剰により停止する。
このボトルネックは、データと蒸留ブロックのバランスをとることによって、量子空間を最適化する機会を提供する。
以前の研究では、蒸留プロトコルの選択とキュービット要求の推定に関する洞察が提供されていたが、最適化アプローチが整っていない。
本稿では,データブロックレイアウトとマジックステート蒸留プロトコルに着目し,大規模量子アーキテクチャを最適化するためのフレームワークを提案する。
我々は,タイルの最小化,ステップの最小化,バランスの取れたトレードオフの達成という3つの最適化戦略の下で,3つのデータブロックレイアウトと4つの蒸留プロトコルを評価した。
ブライト力、動的プログラミング、グリード力、ランダムアルゴリズムの比較分析により、ブライト力は最適な結果をもたらすが、グリード力はステップを最小化し、動的プログラミングはタイルの最小化においてブライト力と一致する。
我々は,全タイルがキュービットでスケールする一方で,全ステップが列で増加することを観察した。
最後に,ユーザが目的に適したアルゴリズムを選択し,スケーラブルで効率的な量子アーキテクチャを実現するためのヒューリスティックを提案する。
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