[论文解读] Increasing error tolerance in quantum computers with dynamic bias arrangement

Hector Bombín, Christopher Dawson+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 7

一句话总结

本文提出动态偏置配置——一种自适应重构误差偏置的类经典决策策略，可在容错量子计算中显著提升容错能力。在融合型光量子计算中，该方法利用实时测量结果调控擦除模式，将损耗容忍度提升至三倍，使每光子的阈值从2.7%提高到7.5%，在相同资源下实现，且无需特殊代码结构，仅依赖于校验图。

ABSTRACT

Many quantum operations are expected to exhibit bias in the structure of their errors. Recent works have shown that a fixed bias can be exploited to improve error tolerance by statically arranging the errors in beneficial configurations. In some cases an error bias can be dynamically reconfigurable, an example being linear optical fusion where the basis of a fusion failure can be chosen before the measurement is made. Here we introduce methods for increasing error tolerance in this setting by using classical decision-making to adaptively choose the bias in measurements as a fault tolerance protocol proceeds. We study this technique in the setting of linear optical fusion based quantum computing (FBQC). We provide examples demonstrating that by dynamically arranging erasures, the loss tolerance can be tripled when compared to a static arrangement of biased errors while using the same quantum resources: we show that for the best FBQC architecture of Bartolucci et al. (2023) the threshold increases from $2.7\%$ to $7.5\%$ per photon with the same resource state by using dynamic biasing. Our method does not require any specific code structure beyond having a syndrome graph representation. We have chosen to illustrate these techniques using an architecture which is otherwise identical to that in Bartolucci et al. (2023), but deployed together with other techniques, such as different fusion networks, higher loss thresholds are possible.

研究动机与目标

• 通过利用误差偏置的动态可重构性，提升容错量子计算中的容错能力。
• 解决静态偏置配置的局限性，即当误差偏置不够强或非固定时会失效的问题。
• 开发一种通用方法，适用于任何具备可重构偏置操作的容错协议。
• 证明即使边际误差概率不变，基于历史测量结果的类经典决策仍可抑制逻辑错误的增长。
• 在不增加量子资源开销的前提下，实现光量子架构中更高的阈值。

提出的方法

• 动态偏置配置采用基于曝光的自适应（XBA），一种受爆发渗滤理论启发的启发式方法，根据邻近擦除簇的大小来指导偏置选择。
• 该方法实时分析校验图，对潜在的偏置配置进行评分，并选择最能降低形成贯穿擦除簇风险的配置。
• 其原理在于：并非所有误差配置都具有同等破坏性；孤立的擦除远比长程链式擦除危害小。
• 该技术应用于融合型量子计算（FBQC）中的双轨量子比特，其中可通过单量子比特旋转在测量前动态选择融合失败基。
• 该方法具有通用性，不依赖于特定代码结构，仅依赖于校验图表示和局部测量信息。
• 模拟在6环融合网络架构上进行，偏置决策基于交错资源态方案中先前的结果按顺序做出。

实验结果

研究问题

• RQ1 动态重构误差偏置是否能将容错能力提升至静态偏置配置无法达到的水平？
• RQ2 基于历史测量结果的类经典决策在多大程度上可抑制量子计算中的逻辑错误增长？
• RQ3 动态偏置是否可在不增加量子资源需求的前提下，提升光量子架构中的损耗阈值？
• RQ4 该方法能否推广至光量子融合系统之外的其他量子码和误差模型？
• RQ5 当误差偏置仅为中等程度而非极端时，动态偏置与静态偏置相比表现如何？

主要发现

• 动态偏置配置将融合型量子计算中的损耗阈值从每光子2.7%提高到7.5%，使用相同资源态，容错能力提升三倍。
• 对于六量子比特资源态，损耗容忍度从0.48%提高到1.6%，同样实现三倍阈值提升。
• 该方法在不降低边际误差概率的前提下，通过相关化误差以抑制大规模擦除簇，实现更高阈值。
• 该技术在中等偏置测量条件下依然有效，优于静态偏置配置。
• 基于曝光的自适应（XBA）通过优先选择孤立擦除而非连通链式结构，成功防止了贯穿擦除路径的形成。
• 该方法具有通用性，适用于任何具备初等与对偶校验图的代码，表明其在光量子系统之外也具有广泛适用性。