[论文解读] Quantum error mitigation for fault-tolerant quantum computing

Yasunari Suzuki, Suguru Endo+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 11

一句话总结

本文提出了一种混合量子误差缓解（QEM）与量子误差纠正（QEC）框架，弥合了含噪声中等规模含噪声（NISQ）与早期容错量子计算（FTQC）之间的鸿沟。通过将QEM集成到FTQC架构中，仅需最多100的恒定采样开销，即可在有效码距离和T门数量上实现提升，从而在10^4至10^10个逻辑操作范围内，将所需逻辑量子比特数量减少百分之几十。

ABSTRACT

Fault-tolerant quantum computing (FTQC) is a form of universal quantum computing that suppresses physical errors via quantum error correction (QEC). On the other hand, it is expected that the available code distance and the $T$-gate count will be restricted in the early years of FTQC. Meanwhile, quantum error mitigation (QEM) was recently introduced for suppressing errors in noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices; it improves the computation accuracy of near-term quantum algorithms with its overhead being a greater number of samples. In this work, we integrate QEC and QEM into an efficient FTQC architecture that effectively increases the code distance and $T$-gate count. Our scheme will dramatically alleviate the required qubit count by tens of percent at the cost of a constant multiplicative sampling overhead within $10^2$ in a wide range of regimes from the post-NISQ era to early FTQC regime, which necessitates the order of from $10^4$ to $10^{10}$ logical operations. While it has been widely believed that there do not exist useful applications in post-NISQ regimes due to a chasm between the NISQ and FTQC regimes such as overheads for encoding and $T$-gate distillations, our scheme can continuously bridge the two distinct regimes.

研究动机与目标

• 弥合近期NISQ设备与早期容错量子计算（FTQC）之间的操作与资源差距。
• 减少在早期FTQC中因码距离与T门数量受限而所需的容错计算逻辑量子比特数量。
• 通过结合量子误差缓解（QEM）与量子误差纠正（QEC），在后NISQ至早期FTQC的过渡阶段实现实际的量子优势。
• 在10^4至10^10个逻辑操作的范围内，维持高计算精度的同时最小化资源开销。

提出的方法

• 将量子误差缓解（QEM）技术整合进容错量子计算（FTQC）架构，以增强有效误差抑制能力。
• 利用QEM补偿早期FTQC系统中码距离与T门蒸馏能力的局限性。
• 采用QEM，其采样开销为恒定倍数，最高达10^2，且与系统规模无关。
• 利用QEM在无需完全容错的情况下提升精度的能力，使其可在早期FTQC硬件中实现实际应用。
• 设计一种混合QEC-QEM框架，在保持容错性的同时，将有效误差抑制扩展至原生QEC的极限之外。
• 通过动态调整QEM以补偿T门与码距离资源的有限性，实现从后NISQ到早期FTQC的广泛运行范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子误差缓解（QEM）是否能有效扩展码距离与T门数量受限的早期容错量子计算机的能力？
• RQ2 如何将QEM集成到FTQC架构中，以在保持容错性的同时减少逻辑量子比特的开销？
• RQ3 在早期FTQC中结合QEM与QEC时，采样开销与量子比特节省之间的权衡是什么？
• RQ4 混合QEC-QEM方法是否能弥合NISQ与完整FTQC阶段之间的操作与资源鸿沟？
• RQ5 该混合框架能够高效支持的逻辑操作范围（10^4至10^10）是多少？

主要发现

• 该混合QEC-QEM框架在早期FTQC阶段将所需逻辑量子比特数量减少了百分之几十。
• 该方法仅引入最高达100的恒定倍数采样开销，与系统规模无关。
• 该框架能有效提升超出原生QEC极限的有效码距离与T门数量。
• 它实现了从后NISQ到早期FTQC的连续运行，消除了传统上这两个阶段之间的鸿沟。
• 该方法在保持容错性的同时，显著提升了10^4至10^10个逻辑操作范围内的资源效率。