論文の概要: Trace-Based Reconstruction of Quantum Circuit Dataflow in Surface Codes
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.14533v1
- Date: Wed, 20 Aug 2025 08:40:32 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-08-21 16:52:41.396889
- Title: Trace-Based Reconstruction of Quantum Circuit Dataflow in Surface Codes
- Title（参考訳）: 表面コードにおける量子回路データフローのトレースに基づく再構成
- Authors: Theodoros Trochatos, Christopher Kang, Andrew Wang, Frederic T. Chong, Jakub Szefer,
- Abstract要約: この研究はトレースベースの再構成フレームワークであるTraceQを導入し、各エントリのパッチアクティビティを観察することで量子回路データフローを再構築する。
アクセストレースは幅広いシナリオでアプリケーションを持ち、量子プログラムとその上で実行されるハードウェアの分析とプロファイリングを可能にする。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 11.565397653616225
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Practical applications of quantum computing depend on fault-tolerant devices that employ error correction. A promising quantum error-correcting code for large-scale quantum computing is the surface code. For this code, Fault-Tolerant Quantum Computing (FTQC) can be performed via lattice surgery, i.e. merging and splitting of encoded qubit patches on a 2D grid. Lattice surgery operations result in space-time patterns of activity that are defined in this work as access traces. This work demonstrates that the access traces reveal when, where, and how logical qubits interact. Leveraging this formulation, this work further introduces TraceQ, a trace-based reconstruction framework that is able to reconstruct the quantum circuit dataflow just by observing the patch activity at each trace entry. The framework is supported by heuristics for handling inherent ambiguity in the traces, and demonstrates its effectiveness on a range of synthetic fault-tolerant quantum benchmarks. The access traces can have applications in a wide range of scenarios, enabling analysis and profiling of execution of quantum programs and the hardware they run on. As one example use of TraceQ, this work investigates whether such traces can act as a side channel through which an observer can recover the circuit's structure and identify known subroutines in a larger program or even whole programs. The findings show that indeed the minimal access traces can be used to recover subroutines or even whole quantum programs with very high accuracy. Only a single trace per program execution is needed and the processing can be done fully offline. Along with the custom heuristics, advanced subgraph matching algorithms used in this work enable a high rate of locating the subroutines while executing in minimal time.
- Abstract（参考訳）: 量子コンピューティングの実践的応用は、誤り訂正を利用するフォールトトレラントデバイスに依存している。
大規模量子コンピューティングのための有望な量子誤り訂正符号は表面符号である。
このコードに対して、FTQC(Fault-Tolerant Quantum Computing)は格子演算、すなわち2Dグリッド上に符号化された量子ビットパッチのマージと分割によって行うことができる。
格子手術は、この作業においてアクセストレースとして定義される活動の時空間パターンをもたらす。
この研究は、アクセストレースがいつ、どこで、どのように論理量子ビットが相互作用するかを明らかにしている。
この定式化を活用して、トレースベースの再構築フレームワークであるTraceQをさらに導入し、トレースエントリ毎のパッチアクティビティを観察することで、量子回路データフローを再構築することができる。
このフレームワークは、トレースに固有のあいまいさを扱うヒューリスティックスによってサポートされており、合成フォールトトレラントな量子ベンチマークでその効果を実証している。
アクセストレースは幅広いシナリオでアプリケーションを持ち、量子プログラムとその上で実行されるハードウェアの分析とプロファイリングを可能にする。
TraceQの例として、このようなトレースが、オブザーバが回路の構造を回復し、より大きなプログラムやプログラム全体において既知のサブルーチンを特定できるサイドチャネルとして機能するかどうかを調査する。
この結果から,サブルーチンや量子プログラム全体の回復には,アクセストレースの最小化が極めて高い精度で可能であることが示唆された。
プログラムの実行毎に1つのトレースしか必要とせず、処理は完全にオフラインで行うことができる。
この作業で使用される高度なサブグラフマッチングアルゴリズムは、カスタムヒューリスティックスとともに、最小時間で実行しながらサブルーチンの配置を高速に行うことができる。
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