[论文解读] Tour de gross: A modular quantum computer based on bivariate bicycle codes

Theodore J. Yoder, Eddie Schoute+6 more|ArXiv.org|Jun 3, 2025

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

引入自行车架构：一种使用双变量自行车 LDPC 码（ gross 与 two-gross）的模块化量子计算机，给出明确的容错指令与端到端资源估计，显示比表面码具更大可扩展电路规模。

ABSTRACT

We present the bicycle architecture, a modular quantum computing framework based on high-rate, low-overhead quantum LDPC codes identified in prior work. For two specific bivariate bicycle codes with distances 12 and 18, we construct explicit fault-tolerant logical instruction sets and estimate the logical error rate of the instructions under circuit noise. We develop a compilation strategy adapted to the constraints of the bicycle architecture, enabling large-scale universal quantum circuit execution. Integrating these components, we perform end-to-end resource estimates demonstrating that an order of magnitude larger logical circuits can be implemented with a given number of physical qubits on the bicycle architecture than on surface code architectures. We anticipate further improvements through advances in code constructions, circuit designs, and compilation techniques.

研究动机与目标

• 提出自行车架构作为基于量子 LDPC 码的容错、模块化量子计算框架。
• 为两个双变量自行车码（gross 与 two-gross）提供明确的容错自行车指令实现。
• 制定将大型通用量子电路映射到自行车架构的编译策略。
• 与表面码架构进行资源需求的基准对比與评估，评估效率与可扩展性。

提出的方法

• 定义并使用两种特定的双变量自行车码（gross [[144,12,12]] 和 two-gross [[288,12,18]]）。
• 指定一组通用的自行车指令集，包括空转、移位自同构、模块内与跨模块测量、T 注入及相关协议。
• 描述使用逻辑处理单元（LPU）和量子 LDPC 手术的模块内逻辑测量方法。
• 概述通过 Bell 耦合器和码码适配器实现跨模块的连接性，以实现跨模块的联合逻辑测量。
• 在电路噪声下提供自行车指令的端到端资源估计和电路级时序/逻辑错误率。
• 提出一个编译策略，将操作分布到数据模块并综合 Pauli 测量与小角度旋转。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个模块化量子架构要实现可扩展和通用性，需要满足哪些容错要求？
• RQ2 在模块化架构中，双变量自行车码如何实现容错，以及在电路噪声下它们的逻辑错误率是多少？
• RQ3 是否存在一个高效的编译策略，能够将大型通用量子电路映射到具有长程连接性的自行车架构？
• RQ4 实现类似电路的资源需求（量子比特、时间、错误率）与表面码架构相比有何差异？

主要发现

• 在相同物理资源与相似物理误差条件下，自行车架构能够实现大约一个数量级以上的逻辑量子比特规模，相对于表面码架构。
• 为两种双变量自行车码（gross 与 two-gross）提供了12个逻辑量子比特每个模块的明确容错实现。
• 逻辑指令集（I、U、M、C、T 与移位）在 p = 10^-3 与 p = 10^-4 条件下，对两种码给出量化的时长与逻辑错误率。
• 端到端资源估算显示，在相同物理量子比特数下，使用自行车架构可以执行显著更大规模的逻辑电路。
• T 状态工厂的整合和基于 LPU 的模块内测量通过类传送的方案与可编程逻辑测量实现通用操作。
• 编译策略将操作分布到数据模块并利用移位自同构和 LPUs，实现可扩展的通用量子计算。