[논문 리뷰] A Fine-Grained and Efficient Reliability Analysis Framework for Noisy Quantum Circuits

Jindi Wu, Tianjie Hu외 1명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 20.

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한 줄 요약

본 논문은 전체 상태 적합도 계산을 피하면서 상태 독립적인 Noise Proxy Circuit와 Proxy Fidelity를 사용하여 소음이 있는 양자 회로의 신뢰성을 정밀하고 확장 가능한 프레임워크로 효율적으로 추정합니다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 노이즈 메커니즘에 걸친 소음 양자 회로의 신뢰성 있는 평가 필요성을 제시한다.
• 회로 실행 중 점진적인 신뢰성 저하를 모델링하는 상태 독립적 프레임워크를 제안한다.
• 노이즈 시퀀스를 보존하면서 누적 노이즈를 추상화하기 위해 Noise Proxy Circuit(NPC)을 도입한다.
• Proxy Fidelity를 큐비트 수준과 회로 수준 모두에서 확장 가능한 신뢰성 지표로 정의한다.
• 일반적인 노이즈 채널(Depolarizing, Thermal relaxation, Readout)에 대해 Proxy Fidelity를 추정하는 해석적 알고리즘을 제시한다.

제안 방법

• 모든 논리 연산을 제거하되 노이즈 채널의 시퀀스는 보존하여 Noise Proxy Circuit(NPC)을 개발한다.
• NPC에서 도출된 신뢰성 지표로 Proxy Fidelity를 정의한다.
• Depolarizing, Thermal relaxation, 및 Readout 오류 채널에서 Proxy Fidelity를 추정하기 위한 해석적 방법을 도출한다.
• 실행 없이도, 확장 가능하고 해석 가능하도록 하여 fidelity 수준의 신뢰성 추정치를 달성하도록 프레임워크를 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 상태 적합도에 의존하지 않고 회로 신뢰성을 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 상태 독립적 추상화(NPC)가 양자 회로에서 누적 노이즈 효과를 정확하게 반영할 수 있는가?
• RQ3 표준 노이즈 모델에 대한 Proxy Fidelity 추정의 정확도는 실제 fidelity와 비교하여 어떤가?
• RQ4 프레임워크가 다양한 회로 유형 및 양자 장치에 대해 확장 가능한가?

주요 결과

• 프레임워크는 회로를 실행하지 않고도 fidelity 수준의 신뢰성 추정치를 제공한다.
• Proxy Fidelity는 Depolarizing, Thermal relaxation, 및 Readout 오류에서 해석적으로 추정될 수 있다.
• 실험은 다양한 회로와 장치에 걸쳐 평균 절대 오차(AAD)가 0.031에서 0.069까지 나타남을 보인다.