論文の概要: Enhanced Extrapolation-Based Quantum Error Mitigation Using Repetitive Structure in Quantum Algorithms

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.23314v1
• Date: Thu, 31 Jul 2025 07:47:14 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-01 17:19:09.230653
• Title: Enhanced Extrapolation-Based Quantum Error Mitigation Using Repetitive Structure in Quantum Algorithms
• Title（参考訳）: 量子アルゴリズムにおける繰り返し構造を用いた外挿に基づく量子エラー低減
• Authors: Boseon Kim, Wooyeong Song, Kwangil Bae, Wonhyuk Lee, IlKwon Sohn,
• Abstract要約: 本稿では,繰り返し動作ブロックからなる量子アルゴリズムのための,軽量な外挿に基づく誤り軽減フレームワークを提案する。 我々は,IBMのAerシミュレータ上での6量子Groverのアルゴリズムのシミュレーションにより本手法を検証する。 我々の結果、特にAerシミュレータの結果は、コアブロックの誤差が非常に一貫した指数関数的崩壊に続くことを証明している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Quantum error mitigation is a crucial technique for suppressing errors especially in noisy intermediate-scale quantum devices, enabling more reliable quantum computation without the overhead of full error correction. Zero-Noise Extrapolation (ZNE), which we mainly consider in this work, is one of prominent quantum error mitigation methods. For algorithms with deep circuits - such as iterative quantum algorithms involving multiple oracle calls - ZNE's effectiveness is significantly degraded under high noise. Extrapolation based on such low-fidelity data often yields inaccurate estimates and requires substantial overhead. In this study, we propose a lightweight, extrapolation-based error mitigation framework tailored for structured quantum algorithms composed of repeating operational blocks. The proposed method characterizes the error of the repeated core operational block, rather than the full algorithm, using shallow circuits. Extrapolation is used to estimate the block fidelity, followed by a reconstruction of the mitigated success probability. We validate our method via simulations of the 6-qubit Grover's algorithm on IBM's Aer simulator, then further evaluating it on the real 127-qubit IBM Quantum system based on Eagle r3 under a physical noise environment. Our results, particularly those from Aer simulator, demonstrate that the core block's error follows a highly consistent exponential decay. This allows our technique to achieve robust error mitigation, overcoming the limitations of conventional ZNE which is often compromised by statistically unreliable data from near-random behavior under heavy noise. In low-noise conditions, our method approaches theoretical success probability, outperforms ZNE. In high-noise conditions, ZNE fails to mitigate errors due to overfitting of its extrapolation data, whereas our method achieves over a 20% higher success probability.
• Abstract（参考訳）: 量子エラー軽減は、特にノイズの多い中間スケールの量子デバイスにおいてエラーを抑制する重要な技術であり、完全なエラー訂正のオーバーヘッドを伴わずにより信頼性の高い量子計算を可能にする。 ゼロノイズ外挿法(ゼロノイズ外挿法、ZNE、Zero-Noise Extrapolation、ZNE)は、主にこの研究で検討されている、顕著な量子誤差緩和法の一つである。 複数のオラクル呼び出しを含む反復量子アルゴリズムのような深層回路を持つアルゴリズムの場合、ZNEの有効性は高雑音下で著しく劣化する。 このような低忠実度データに基づく外挿は、しばしば不正確な見積もりをもたらし、かなりのオーバーヘッドを必要とする。 本研究では,繰り返し動作ブロックからなる構造化量子アルゴリズムに適した,軽量な外挿型誤り軽減フレームワークを提案する。 提案手法は,浅回路を用いた完全アルゴリズムではなく,繰り返し発生するコア動作ブロックの誤差を特徴付ける。 補間はブロックの忠実度を推定するために使用され、その後、緩和された成功確率の再構成が行われる。 我々は,IBMのAerシミュレータ上での6キュービットGroverのアルゴリズムのシミュレーションを用いて本手法の有効性を検証し,Eagle r3に基づく実127キュービットIBM量子システム上でさらに評価を行った。 我々の結果、特にAerシミュレータの結果は、コアブロックの誤差が非常に一貫した指数関数的崩壊に続くことを証明している。 これにより、重騒音下でのほぼランダムな挙動から統計的に信頼性の低いデータによってしばしば損なわれる従来のZNEの限界を克服し、ロバストなエラー軽減を実現することができる。 低雑音条件下では、理論的成功確率に近づき、ZNEより優れる。 高雑音条件下では、ZNEは外挿データの過度な適合による誤差を軽減するのに失敗し、一方、我々の手法は20%以上の成功確率を達成する。

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