[论文解读] The SpinPulse library for transpilation and noise-accurate simulation of spin qubit quantum computers

Benoît Vermersch, Oscar Gravier+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2026

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 0

一句话总结

SpinPulse 是一个开源的 Python 包，可在脉冲层面模拟自旋量子比特的量子计算，包括非马尔科夫噪声，并支持翻译、脉冲级编译、基准测试，以及与张量网络工具的大规模仿真集成。

ABSTRACT

We introduce SpinPulse, an open-source python package for simulating spin qubit-based quantum computers at the pulse-level. SpinPulse models the specific physics of spin qubits, particularly through the inclusion of classical non-Markovian noise. This enables realistic simulations of native gates and quantum circuits, in order to support hardware development. In SpinPulse, a quantum circuit is first transpiled into the native gate set of our model and then converted to a pulse sequence. This pulse sequence is subsequently integrated numerically in the presence of a simulated noisy experimental environment. We showcase workflows including transpilation, pulse-level compilation, hardware benchmarking, quantum error mitigation, and large-scale simulations via integration with the tensor-network library quimb. We expect SpinPulse to be a valuable open-source tool for the quantum computing community, fostering efforts to devise high-fidelity quantum circuits and improved strategies for quantum error mitigation and correction.

研究动机与目标

• 理解并缓解自旋量子比特量子计算机中的噪声以提高电路保真度和硬件发展。
• 提供从高层电路到脉冲级、带噪声的量子电路仿真的完整、模块化工作流。
• 实现硬件基准测试和量子误差缓解与去耦策略的开发。
• 提供一个可以与张量网络框架集成的大规模仿真开源工具。

提出的方法

• 建模具有解析关系的通用自旋量子比特门集，在门参数与哈密顿量脉冲之间建立关系（单量子比特门和两量子比特门）。
• 将 Qiskit 电路翻译成原生门 ISA，然后在指定硬件约束下将门转换为时变脉冲序列。
• 在哈密顿量中引入非马尔科夫的经典噪声，以模拟实际实验条件。
• 数值积分脉冲级哈密顿量，获得带噪声的门演化和量子通道。
• 提供用于硬件规格、脉冲电路构建、噪声环境以及对保真度与通道等指标进行集合平均的模块化 API。
• 与外部工具（如 qiskit_aer、quimb）集成，用于门级仿真和大规模张量网络仿真。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将从标准电路模型得到的现实自旋量子比特计算机转译为原生脉冲级表示？
• RQ2 非马尔科夫噪声如何影响自旋量子比特系统中脉冲级门操作及整体电路保真度？
• RQ3 在自旋量子比特电路中，脉冲级的有效去耦策略（如动态去耦）如何缓解非马尔科夫噪声？
• RQ4 噪声精确的仿真是否能够预测门保真度和量子通道，从而为误差缓解/纠错方法提供信息？

主要发现

• SpinPulse 提供三步工作流：门翻译、脉冲翻译、门整合，以生成带噪声的准确电路。
• 该包通过时变随机场实现非马尔科夫噪声建模，并在噪声实现之间输出平均的量子通道与保真度。
• 它实现了具有解析相关脉冲形状的单量子比特和两量子比特门，包括对 RZZ 门的自旋回波实现，能够对准噪声具有鲁棒性。
• 在脉冲层面可加入动态去耦序列以滤除低频噪声，提升空闲量子比特的相干性。
• ExperimentalEnvironment 类实现集合平均指标（如平均保真度），并与门级仿真器集成以进行基准测试。
• 该库展示了与 quimb 的大规模仿真集成，并提供一个可扩展的硬件感知电路优化框架。