[論文レビュー] Inter-branch message transfer on superconducting quantum processors: a multi-architecture benchmark

Cameron V. Cogburn|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2026

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ひとこと要約

論文は Violaris の inter-branch message-transfer プロトコルを複数の IBM 超伝導プロセッサ上でベンチマークし、メッセージサイズ、構造、コンパイルが転送成功とメモリ消去に与える影響を緩和なしで分析します。

ABSTRACT

We treat inter-branch message transfer in a Wigner's-friend circuit as a practical benchmark for near-term superconducting quantum processors. Implementing Violaris' unitary message-transfer primitive, we compare performance across IBM Eagle, Nighthawk, and Heron (r2/r3) processors for message sizes up to $n=32$, without error mitigation. We study three message families -- sparse (one-hot), half-weight, and dense -- and measure conditional string success $p_{\mathrm{all}}=\Pr(P=μ\mid R=0)$, memory erasure after uncomputation, and correlation diagnostics (branch contrast and bitwise mutual information). The sparse family compiles to essentially constant two-qubit depth, yielding a depth-controlled probe of device noise: at $n=32$ we observe $p_{\mathrm{all}}$ spanning $\approx0.07$ to $\approx0.68$ across backends. In contrast, half and dense messages incur rapidly growing routing overhead, and transpiler-seed variability becomes a practical limitation near the coherence frontier. We further report an amplitude sweep (no-amplification test) and a divergence ``cousins'' sweep that quantifies degradation with branch-conditioned complexity. All data and figure-generation scripts are released.

研究の動機と目的

• 現在の超伝導デバイス上での raw inter-branch message transfer の性能をアーキテクチャ間で定量化する。
• メッセージサイズ、構造（スパース、半重量、デンス）、およびコンパイルの選択が転送品質とメモリ消去に与える影響を調査する。
• 再現性のあるベンチマークスイートを提供し、スケーリング傾向とデバイス間比較を行う。

提案手法

• Violaris の unitary message-transfer primitive を Qiskit 上に実装し n = 32 ビットへスケールする。
• 4 つの IBM バックエンド（Eagle、Nighthawk、Heron r2、Heron r3）を 1 回路あたり 4096 ショット、エラー緩和なしでベンチマークする。
• 3 つのメッセージファミリー（Sparse、Half、Dense）を定義し p_all、p_bit、p_erase、branch contrast、相互情報を測定する。
• トランスパイラシードが性能へ与える影響を分析し、分岐の divergen ce（twins vs cousins）と振幅スイープを実施して堅牢性を検証する。
• 再現性とデバイス間比較を可能にするため、全データとスクリプトを公開する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メッセージサイズ n はバックエンドとメッセージファミリーごとに文字列転送確率 p_all にどのように影響するか。
• RQ2 メッセージの構造（スパース、半重量、デンス）とコンパイル深度が輸送性能とルーティングオーバーヘッドにどう影響するか。
• RQ3 トランスパイラシードのばらつきはコヒーレンス前線近傍の性能達成においてどの程度重要か。
• RQ4 分岐条件付きの複雑さと分岐間距離 d によって転送指標がどのように劣化するか。
• RQ5 振幅スイープテストは理論が予測する分岐重量の非増幅を確認するか。

主な発見

Backend	Dense	Half	Sparse
ibm_boston	24	32	32
ibm_fez	8	16	32
ibm_miami	16	24	32
ibm_rensselaer	4	8	24

• Sparse メッセージはほぼ一定の二量子ビット深度をもたらし、バックエンド間のデバイスノイズ差を明らかにする；n = 32 のとき p_all はバックエンド間で約 0.07 から 0.68 の範囲。
• Half-weight および Dense メッセージはルーティングオーバーヘッドが急速に増大し、トランスパイラシードのばらつきがコヒーレンス前線付近の性能を制限する。
• バックエンド全体で新しいデバイスは前線サイズの改善を示し、ibm_boston が最大前線を達成する一方、ibm_rensselaer は半分/デンスファミリーで大きな n の場合制限がある。
• Mutual information I(R;P_i) は Dense メッセージでも p_all が低下しても非ゼロのままになり、全ビット正確性の成功を超えた分岐ペーパー間の相関が残っていることを示す。
• コンパイルシードスイープは達成可能なメッセージサイズに有意な変化を示し、シードのばらつきを実践的な制約として浮き彫りにする。
• Divergence（twins vs cousins）は回路深度を増大させ、分岐距離 d の関数として branch contrast と転送を劣化させる。