論文の概要: The FLuid Allocation of Surface code Qubits (FLASQ) cost model for early fault-tolerant quantum algorithms

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.08508v1
• Date: Wed, 12 Nov 2025 02:02:08 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-11-12 20:17:03.845762
• Title: The FLuid Allocation of Surface code Qubits (FLASQ) cost model for early fault-tolerant quantum algorithms
• Title（参考訳）: 初期のフォールトトレラント量子アルゴリズムのための表面符号量子ビット(FLASQ)のFLuidアロケーション
• Authors: William J. Huggins, Tanuj Khattar, Amanda Xu, Matthew Harrigan, Christopher Kang, Guang Hao Low, Austin Fowler, Nicholas C. Rubin, Ryan Babbush,
• Abstract要約: 初期のフォールトトレランスのためにアルゴリズムを最適化しようとする多くの試みは、回路深さやTカウントといった単純なメトリクスに焦点を当てている。 本稿では,2次元の量子ビット格子を用いたアーキテクチャに適したFLASQ (FLuid Allocation of Surface code Qubits) コストモデルを提案する。 FLASQは、アンシラ空間と時間を流動的に再配置できると仮定することで、ルーティングの複雑さを抽象化する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.6858416458910623
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Holistic resource estimates are essential for guiding the development of fault-tolerant quantum algorithms and the computers they will run on. This is particularly true when we focus on highly-constrained early fault-tolerant devices. Many attempts to optimize algorithms for early fault-tolerance focus on simple metrics, such as the circuit depth or T-count. These metrics fail to capture critical overheads, such as the spacetime cost of Clifford operations and routing, or miss they key optimizations. We propose the FLuid Allocation of Surface code Qubits (FLASQ) cost model, tailored for architectures that use a two-dimensional lattice of qubits to implement the two-dimensional surface code. FLASQ abstracts away the complexity of routing by assuming that ancilla space and time can be fluidly rearranged, allowing for the tractable estimation of spacetime volume while still capturing important details neglected by simpler approaches. At the same time, it enforces constraints imposed by the circuit's measurement depth and the processor's reaction time. We apply FLASQ to analyze the cost of a standard two-dimensional lattice model simulation, finding that modern advances (such as magic state cultivation and the combination of quantum error correction and mitigation) reduce both the time and space required for this task by an order of magnitude compared with previous estimates. We also analyze the Hamming weight phasing approach to synthesizing parallel rotations, revealing that despite its low T-count, the overhead from imposing a 2D layout and from its use of additional ancilla qubits will make it challenging to benefit from in early fault-tolerance. We hope that the FLASQ cost model will help to better align early fault-tolerant algorithmic design with actual hardware realization costs without demanding excessive knowledge of quantum error correction from quantum algorithmists.
• Abstract（参考訳）: ホロスティックなリソース推定は、フォールトトレラントな量子アルゴリズムとそれらが実行するコンピュータの開発を導くのに不可欠である。 これは、高度に制約された早期耐障害性デバイスに注目する場合に特に当てはまる。 初期のフォールトトレランスのためにアルゴリズムを最適化しようとする多くの試みは、回路深さやTカウントといった単純なメトリクスに焦点を当てている。 これらのメトリクスは、クリフォード演算やルーティングの時空コストなどの重要なオーバーヘッドを捉えることができず、鍵となる最適化を見逃す。 本研究では,2次元の量子ビット格子を用いて2次元の曲面コードを実装するアーキテクチャのために,FLASQ (FLuid Allocation of Surface code Qubits) コストモデルを提案する。 FLASQは、アンシラ空間と時間が流動的に再配置可能であると仮定することで、ルーティングの複雑さを抽象化し、より単純なアプローチで無視された重要な詳細を捕捉しながら、時空の体積を抽出可能な推定を可能にする。 同時に、回路の計測深さとプロセッサの反応時間によって課される制約を強制する。 標準的な2次元格子モデルシミュレーションのコスト解析にFLASQを適用し、現代の進歩(マジック状態の栽培や量子エラー補正と緩和の組み合わせなど)によって、このタスクに必要な時間と空間を、以前の推定よりも桁違いに削減できることを見出した。 また, 並列回転を合成するためのハミング重畳法を解析した結果, 低T数にもかかわらず, 2次元レイアウトの導入によるオーバーヘッドと, 追加のアンシラ量子ビットの使用により, 早期耐故障性から恩恵を受けることが困難であることが判明した。 FLASQのコストモデルは、量子アルゴリズム家から過剰な量子エラー補正の知識を必要とせずに、初期のフォールトトレラントなアルゴリズム設計と実際のハードウェア実現コストとの整合性を改善するのに役立つことを期待している。

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