[论文解读] Macromux: scalable postselection for high-threshold fault-tolerant quantum computation

Patrick M. Birchall, Jacob C. Bridgeman+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2026

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 0

一句话总结

Macromux 通过分层恒定大小的砖块、后选和评分，在基于融合的量子计算中显著提升容错阈值，Pauli 阈值最高约提升至原来的6倍，擦除阈值最高约提升至原来的5倍。

ABSTRACT

We introduce a new resource-efficient scheme for fault-tolerant quantum computation known as `macroscale multiplexing' (or simply `Macromux'), that utilizes scalable postselection to significantly improve the threshold of a given fault-tolerant protocol against both Pauli and erasure errors. Macromux is a hierarchical method for postselecting on constant-size space-time windows of a fault tolerant protocol, requiring only constant additional overheads. The method can be straightforwardly implemented for any fault-tolerant protocol and in any architecture that has access to routing and memory, such as linear-optical fusion-based architectures. We construct fault-tolerant protocols that, to our knowledge, have the highest thresholds in the literature; we perform simulations of fusion-based schemes based on the surface code, showing a maximum possible increase in Pauli thresholds of up to a factor of $\sim6$ (from $1.0\%$ to $5.9\%$). Our schemes are highly-resource efficient, and can for example, double the loss thresholds of some photonic fusion-based protocols using as little as $3 imes$ overhead.

研究动机与目标

• 在现实设备中为高阈值容错量子计算的必要性提供动机。
• 提出一种资源高效、可扩展的后选框架（Macromux），在恒定大小的时空砖块上运行。
• 展示分层砖块多路复用在基于融合的体系结构中对 Pauli 与擦除阈值的提升。
• 开发评分方法以筛选更高质量的砖块并量化开销的权衡。
• 证明其对任何容错协议的适用性，并讨论在光子/基于融合的系统中的物理实现。

提出的方法

• 将容错融合网络分割为在多阶段中彼此不相连的恒定大小砖块（切割）。
• 在每个阶段将砖块复制 M 次，形成带有开销因子 M 的分层 Macromux 方案。
• 使用评分器对砖块副本进行排序，给更高质量的砖块（包括擦除信息和综合信息）分配更高分数。
• 使用两种评分方法：一种基于擦除和综合信息的计数评分；另一种基于冻结间隙（软信息）的评分，利用逻辑间隙概念进行部分信息推断。
• 通过偏移量调整来平衡 X 与 Z 解码问题并改善解码对称性。
• 证明 Macromux 可以应用于任何容错协议，在基于融合的量子计算中以表面码资源态为具体实现进行实例化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在基于融合的量子计算中，使用 Macromux 可以实现的容错阈值提升（Pauli 与擦除）有多大。
• RQ2 砖块大小、Macromux 开销和评分策略如何影响阈值和资源效率？
• RQ3 Macromux 能否在不产生难以承受的开销的前提下，在不同体系结构和容错方案中提供可扩展的后选？
• RQ4 切割、偏移和情境评分如何影响解码性能以及 X 与 Z 检查之间的对称性？

主要发现

• Macromux 能在 Pauli 阈值上实现最高约6倍的提升（从1.0%提升到约5.9%）。
• 在所研究的基于融合的网络中，Macromux 可将擦除阈值提升至最高约5倍。
• 随着砖块大小的增大，阈值提升更加明显，在带相关错误模型的擦除和 Pauli 错误上接近二维码容量行为。
• 一个示例显示，在某些光子基于融合的协议中，Macromux 能以约3倍的开销实现损耗阈值的翻倍。
• 冻结间隙评分器在有限砖块方案中显著优于计数评分器，在实际资源下实现高阈值成为可能。
• 该方法在六环融合网络中实现了高阈值，并且可以扩展到其他容错协议与体系结构。