[論文レビュー] A Fine-Grained and Efficient Reliability Analysis Framework for Noisy Quantum Circuits

Jindi Wu, Tianjie Hu+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2026

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 0

ひとこと要約

論文は、状態に依存しないノイズ代理回路と代理忠実度を用いて、ノイズの多い量子回路の信頼性を効率的に推定する細粒度でスケーラブルなフレームワークを提案し、全状態忠実度計算を回避します。

ABSTRACT

Evaluating the reliability of noisy quantum circuits is essential for implementing quantum algorithms on noisy quantum devices. However, current quantum hardware exhibits diverse noise mechanisms whose compounded effects make accurate and efficient reliability evaluation challenging. While state fidelity is the most faithful indicator of circuit reliability, it is experimentally and computationally prohibitive to obtain. Alternative metrics, although easier to compute, often fail to accurately reflect circuit reliability, lack universality across circuit types, or offer limited interpretability. To address these challenges, we propose a fine-grained, scalable, and interpretable framework for efficient and accurate reliability evaluation of noisy quantum circuits. Our approach performs a state-independent analysis to model how circuit reliability progressively degrades during execution. We introduce the Noise Proxy Circuit (NPC), which removes all logical operations while preserving the complete sequence of noise channels, thereby providing an abstraction of cumulative noise effects. Based on the NPC, we define Proxy Fidelity, a reliability metric that quantifies both qubit-level and circuit-level reliability. We further develop an analytical algorithm to estimate Proxy Fidelity under depolarizing, thermal relaxation, and readout error channels. The proposed framework achieves fidelity-level reliability estimation while remaining execution-free, scalable, and interpretable. Experimental results show that our method accurately estimates circuit fidelity, with an average absolute difference (AAD) ranging from 0.031 to 0.069 across diverse circuits and devices.

研究の動機と目的

• 多様なノイズ機構にわたるノイズの多い量子回路の信頼性評価の必要性を動機づける。
• 回路実行中の信頼性低下を順次モデル化する状態非依存フレームワークを提案する。
• ノイズの累積を抽象化しつつノイズ系列を保持する Noise Proxy Circuit (NPC) を導入する。
• キュ bit レベルと回路レベルの両方でスケーラブルな信頼性指標として Proxy Fidelity を定義する。
• 一般的なノイズチャネル（デポラライジング、熱緩和、リードアウト）に対する Proxy Fidelity を解析的に推定するアルゴリズムを提供する。

提案手法

• ノイズチャネルの順序を保持しつつすべての論理演算を除去して Noise Proxy Circuit (NPC) を開発する。
• Proxy Fidelity を NPC から導出される信頼性指標として定義する。
• デポラライジング、熱緩和、リードアウトエラー チャネルの下で Proxy Fidelity を推定する解析的方法を導出する。
• 実行非依存でスケーラブルかつ解釈可能なフレームワークを実現し、忠実度レベルの信頼性推定を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全状態忠実度に依存せずに回路の信頼性をどのようにモデル化できるか。
• RQ2 状態非依存の抽象化（NPC）は量子回路の累積ノイズ効果を正確に反映できるか。
• RQ3 標準ノイズモデルに対する Proxy Fidelity の推定精度は真の忠実度と比較してどうか。
• RQ4 さまざまな回路タイプと量子デバイスに対してフレームワークはスケーラブルか。

主な発見

• このフレームワークは回路を実行せずに忠実度レベルの信頼性推定を提供する。
• デポラライジング、熱緩和、リードアウトエラーの下で Proxy Fidelity を解析的に推定できる。
• 実験は多様な回路とデバイスに対して平均絶対差（AAD）が0.031から0.069の範囲になることを示す。