論文の概要: Doubly-polylog-time-overhead fault-tolerant quantum computation by a polylog-time parallel minimum-weight perfect matching decoder

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2503.13601v1
• Date: Mon, 17 Mar 2025 18:00:04 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-03-19 14:15:36.275481
• Title: Doubly-polylog-time-overhead fault-tolerant quantum computation by a polylog-time parallel minimum-weight perfect matching decoder
• Title（参考訳）: ポリログ時間並列最小重み付き完全整合デコーダによる二重ポリログ時間オーバーヘッドフォールトトレラント量子計算
• Authors: Yugo Takada, Hayata Yamasaki,
• Abstract要約: 従来のポリログ空間のオーバヘッドを維持しつつ,2倍のポリログ時間オーバヘッドを実現するプロトコルを開発した。 本プロトコルは, このデコーダを, シングルショットデコーダを組み込んだトポロジカル・コードプロトコルと統合し, 効率的な抽出を行う。 その結果, 従来のポリログ・タイム・オーバヘッドバリアを越え, 低オーバヘッドFTQCの新たなフロンティアを開拓できる可能性が示唆された。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.6114012813668932
• License:
• Abstract: Reducing space and time overheads of fault-tolerant quantum computation (FTQC) has been receiving increasing attention as it is crucial for the development of quantum computers and also plays a fundamental role in understanding the feasibility and limitations of realizing quantum advantages. Shorter time overheads are particularly essential for demonstrating quantum computational speedups without compromising runtime advantages. However, surpassing the conventional polylogarithmic (polylog) scaling of time overheads has remained a significant challenge, since it requires addressing all potential bottlenecks, including the nonzero runtime of classical computation for decoding in practical implementations. In this work, we construct a protocol that achieves FTQC with doubly polylog time overhead while maintaining the conventional polylog space overhead. The key to our approach is the development of a highly parallelizable minimum-weight perfect matching (MWPM) decoder, which achieves a polylog parallel runtime in terms of the code size while providing theoretical guarantees on threshold existence and overhead bounds. Our protocol integrates this decoder with a topological-code protocol that incorporates single-shot decoding for efficient syndrome extraction; furthermore, we concatenate this with the concatenated Steane codes to guarantee the existence of the threshold while avoiding a backlog problem, enabling us to achieve doubly polylog time overheads even when accounting for the decoder's runtime. These results suggest the feasibility of surpassing the conventional polylog-time-overhead barrier, opening a new frontier in low-overhead FTQC.
• Abstract（参考訳）: フォールトトレラント量子計算(FTQC)の空間と時間オーバーヘッドの低減は、量子コンピュータの開発に不可欠であり、量子優位性を実現するための実現可能性と限界を理解する上でも基本的な役割を担っているため、注目されている。 より短い時間オーバーヘッドは、実行時の利点を損なうことなく、量子計算のスピードアップを実証するために特に不可欠である。 しかしながら、時間オーバーヘッドの従来のポリログ(ポリログ)スケーリングを超えることは、実用的な実装における復号化のための古典計算のゼロではないランタイムを含む全ての潜在的なボトルネックに対処する必要があるため、依然として大きな課題である。 本研究では,従来のポリログ空間のオーバヘッドを維持しつつ,2倍のポリログ時間オーバーヘッドでFTQCを実現するプロトコルを構築する。 提案手法の鍵となるのは,並列化可能な最小値完全マッチング(MWPM)デコーダの開発である。 我々は,このデコーダを,効率的なシンドローム抽出のためにシングルショットデコーダを組み込んだトポロジカル・コードプロトコルと統合し,さらに,バックログの問題を避けつつしきい値の存在を保証し,デコーダのランタイムを考慮に入れたとしても2倍のポリログ時間オーバーヘッドを実現できるようにした。 これらの結果から, 従来のポリログタイムオーバーヘッドバリアを越え, 低オーバーヘッドFTQCの新たなフロンティアを開拓する可能性が示唆された。

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