論文の概要: Price and Payoff: Non-Determinism in Fault Tolerant Quantum Computation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.07983v1
• Date: Fri, 08 May 2026 16:44:12 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-11 19:43:39.210196
• Title: Price and Payoff: Non-Determinism in Fault Tolerant Quantum Computation
• Title（参考訳）: 価格とペイオフ:フォールトトレラント量子計算における非決定性
• Authors: Aditi Awasthi, Sayam Sethi, Sahil Khan, Gokul Subramanian Ravi, Jonathan Mark Baker,
• Abstract要約: 我々は,非決定性は,サイクル当たりの資源需要のピーク(支払額)を膨らませながら,総実行時間(価格)を膨らませる二重効果を有することを示した。 蒸留に基づくアーキテクチャでは、この需要のスムーズ化は時空プロビジョンポイントをスムーズなものとし、決定論的分析の予測よりも時空体積を最小限に抑えるために必要な工場は少ない。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.7532156769771925
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: A promising approach to achieving scalable fault-tolerant quantum computation is the use of quantum error correction (QEC) codes augmented with magic states i.e. resource states produced via distillation, cultivation, or $R_z$ synthesis and teleported into the circuit as needed. Because magic-state production dominates the space-time volume of fault-tolerant programs, system architects must decide how many production units to allocate. Current approaches rely on deterministic analysis that either provisions for worst-case peak demand (wasting valuable qubit resources on factories that are never simultaneously utilized) or assumes average demand, which increases execution time. In this work, we build a simulation framework that couples circuit scheduling with different stochastic magic state production models, and use it to quantify the impact of non-determinism on circuit execution. We show that non-determinism has a dual effect that deterministic models cannot capture: it inflates total execution time (the price), while deflating peak per-cycle resource demand (the payoff). For distillation-based architectures, this demand smoothing shifts the space-time-optimal provisioning point: fewer factories are needed to minimize space-time volume than deterministic analysis predicts. Across benchmarks, stochastic-aware provisioning reduces space-time volume by up to 27% compared to the deterministic optimum for distillation, while requiring up to 30% fewer factories. We characterize these effects across each preparation mechanism, map the resulting design-space tradeoffs, and demonstrate that static resource estimation systematically mis-characterizes the cost of fault-tolerant execution. Our results establish that stochastic-aware analysis is necessary for right-sizing the factory allocations and should replace deterministic heuristics as the standard methodology for FTQC resource planning.
• Abstract（参考訳）: スケーラブルなフォールトトレラント量子計算を実現するための有望なアプローチは、量子エラー訂正(QEC)符号を魔法の状態で拡張することである。 マジックステート生産がフォールトトレラントプログラムの時空ボリュームを支配しているため、システムアーキテクトは、どれくらいの生産単位を割り当てるかを決定する必要がある。 現在のアプローチは、最悪のケースのピーク需要(一度も利用されない工場で貴重なクビット資源を消費)の供給が平均需要を前提とするか、あるいは実行時間を増大させるという決定論的分析に依存している。 本研究では,異なる確率的マジック状態生成モデルと回路スケジューリングを結合するシミュレーションフレームワークを構築し,回路実行に対する非決定性の影響を定量化する。 非決定論は、決定論的モデルでは捉えられない2つの効果があることを示し、総実行時間(価格)を膨らませる一方で、サイクル当たりのリソース需要のピークを膨らませる(ペイオフ)。 蒸留に基づくアーキテクチャでは、この需要のスムーズ化は時空間最適供給点をシフトさせ、決定論的分析の予測よりも時空間容積を最小化する工場は少ない。 ベンチマーク全体では、確率的な供給は、蒸留における決定論的最適条件と比較して、時空の量を最大27%削減する一方で、最大30%の工場を必要とする。 これらの効果を各準備機構にまたがって特徴付け、結果として生じる設計空間のトレードオフをマッピングし、静的リソース推定がフォールトトレラント実行のコストを体系的に誤って評価することを実証する。 この結果から, 工場配置の適正化には確率的知識分析が必要であることが確認され, FTQC資源計画の標準手法として決定論的ヒューリスティックスを置き換えるべきである。

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