論文の概要: Cyclone: Designing Efficient and Highly Parallel QCCD Architectural Codesigns for Fault Tolerant Quantum Memory

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.15910v1
• Date: Wed, 19 Nov 2025 22:26:21 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-11-21 17:08:52.389463
• Title: Cyclone: Designing Efficient and Highly Parallel QCCD Architectural Codesigns for Fault Tolerant Quantum Memory
• Title（参考訳）: Cyclone: フォールトトレラント量子メモリのための効率的で並列なQCCDアーキテクチャコード設計
• Authors: Sahil Khan, Abhinav Anand, Kenneth R. Brown, Jonathan M. Baker,
• Abstract要約: QCCDは、効率的なオール・ツー・オール接続を維持するためにシャットリング操作を必要とする。 我々は、柔軟なリングトポロジーを支持するために、従来の2Dグリッドから離れる円形のソフトウェアハードウェアコードサインであるCycloneを提案する。 HGP符号では、Cycloneは論理誤差率を最大2$times$で改善し、BB符号では、この改善は最大3$times$で達成される。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.122213138963222
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Modular trapped-ion quantum computing hardware, known as QCCDs require shuttling operations in order to maintain effective all-to-all connectivity. Each module or trap can perform only one operation at a time, resulting in low intra-trap parallelism, but there is no restriction on operations happening on independent traps, enabling high inter-trap parallelism. Unlike their superconducting counterparts, the design space for QCCDs is relatively flexible and can be explored beyond current grid designs. In particular, current grid-based architectures significantly limit the performance of many promising, high-rate codes such as HGP codes and BB codes, suffering from numerous trap to trap ``roadblocks", forcing serialization and destroying the inherent parallelism of these codes.. Many of these codes are highly parallelizable, meaning that with appropriate hardware layouts and matching software schedules, execution latency can be reduced. Faster execution, in turn, reduces error accumulation from decoherence and heating, ultimately improving code performance when mapped to realistic hardware. To address this, we propose Cyclone, a circular software-hardware codesign that departs from traditional 2D grids in favor of a flexible ring topology, where ancilla qubits move in lockstep. Cyclone eliminates roadblocks, bounds total movement, and enables high levels of parallelism, resulting in up to ~4$\times$ speedup in execution times. With HGP codes, Cyclone achieves up to a 2$\times$ order of magnitude improvement in logical error rate, and with BB codes, this improvement reaches up to a 3$\times$ in order of magnitude.Spatially, Cyclone reduces the number of required traps and ancilla qubits by $2\times$.The overall spacetime improvement over a standard grid is up to $\sim 20 \times$, demonstrating Cyclone as a scalable and efficient alternative to conventional 2D QCCD architectures.
• Abstract（参考訳）: QCCDとして知られるモジュライオン量子コンピューティングハードウェアは、効率的なオール・ツー・オール接続を維持するためにシャットリング操作を必要とする。 各モジュールやトラップは一度に1つの操作しか実行できず、結果としてトラップ内並列性は低いが、独立したトラップで発生する操作には制限がなく、高いトラップ間並列性を可能にする。 超伝導体とは異なり、QCCDの設計空間は比較的柔軟であり、現在のグリッド設計を超えて探索することができる。 特に、現在のグリッドベースのアーキテクチャは、HGPコードやBBコードのような多くの有望なハイレートコードのパフォーマンスを著しく制限し、"roadblocks"をトラップする多くのトラップに悩まされ、シリアライズを強制し、これらのコード固有の並列性を破壊する。 と。 これらのコードの多くは高度に並列化可能であるため、適切なハードウェアレイアウトとソフトウェアスケジュールの一致によって、実行遅延を低減できる。 高速な実行によってデコヒーレンスや加熱によるエラーの蓄積が減少し、現実的なハードウェアにマッピングされた場合のコードパフォーマンスが向上する。 そこで本研究では,アンシラ量子ビットがロックステップで動く柔軟なリングトポロジを優先して,従来の2Dグリッドから切り離された円形のソフトウェアハードウエア符号Cycloneを提案する。 Cycloneはロードブロックを排除し、全動作をバウンドし、高いレベルの並列化を可能にし、実行時に最大4$\times$スピードアップする。 HGPコードでは、Cycloneは論理エラー率の桁数2$\times$に到達し、BBコードでは、この改善は最大3$\times$に到達する。 標準グリッドに対する全体的な時空改善は最大$\sim 20 \times$であり、Cycloneは従来の2D QCCDアーキテクチャに代わるスケーラブルで効率的な代替品であることを示している。

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