Qiskit Paulice

qiskit-paulice ialah pakej untuk membenamkan semakan Pauli yang cekap perkakasan ke dalam litar Clifford sewenang-wenangnya pada kesambungan qubit sewenang-wenangnya menggunakan kod penstabil ruang-masa. Semakan ini boleh digunakan untuk mengesan ralat logik semasa pelaksanaan litar. Memilih lepas hanya sampel yang tiada ralat dikesan boleh meningkatkan fidelity keadaan yang disampel dengan pemproses kuantum dengan kos beberapa qubit ancilla dan peningkatan overhed pensampelan. Kaedah ini amat sesuai untuk perkakasan jangka dekat kerana overhed qubit dan gate-nya jauh lebih rendah berbanding pengkomputeran kuantum toleran ralat, sambil mempunyai overhed pensampelan yang lebih baik daripada kaedah pengurangan ralat seperti ZNE atau PEC [1].

Walaupun semakan Pauli ruang-masa boleh digunakan untuk melaksanakan rutin pengesanan ralat yang berdiri sendiri, ia juga relevan dalam konteks pengurangan ralat dan pembetulan ralat. Pengesanan ralat dapat melengkapi teknik pengurangan ralat seperti pembatalan ralat probabilistik (PEC) dengan menangkap sebahagian hingar yang menjejaskan gate dan pengukuran, mengurangkan kesan saluran hingar yang disongsangkan dan seterusnya mengurangkan overhed pensampelan. Ia juga boleh dilihat sebagai langkah awal ke arah toleransi ralat yang praktikal, kerana melaksanakan kod penstabil untuk melindungi qubit data daripada ralat logik ialah konsep teras pembetulan ralat tradisional. Memandangkan kaedah ini menyediakan akses satu-tembakan kepada keadaan kuantum, ia boleh digunakan dalam aliran kerja berasaskan pensampelan dan berasaskan nilai jangkaan.

Bermula

Panduan ringkas untuk membantu anda bermula dengan pantas menggunakan pakej ini tersedia dalam panduan mula pantas.

Contoh kes penggunaan

Teknik ini telah digunakan untuk meningkatkan fidelity sampel daripada litar yang didominasi Clifford dengan menggunakan 97 qubit fizikal untuk mengekod 2415 gate belitan logik merentasi 70 qubit logik [2].

Perbincangan teknikal

Mencari set semakan Pauli ruang-masa yang baik

Satu set semakan Pauli ruang-masa dianggap “baik” jika setiap semakan sah, berwajaran rendah, dan berkesan.

Satu semakan terdiri daripada sejumlah putaran Pauli terkawal, $P$, yang diletakkan pada beberapa wayar dalam litar, $w$: $\{(P_1,w_1), ..., (P_k,w_k)\}$. Bagi sesuatu semakan, kawalan terletak pada satu qubit ancilla, dan putaran berlaku pada wayar satu qubit sasaran. Bagi litar Clifford, semakan adalah sah jika hasil darabnya yang dirambat balik ialah penstabil bagi keadaan yang disediakan oleh litar ideal: $\prod_{i}B(P_i,w_i) \in S$, dengan $B(P,w)$ ialah perambat balik bagi $P$ dari $w$ ke permulaan litar, dan $S$ ialah set semua penstabil litar.

Semakan berwajaran rendah jika ia memerlukan sedikit gate belitan untuk dilaksanakan. Algoritma pemilihan semakan akan mengutamakan semakan yang berwajaran rendah dan menyediakan pengesanan ralat yang paling berkesan.

Semakan berkesan jika ia menangkap jauh lebih banyak ralat daripada yang diperkenalkannya. Semakan Pauli terdiri daripada sejumlah gate belitan dan oleh itu memperkenalkan sedikit hingar gate tambahan ke dalam pengiraan. Adalah penting untuk memastikan setiap semakan tambahan membawa sedikit keupayaan pengesanan ralat tambahan. Keberkesanan satu set semakan boleh dianggarkan dengan menggubah ralat Pauli yang didedahkan oleh semakan menjadi saluran hingar pilih lepas dan mengira kesannya. Meminimumkan overhed pensampelan untuk melaksanakan saluran hingar songsang yang tidak didedahkan ialah heuristik yang kukuh untuk memilih semakan yang baik, kerana ia memberi petunjuk tentang jumlah ralat yang tidak dapat dikesan oleh semakan. Pendekatan yang lebih perlahan tetapi lebih realistik ialah melakukan pensampelan Monte Carlo daripada keadaan yang bising dan mengira secara empirik kadar ralat logik bagi taburan pilih lepas. Kedua-dua pendekatan ini tersedia sebagai fungsi kos terbina dalam pada fungsi qiskit_paulice.add_pauli_checks.

Memilih lepas sampel berdasarkan data sindrom

Dalam pakej ini, semakan dilaksanakan menggunakan gate belitan antara satu qubit ancilla dan satu qubit sasaran. Setiap ancilla bermula dalam $|0\rangle$, maka $Z_\text{anc}$ menstabilkan keadaan inputnya. Merambat $Z_\text{anc}$ ke hadapan dari permulaan ancilla melalui keseluruhan litar yang disemak menghasilkan pengendali Pauli pada output, yang mungkin berwajaran lebih tinggi dan meluas ke dalam litar muatan. Indeks qubit yang pengendali output ini mempunyai sebutan bukan identiti dipanggil sokongan semakan, dan semakan lulus jika bit, $b$, dalam sokongan semakan mempunyai pariti genap: $\bigoplus_{i=1} b_i = 0$. Sesuatu sampel dikekalkan jika setiap semakan menghasilkan $0$ bagi semakan paritinya.

Ciri perisian

• Penciptaan model hingar automatik daripada data penanda aras backend

• Pencarian semakan dipercepat Rust

• 3 algoritma terbina dalam untuk pencarian semakan

• Sokongan untuk doping gate RZ

• Sokongan untuk menggabungkan pengesanan ralat dengan pengurangan ralat

Isu diketahui

• Hingar melahu tidak disediakan melalui NoiseModel.get_backend dan diabaikan semasa pemilihan semakan

• Walaupun banyak langkah stokastik dalam algoritma boleh dikawal dengan benih rawak, sesetengah ciri mempunyai kerawakan yang tidak boleh dikawal dengan benih. Khususnya, nilai kwarg berikut untuk add_pauli_checks akan menyebabkan pemilihan semakan tidak deterministik: cost="LER", method="genetic", dan method="windowed_genetic". Untuk tingkah laku deterministik, gunakan add_pauli_checks(..., cost="gamma", method="windowed"), iaitu nilai lalai.

Kerja akan datang

• Mengendalikan hingar melahu semasa memilih semakan

• Kerawakan yang boleh dikawal untuk fungsi kos kadar ralat logik dan algoritma carian genetik

Menyumbang

Kod sumber tersedia di GitHub.

Panduan pembangun terletak di CONTRIBUTING.md dalam direktori akar repositori projek ini. Dengan mengambil bahagian, anda dijangka mematuhi kod etika Qiskit.

Memetik pakej ini

Jika anda menggunakan pakej ini dalam penyelidikan anda, gunakan fail CITATION.bib dalam repositori projek ini untuk memetik rujukan yang sesuai.

Lesen

Apache License 2.0

Dasar penamatan sokongan

Kami mengikut pengversian semantik. Sekali-sekala kami mungkin membuat perubahan yang memecahkan keserasian untuk menambah baik pengalaman pengguna. Apabila boleh, kami akan mengekalkan antara muka lama dan menandakannya sebagai ditamatkan sokongan, selagi ia boleh wujud bersama yang baharu. Setiap penambahbaikan besar, perubahan yang memecahkan keserasian, atau penamatan sokongan akan didokumenkan dalam nota keluaran.

Rujukan

1. Simon Martiel, Ali Javadi-Abhari, Low-overhead error detection with spacetime codes, arXiv:2504.15725 [quant-ph].

2. Simon Martiel, et al., Sampling hard circuits with verifiably high fidelity, arXiv:2607.25941 [quant-ph].