論文の概要: Characterizing Large Scale Quantum Systems with Error Per Circuit Layer

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.04132v1
• Date: Thu, 03 Sep 2026 17:28:40 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-09-04 18:28:39.186767
• Title: Characterizing Large Scale Quantum Systems with Error Per Circuit Layer
• Title（参考訳）: Error Per Circuit Layer を用いた大規模量子システムの性能評価
• Abstract要約: Error Per Circuit Layer (EPCL) は、重なり合う回路レベルのベンチマークであり、有効層分極を推定する。 我々は, 平均偏極モデルの下で期待される重複崩壊を導出し, 平衡崩壊パラメータが有効層偏極を表す仮定を導出する。 IBM量子ハードウェアの実験では、8ビットと16ビットの実装におけるEPCLの崩壊が明らかである。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.23398054718043335
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Quantum benchmarks provide compact measures of performance that are important for evaluating and comparing quantum systems. Circuit-level benchmarks are particularly valuable because they capture the accumulated effects of noise across interacting operations, but existing approaches may require structured gate sets and costly compilation, classical simulation of reference outputs, or subsystem decompositions that do not capture full-register behavior. We introduce Error Per Circuit Layer (EPCL), an overlap-based circuit-level benchmark that estimates an effective layer polarization by applying identical random circuits to two disjoint quantum registers and measuring the overlap between their output states as a function of circuit depth. EPCL avoids classical simulation of ideal output distributions and recovery to a known reference state, and is compatible with arbitrary gate sets, including non-Clifford gates. We derive the expected overlap decay under an ensemble-averaged depolarizing model and identify the assumptions under which the fitted decay parameter represents an effective layer polarization. Numerical simulations show that EPCL recovers the predicted polarization under weak local stochastic noise and remains well described by a single-exponential decay at stronger stochastic noise levels. The simulations further show that coherent errors associated with fixed entangling layers may require Pauli twirling or randomized compiling to produce the expected decay, while inter-register correlations contribute an additional covariance term to the measured overlap. Finally, experiments on IBM quantum hardware demonstrate clear EPCL decay in 8- and 16-qubit implementations. These results support EPCL as a method for measuring aggregate register performance without requiring classical simulation of ideal circuit outputs or restriction to structured gate sets.
• Abstract（参考訳）: 量子ベンチマークは、量子システムの評価と比較に重要なパフォーマンスのコンパクトな尺度を提供する。 回路レベルのベンチマークは、相互作用する操作間でノイズの蓄積効果をキャプチャするため、特に価値があるが、既存のアプローチでは、構造化ゲートセットとコストのかかるコンパイル、参照出力の古典的なシミュレーション、あるいは完全な登録動作をキャプチャしないサブシステム分解を必要とする。 重み付けに基づく回路レベルベンチマークであるError Per Circuit Layer (EPCL)を導入し、同一のランダム回路を2つの非結合量子レジスタに印加し、その出力状態間の重なりを回路深さの関数として測定することにより、有効層分極を推定する。 EPCLは、理想的な出力分布と既知の参照状態へのリカバリの古典的なシミュレーションを避け、非クリフォードゲートを含む任意のゲートセットと互換性がある。 我々は, 平均偏極モデルの下で期待される重複崩壊を導出し, 平衡崩壊パラメータが有効層偏極を表す仮定を導出する。 数値シミュレーションにより、EPCLは弱い局所確率雑音下で予測された偏極を回復し、より強い確率雑音レベルの単一指数減衰によってよく説明されている。 さらにシミュレーションにより、固定された絡み合う層に付随するコヒーレントな誤差は、予想される崩壊を引き起こすためにパウリのツイリングやランダム化されたコンパイルを必要とする可能性を示し、一方、登録者間相関は測定された重複に余分な共分散項を与える。 最後に、IBM量子ハードウェアの実験により、8ビットと16ビットの実装におけるEPCLの崩壊が明らかとなった。 これらの結果は、理想的な回路出力の古典的なシミュレーションや構造化ゲートセットの制限を必要とせず、EPCLを集約レジスタ性能の測定方法としてサポートしている。

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