[논문 리뷰] Fusion-based quantum computation

Sara Bartolucci, Patrick M. Birchall외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 22.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 60

한 줄 요약

융합 기반 양자 계산(FBQC)은 작고 고정된 리소스 상태 그래프와 융합 측정을 사용하여 오류에 강한 위상 네트워크에서 보편적 양자 계산을 수행합니다; 안정자 형식을 통해 오차 구조를 분석하고 주목할 만한 내결함 한계를 보여줍니다.

ABSTRACT

We introduce fusion-based quantum computing (FBQC) - a model of universal quantum computation in which entangling measurements, called fusions, are performed on the qubits of small constant-sized entangled resource states. We introduce a stabilizer formalism for analyzing fault tolerance and computation in these schemes. This framework naturally captures the error structure that arises in certain physical systems for quantum computing, such as photonics. FBQC can offer significant architectural simplifications, enabling hardware made up of many identical modules, requiring an extremely low depth of operations on each physical qubit and reducing classical processing requirements. We present two pedagogical examples of fault-tolerant schemes constructed in this framework and numerically evaluate their threshold under a hardware agnostic fusion error model including both erasure and Pauli error. We also study an error model of linear optical quantum computing with probabilistic fusion and photon loss. In FBQC the non-determinism of fusion is directly dealt with by the quantum error correction protocol, along with other errors. We find that tailoring the fault-tolerance framework to the physical system allows the scheme to have a higher threshold than schemes reported in literature. We present a ballistic scheme which can tolerate a 10.4% probability of suffering photon loss in each fusion.

연구 동기 및 목표

• 작고 고정된 얽힘 리소스 상태와 얽힘 융합 측정으로 구성된 모델로서 Fusion-based quantum computing(FBQC)을 도입한다.
• 융합 결과가 패리티 검사를 결정하는 FBQC에서 오류 내성 및 계산을 분석하기 위한 안정자 형식을 개발한다.
• 결함에 강한 융합 네트워크(FTFNs)를 시연하고 수치 임계값을 가진 교육용 예시를 제시한다.
• 선형 광학 환경에서 에루저, Pauli 오류, 광 손실을 포함한 하드웨어에 의존하지 않는 융합 오류 모델을 탐구한다.
• FBQC에서 내결함 임계값을 향상시키는 아키텍처와 리소스 상태 인코딩 전략을 선보인다.

제안 방법

• 융합 네트워크와 안정자 부분군 R(리소스 상태) 및 F(융합 측정)을 정의한다.
• 융합 후 생존하는 안정자를 추적하기 위해 중심화 집합 S = Z_R(F)를 사용한다.
• 융합 네트워크의 큐빗 위에 Pauli 오류로 오차를 모델링하고, 융합 신드롬으로부터 출력 안정자를 추론하기 위해 고전적 디코더를 사용한다.
• C = R ∩ F인 체크 연산자와 출력 안정자 S_out를 구성하여 FTFN을 구축함으로써 내결함성을 분석한다.
• 에루저 및 Pauli 오류를 포함한 하드웨어에 의존하지 않는 융합 오류 모델과, 선형 광학 광자 손실 아래에서의 임계값을 평가한다.
• 인코딩된 리소스 상태(예: (2,2)-Shor 코드)에 대해 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정 크기의 리소스 상태와 융합 측정을 사용하여 FBQC에서 구현할 수 있는 내결함 구조는 무엇인가?
• RQ2 안정자 개념(R, F, S, C)이 FBQC에서 융합 후 상태와 오차 신드롬을 어떻게 설명하는가?
• RQ3 선형-光학 영감을 받은 모델에서 FBQC의 에루저 및 Pauli 오류에 대한 내결함 임계값은 무엇인가?
• RQ4 인코딩된 리소스 상태가 FBQC에서 손실 및 융합 실패에 대한 내결함성을 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 실용성 및 내결함성을 높이는 건축적 선택들(예: 고정 라우팅, 낮은 물리적 깊이)은 FBQC에서 무엇인가?

주요 결과

• FBQC는 하드웨어에 의존하지 않는 융합 모델에서 융합당 11.98%의 에루저 임계값과 1.07%의 Pauli 오류 임계값을 허용할 수 있다.
• 선형 광학에서, 특정 스킴에서 융합당 최대 10.4%의 광자 손실을 견딜 수 있다.
• 볼래틱(ballistic) 스킴은 최대 43.2%의 융합 실패 허용을 보여주며 이전 결과(14.9%)를 능가한다.
• 인코딩된 리소스 상태는 인코딩된 융합에서 에루저를 억제하여 손실과 융합 실패에 대한 견고성을 향상시킨다.
• 결함 허용 융합 네트워크는 C = R ∩ F인 체크 연산자와 생존하는 안정자 S를 사용하여 융합 결과의 고전적 처리로부터 오류를 식별하고 해독한다.
• FBQC는 동일 모듈이 다수이고 고전적 처리 요구가 감소하여 저깊이의 하드웨어 친화적 동작을 달성한다.