[论文解读] Alibaba Cloud Quantum Development Platform: Surface Code Simulations with Crosstalk

Cupjin Huang, Xiaotong Ni+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 48被引用 8

一句话总结

本文在阿里巴巴云量子开发平台上对距离为3的表面码逻辑量子比特进行了大规模模拟，引入了平面超导架构中ZZ相互作用引起的现实crosstalk。关键发现是crosstalk显著增加了逻辑退相干——相比标准模型，相位翻转概率提高了约60%，凸显了即使在二阶crosstalk效应下也需加以抑制，以实现容错量子误差纠正。

ABSTRACT

We report, in a sequence of notes, our work on the Alibaba Cloud Quantum Development Platform (AC-QDP). AC-QDP provides a set of tools for aiding the development of both quantum computing algorithms and quantum processors, and is powered by a large-scale classical simulator deployed on Alibaba Cloud. In this note, we simulate a distance-3 logical qubit encoded in the 17-qubit surface code using experimental noise parameters for transmon qubits in a planar circuit QED architecture. Our simulation features crosstalk induced by ZZ-interactions. We show that at the current-stage noise levels, crosstalk contributes significantly to the dephasing of the logical qubit. This results in a total phase-flip probability of $\sim 0.6\%$, about $60\%$ higher than expected without considering crosstalk. This indicates that for the code considered, the current noise parameters approach, but do not yet meet, the break-even fault-tolerance regime.

研究动机与目标

• 评估在使用真实实验噪声参数的表面码误差纠正中，crosstalk对逻辑量子比特性能的影响。
• 开发并部署一个可扩展的经典模拟平台，能够对包含真实噪声源的大规模量子误差纠正进行建模。
• 量化通常在标准误差模型中被忽略的二阶crosstalk效应如何降低逻辑量子比特的相干性。
• 评估在引入crosstalk后，当前超导量子比特的噪声水平是否已接近或远离容错的临界点。
• 通过将crosstalk识别为此前被低估的关键逻辑错误来源，为未来硬件设计和误差缓解策略提供指导。

提出的方法

• 模拟使用重构后的Tai-Zhang张量网络模拟器，部署于阿里巴巴云，对包含9个数据量子比特和8个辅助量子比特的17量子比特表面码（surface-17）进行建模。
• 噪声参数源自实验测得的transmon量子比特数据，包括ZZ相互作用crosstalk，并被整合进基于哈密顿量的时间演化模拟中。
• 通过Trotter-Suzuki分解与离散时间步长计算时间演化，实现在经典云基础设施上对噪声量子电路的模拟。
• 通过在真实crosstalk条件下计算逻辑错误率，特别是相位翻转概率，分析逻辑通道。
• 通过FunctionCompute实现云资源上的动态任务分发，高效处理大规模张量网络收缩。
• 通过对比包含与不包含ZZ相互作用的模拟结果，结合稳定子形式误差模型，隔离crosstalk效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 ZZ相互作用引起的crosstalk如何影响surface-17码中的逻辑退相干速率？
• RQ2 与标准的去极化噪声模型相比，crosstalk在多大程度上增加了逻辑错误率？
• RQ3 引入crosstalk后，系统是更接近还是更远离临界容错区域？
• RQ4 在考虑crosstalk的情况下，当前的超导硬件参数是否足以支持有益的量子误差纠正？
• RQ5 使用经典云基张量网络方法模拟表面码中的crosstalk，其计算成本和可扩展性如何？

主要发现

• ZZ相互作用引起的crosstalk使逻辑相位翻转概率增加至约0.6%，比标准去极化噪声模型中的预期值高出约60%。
• 即使二阶crosstalk效应也显著降低逻辑量子比特的相干性，表明在误差纠正设计中不能安全忽略。
• 在引入crosstalk后，当前transmon量子比特的噪声参数表明系统正接近但尚未达到临界容错阈值。
• 模拟表明，crosstalk对退相干的贡献比以往估计的更大，挑战了标准误差纠正模型中的假设。
• 阿里巴巴云量子开发平台成功利用单个GPU或数百个并发云任务，对带有真实crosstalk的17量子比特表面码进行了模拟。
• 本研究表明，即使对于小型逻辑码，crosstalk缓解也至关重要，因其对逻辑保真度具有可测量且有害的影响。