論文の概要: Spatiotemporal Pauli processes: Quantum combs for modelling correlated noise in quantum error correction
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.05474v2
- Date: Fri, 06 Mar 2026 03:35:00 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-03-09 13:17:44.088019
- Title: Spatiotemporal Pauli processes: Quantum combs for modelling correlated noise in quantum error correction
- Title（参考訳）: 時空間パウリ過程:量子誤差補正における相関雑音のモデル化のための量子コム
- Authors: John F Kam, Angus Southwell, Spiro Gicev, Muhammad Usman, Kavan Modi,
- Abstract要約: コーパスノイズは量子誤り訂正(QEC)における臨界故障モードである
時空間パウリプロセス(SPP)を紹介する。
SPPは任意のマルチタイム、非マルコフ力学をマルチタイムのパウリ過程にマッピングする。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.7345631364204196
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Correlated noise is a critical failure mode in quantum error correction (QEC), as temporal memory and spatial structure concentrate faults into error bursts that undermine standard threshold assumptions. Yet, a fundamental gap persists between the stochastic Pauli models ubiquitous in QEC and the microscopic, non-Markovian descriptions of physical device dynamics. We close this gap by introducing Spatiotemporal Pauli Processes (SPPs). By applying a multi-time Pauli twirl, operationally realised by Pauli-frame randomisation, to a general process tensor, we map arbitrary multi-time, non-Markovian dynamics to a multi-time Pauli process. This process is represented by a process-separable comb, or equivalently, a well-defined joint probability distribution over Pauli trajectories in spacetime. We show that SPPs inherit efficient tensor network representations whose bond dimensions are bounded by the environment's Liouville-space dimension. To interpret these structures, we develop transfer operator diagnostics linking spectra to correlation decay, and exact hidden Markov representations for suitable classes of SPPs. We demonstrate the framework via surface code memory and stability simulations of up to distance $19$ for (i) a temporally correlated "storm'' model that tunes correlation length at fixed marginal error rates, and (ii) a genuinely spatiotemporal 2D quantum cellular automaton bath that maps exactly to a nonlinear probabilistic cellular automaton under twirling. Tuning coherent bath interactions drives the system into a pseudo-critical regime, exhibiting critical slowing down and macroscopic error avalanches that cause a complete breakdown of surface code distance scaling. Together, these results justify SPPs as an operationally grounded, scalable toolkit for modelling, diagnosing, and benchmarking correlated noise in QEC.
- Abstract（参考訳）: 相関ノイズは量子誤り訂正(QEC)において重要な故障モードであり、時間記憶と空間構造は故障を標準しきい値の仮定を損なうエラーバーストに集中させる。
しかし、QECの確率的パウリモデルと物理的デバイス力学の顕微鏡的、非マルコフ的記述との間には根本的なギャップが持続する。
時空間パウリプロセス(SPP)を導入することで、このギャップを埋める。
パウリフレームランダム化によって操作的に実現されたマルチタイムのパウリツワールを一般的なプロセステンソルに適用することにより、任意のマルチタイム、非マルコフ力学をマルチタイムのパウリ過程にマッピングする。
この過程は、時空におけるパウリ軌道上のよく定義された合同確率分布によって表される。
我々は,SPPが環境のリウヴィル空間次元で有界な結合次元を持つ効率的なテンソルネットワーク表現を継承することを示す。
これらの構造を解釈するために、スペクトルを相関減衰にリンクする転送演算子診断法と、SPPの適切なクラスに対する正確なマルコフ表現を開発する。
我々は、表面コードメモリと最大19ドルでの安定性シミュレーションを通じて、このフレームワークを実証する。
一 一定の限界誤差率で相関長を調整した時間的に相関した「嵐」モデル、及び
(II)真に時空間的な2次元量子セルオートマトンバスで、回転中の非線形確率セルオートマトンに正確にマッピングする。
コヒーレントな浴の相互作用をチューニングすることで、システムを擬似臨界状態へと誘導し、臨界的な減速とマクロな誤差の雪崩を示し、表面コード距離のスケーリングを完全に破壊する。
これらの結果により、SPPはQECにおける相関ノイズのモデル化、診断、およびベンチマークを行うための、運用上の基盤となるスケーラブルなツールキットとして正当化される。
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