論文の概要: Bloch Vector Assertions for Debugging Quantum Programs

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.18458v1
• Date: Mon, 23 Jun 2025 09:53:02 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-24 19:06:36.925138
• Title: Bloch Vector Assertions for Debugging Quantum Programs
• Title（参考訳）: 量子プログラムのデバッグのためのBloch Vector Assertions
• Authors: Noah H. Oldfield, Christoph Laaber, Shaukat Ali,
• Abstract要約: Bloqはスケーラブルで自動化された障害ローカライゼーションアプローチである。 量子アルゴリズムからアサーションスキームを自動的に生成するBloqのコンポーネントであるAutoBloqを紹介する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.8028747063484594
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum programs must be reliable to ensure trustworthy results, yet debugging them is notoriously challenging due to quantum-specific faults like gate misimplementations and hardware noise, as well as their inherently probabilistic nature. Assertion-based debugging provides a promising solution by enabling localized correctness checks during execution. However, current approaches face challenges including manual assertion generation, reliance on mid-circuit-measurements, and poor scalability. In this paper, we present Bloq, a scalable, automated fault localization approach introducing Bloch-vector-based assertions utilizing expectation value measurements of Pauli operators, enabling low-overhead fault localization without mid-circuit measurements. In addition, we introduce AutoBloq, a component of Bloq for automatically generating assertion schemes from quantum algorithms. An experimental evaluation over 684432 programs using two algorithms (Quantum Fourier Transform (QFT) and Grover) shows that Bloq consistently outperforms the state-of-the-art approach Proq, notably as circuit depth and noise increase. For Grover, Bloq achieves a mean F1 score across all experimental instances of 0.74 versus 0.38 for Proq under ideal conditions, and maintains performance under noise (0.43 versus 0.06). Bloq also reduces Proq's runtime by a factor of 5 and circuit depth overhead by a factor of 23. These results underline Bloq's potential to make assertion-based debugging scalable and effective for near-term quantum devices.
• Abstract（参考訳）: 量子プログラムは信頼できる結果を保証するための信頼性が必要ですが、ゲートの誤実装やハードウェアのノイズといった量子固有の欠陥や、本質的に確率的な性質のために、それらをデバッグすることは難しいことで知られています。 Assertionベースのデバッグは、実行中にローカライズされた正当性チェックを有効にすることで、有望なソリューションを提供する。 しかし、現在のアプローチでは、手動のアサーション生成、中回りの計測への依存、スケーラビリティの低下といった課題に直面している。 本稿では,パウリ演算子の期待値測定を利用して,Bloch-vector-based assertionsを導入したスケーラブルで自動化された故障局所化手法であるBloqについて述べる。 さらに、BloqのコンポーネントであるAutoBloqを導入し、量子アルゴリズムからアサーションスキームを自動的に生成する。 QFT(Quantum Fourier Transform)とGrover(Grover)の2つのアルゴリズムを用いた684432プログラムの実験的評価により、Bloqは最先端のアプローチであるProqよりも一貫して優れており、特に回路深度やノイズの増加が顕著である。 グロバーにとって、Bloqは理想的な条件下では0.74対0.38の全ての実験インスタンスの平均F1スコアを達成し、ノイズ下での性能を維持する(0.43対0.06)。 Bloqはまた、Proqのランタイムを5倍に減らし、回路深さのオーバーヘッドを23倍に減らした。 これらの結果は、アサーションベースのデバッグをスケーラブルにし、短期量子デバイスに効果的にするBloqの可能性を示している。

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