[論文レビュー] Quantum error mitigation for fault-tolerant quantum computing

Yasunari Suzuki, Suguru Endo+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、後期NISQと初期フォールトトレランス量子計算（FTQC）の間の領域を橋渡しするハイブリッド量子誤り緩和（QEM）および量子誤り訂正（QEC）フレームワークを提案する。FTQCアーキテクチャにQEMを統合することで、定数のサンプリングオーバーヘッド（最大100）で有効な符号距離とTゲート数を向上させ、10^4から10^10の論理的演算範囲で必要な論理キュービット数を数十パーセント削減する。

ABSTRACT

Fault-tolerant quantum computing (FTQC) is a form of universal quantum computing that suppresses physical errors via quantum error correction (QEC). On the other hand, it is expected that the available code distance and the $T$-gate count will be restricted in the early years of FTQC. Meanwhile, quantum error mitigation (QEM) was recently introduced for suppressing errors in noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices; it improves the computation accuracy of near-term quantum algorithms with its overhead being a greater number of samples. In this work, we integrate QEC and QEM into an efficient FTQC architecture that effectively increases the code distance and $T$-gate count. Our scheme will dramatically alleviate the required qubit count by tens of percent at the cost of a constant multiplicative sampling overhead within $10^2$ in a wide range of regimes from the post-NISQ era to early FTQC regime, which necessitates the order of from $10^4$ to $10^{10}$ logical operations. While it has been widely believed that there do not exist useful applications in post-NISQ regimes due to a chasm between the NISQ and FTQC regimes such as overheads for encoding and $T$-gate distillations, our scheme can continuously bridge the two distinct regimes.

研究の動機と目的

• 近い将来のNISQデバイスと初期フォールトトレランス量子計算（FTQC）の間の運用的・リソース的ギャップを埋めること。
• コード距離とTゲート数に制限がある初期FTQCにおいて、フォールトトレランス計算に必要な論理キュービット数を削減すること。
• 量子誤り緩和（QEM）と量子誤り訂正（QEC）を組み合わせることで、post-NISQから初期FTQCへの移行段階で実用的な量子優位性を実現すること。
• 10^4から10^10の論理的演算範囲において、リソースオーバーヘッドを最小限に抑えながら高い計算精度を維持すること。

提案手法

• フォールトトレランス量子計算（FTQC）アーキテクチャに量子誤り緩和（QEM）技術を統合し、有効な誤り抑制を強化する。
• 初期FTQCシステムにおけるコード距離とTゲート分配能力の制限を、QEMで補完する。
• システムサイズに依存しない定数乗法的サンプリングオーバーヘッド（最大10^2）を用いてQEMを適用する。
• 完全なフォールトトレランスを必要とせず、計算精度を向上させることで、初期FTQCハードウェアにおける実用的実装を可能にするQEMの能力を活用する。
• フォールトトレランスを維持しながら、ネイティブなQECの限界を超えた有効な誤り抑制を拡張するハイブリッドQEC-QEMフレームワークを設計する。
• Tゲートとコード距離リソースが限られている状況に対応するため、QEMを動的に適応させることで、post-NISQから初期FTQCにかけて広範な範囲で動作する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制限されたコード距離とTゲート数を持つ初期フォールトトレランス量子コンピュータにおいて、量子誤り緩和（QEM）が有効に機能するか。
• RQ2 QEMをFTQCアーキテクチャに統合することで、フォールトトレランスを維持しながら論理キュービットのオーバーヘッドを削減できるか。
• RQ3 初期FTQCにおいてQEMとQECを組み合わせた場合、サンプリングオーバーヘッドとキュービットの節約のトレードオフはどのようなものか。
• RQ4 ハイブリッドQEC-QEMアプローチが、NISQと完全なFTQC領域の間の運用的・リソース的溝を埋められるか。
• RQ5 このハイブリッドフレームワークが、10^4から10^10の論理的演算範囲をどの程度効率的にサポートできるか。

主な発見

• ハイブリッドQEC-QEMフレームワークは、初期FTQC領域において必要な論理キュービット数を数十パーセント削減する。
• この手法は、システムサイズに依存せず、最大100の定数乗法的サンプリングオーバーヘッドを導入する。
• フレームワークは、ネイティブなQECの限界を超えて、有効な符号距離とTゲート数を効果的に向上させる。
• post-NISQから初期FTQCへの移行段階で連続的な運用を可能にし、従来の両領域の間の溝を解消する。
• 10^4から10^10の論理的演算範囲において、フォールトトレランスを維持しながら、リソース効率を顕著に向上させる。