[論文レビュー] Adaptive Aborting Schemes for Quantum Error Correction Decoding

Sanidhay Bhambay, Prakash Murali+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2026

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 0

ひとこと要約

本研究は、適応的中止モジュールを導入し、シンドローム測定ショットを未有望な段階で早期に終了させることで、現実的なノイズ下でのサーフェスコードおよびカラーコードのデコーダ効率を向上させる。

ABSTRACT

Quantum error correction (QEC) is essential for realizing fault-tolerant quantum computation. Current QEC controllers execute all scheduled syndrome (parity-bit) measurement rounds before decoding, even when early syndrome data indicates that the run will result in an error. The resulting excess measurements increase the decoder's workload and system latency. To address this, we introduce an adaptive abort module that simultaneously reduces decoder overhead and suppresses logical error rates in surface codes and color codes under an existing QEC controller. The key idea is that initial syndrome information allows the controller to terminate risky shots early before additional resources are spent. An effective scheme balances the cost of further measurement against the restart cost and thus increases decoder efficiency. Adaptive abort schemes dynamically adjust the number of syndrome measurement rounds per shot using real-time syndrome information. We consider three schemes: fixed-depth (FD) decoding (the standard non-adaptive approach used in current state-of-the-art QEC controllers), and two adaptive schemes, AdAbort and One-Step Lookahead (OSLA) decoding. For surface and color codes under a realistic circuit-level depolarizing noise model, AdAbort substantially outperforms both OSLA and FD, yielding higher decoder efficiency across a broad range of code distances. Numerically, as the code distance increases from 5 to 15, AdAbort yields an improvement that increases from 5% to 35% for surface codes and from 7% to 60% for color codes. To our knowledge, these are the first adaptive abort schemes considered for QEC. Our results highlight the potential importance of abort rules for increasing efficiency as we scale to large, resource-intensive quantum architectures.

研究の動機と目的

• ショットをデコード前に中止され得る逐次決定問題として量子誤り訂正を位置づける
• 二つの適応スキーム（OSLAとAdAbort）を提案し、中止を決定する方法を開発する
• 固定深度、OSLA、AdAbortを回路レベルのノイズモデルでサーフェスコードとカラーコードに対して評価する
• より大きな码距離に対する効率性の向上とスケーラビリティ潜在性を実証する

提案手法

• ショットを固定ラウンド深度Tdと中止コストを用いた逐次決定問題としてモデル化する
• 三つのデコーディング方式を提案する：Fixed-Depth (FD)、One-Step Lookahead (OSLA)、Adaptive-Threshold Abort (AdAbort)
• OSLAは学習済みのg(s_t)とm(s_t)を用いて終了コストと追加1ラウンド継続のコストを比較する
• AdAbortはニューラルネットワークを用いて最終ラウンドの論理誤り確率を推定し、閾値θを超えた場合に中止する
• 両方の適応スキームはデコーダとハードウェアの間に位置し、基礎となるデコーダやコードから独立している
• Stimを用いたサーフェスコードとカラーコードの回路レベル depolarizing ノイズモデル下で評価する

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 適応的中止メカニズムはデコーダの負荷を削減しつつ論理的忠実性を損なわないか？
• RQ2 適応スキームはサーフェスコードおよびカラーコードにおける固定深度デコードと比較してデコーダ効率をどのように改善するか？
• RQ3 コード距離が増加するにつれてデコーダ効率の性能向上はどの程度か？
• RQ4 OSLAとAdAbortは現実的なノイズ下で中止頻度とデコード忠実性のトレードオフをどう取るか？
• RQ5 中止モジュールは既存のデコーダやコードを改変せずに統合可能か？

主な発見

• AdAbortはサーフェスコードとカラーコードのデコーダ効率でOSLAおよびFDを大幅に上回る
• コード距離が大きくなるにつれて効率向上が大きくなり、サーフェスコードでは距離5から15で5%から35%の改善
• カラーコードでも同じ距離レンジで7%から60%の改善が得られる
• OSLAとAdAbortは広範なコード距離にわたりFDデコードに対して著しい改善を提供
• 中止モジュールは最小限のオーバーヘッドでデコーダとコードに対してアガノスティックに統合可能