JP2024026294A - In-situ quantum error correction - Google Patents

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Abstract

To provide a method, a system and an apparatus for continuous and parallel optimization of quantum bit performance in-situ while an error correction operation on a quantum system is running.SOLUTION: A method for parallel optimization of continuously running quantum error correction by closed-loop feedback includes the steps of: continuously and effectively optimizing quantum bit performance in-situ while an error correction operation on a quantum system is running; directly monitoring output from error detection; providing the information as feedback to calibrate quantum gates associated with the quantum system; and spatially partitioning the physical quantum bit into one or more independent hardware patterns, the errors attributable to each hardware pattern being non-overlapping. The one or more different sets of hardware patterns are then temporarily interleaved such that all physical quantum bits and operations are optimized.SELECTED DRAWING: Figure 1A

Description

物理ゲート・パラメータの最適化が、フォールト・トレラント量子コンピュータを構築するために要求されている。ランダム化されたベンチマーキングまたはトモグラフィのような特徴付け方法は、必要なエラー検出動作の割込みを要求し、エラー訂正回路における最適性能を保証しない。エラー・モデル最適化方法を用いた物理ゲート・パラメータの最適化は、測定された物理エラーが物理ゲートにリンクされうるようにエラー・モデルがトレーニングされることを要求し、決定されたエラーがコントロール・パラメータの変化にリンクし戻されることを要求し、最適化プロセスの複雑度を増大させる。 Optimization of physical gate parameters is required to build fault-tolerant quantum computers. Characterization methods such as randomized benchmarking or tomography require interruption of necessary error detection operations and do not guarantee optimal performance in error correction circuits. Optimizing physical gate parameters using error model optimization methods requires that an error model be trained such that measured physical errors can be linked to physical gates, and determined errors can be controlled • Requires changes in parameters to be linked back, increasing the complexity of the optimization process.

本明細書は量子計算における量子ビット性能に関する。 This specification relates to qubit performance in quantum computing.

本明細書は、量子システム上のエラー訂正動作が実行している間にその場での連続的かつ並列な量子ビット性能の最適化に関する技術を説明する。 This specification describes techniques for optimizing qubit performance in situ, sequentially and in parallel while error correction operations on a quantum system are performed.

一般に、本明細書で説明した主題の1つの進歩的な態様は、複数のデータ量子ビットと、各データ量子ビットが近傍の測定量子ビットを有するように当該データ量子ビットにインタリーブする、複数の測定量子ビットと、各読出し量子ゲートが測定量子ビットで動作するように構成された、複数の読出し量子ゲートと、各シングル量子ビット量子ゲートがデータ量子ビットまたは測定量子ビットで動作するように構成された、複数のシングル量子ビット量子ゲートと、各CNOT量子ゲートが、データ量子ビットおよび近傍の測定量子ビットで動作するように構成され、各CNOTゲートが複数の方向のうち1つを定義する、複数のCNOT量子ゲートとを含む量子情報記憶システムにアクセスするステップと、データ量子ビットおよび測定量子ビットを複数のパターンに分割するステップであって、少なくとも1つのパターンは当該パターンに対する非重複エラーを受け、パターンに対する非重複エラーは当該パターンに帰属可能なエラーである、ステップと、測定量子ビットを含むパターンごとに、当該測定量子ビットで動作する読出し量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップと、当該測定量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップと、CNOTゲートにより動作されるデータ量子ビットおよび測定量子ビットを含むパターンごとに、当該データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップと、同一の方向を定義するCNOTゲートのセットを選択し、当該選択されたCNOTゲートに対するパラメータを並列に最適化するステップとからなるアクションを含むことができる。 In general, one inventive aspect of the subject matter described herein provides a plurality of data qubits and a plurality of measurements interleaving the data qubits such that each data qubit has a neighboring measurement qubit. a plurality of readout quantum gates, each single-qubit quantum gate configured to operate with either a data qubit or a measurement qubit; , a plurality of single-qubit quantum gates, each CNOT quantum gate configured to operate on a data qubit and a nearby measurement qubit, each CNOT gate defining one of a plurality of directions. accessing a quantum information storage system including a CNOT quantum gate; and dividing the data qubits and the measurement qubits into a plurality of patterns, wherein at least one pattern is subject to a non-overlapping error for the pattern; A non-overlapping error for is an error that can be attributed to the pattern, a step of optimizing parameters of a readout quantum gate operating on the measurement qubit in parallel for each pattern including the measurement qubit; optimizing in parallel the parameters of a single-qubit quantum gate operating on a qubit, and for each pattern including a data qubit operated by a CNOT gate and a measurement qubit, a single qubit operating on the data qubit; The method may include the following steps: optimizing parameters of the quantum gates in parallel; and selecting a set of CNOT gates defining the same direction and optimizing parameters for the selected CNOT gates in parallel. can.

当該態様の他の実装は、対応するコンピュータシステム、装置、および1つまたは複数のコンピュータ記憶デバイスに記録されたコンピュータプログラムを含み、それぞれ当該方法のアクションを実施するように構成される。1つまたは複数のコンピュータからなるシステムを、当該システムにアクションを実施させる当該システムにインストールされたソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはそれらの組合せにより、特定の動作またはアクションを実施するように構成することができる。1つまたは複数のコンピュータプログラムを、データ処理装置により実行されたとき、当該装置にアクションを実施させる命令を含めることで特定の動作またはアクションを実施するように構成することができる。 Other implementations of the aspects include corresponding computer systems, apparatus, and computer programs stored on one or more computer storage devices, each configured to perform the actions of the methods. Configuring a system of one or more computers to perform a particular operation or action through software, firmware, hardware, or a combination thereof installed on the system that causes the system to perform the action. I can do it. One or more computer programs may be configured to perform particular operations or actions when executed by a data processing device by including instructions that cause the device to perform the actions.

以上のおよび他の実装はそれぞれ、場合によっては、以下の特徴の1つまたは複数を単体または組合せで含むことができる。 Each of these and other implementations may optionally include one or more of the following features alone or in combination.

幾つかの実装では、当該複数のデータ量子ビットおよび測定量子ビットは、当該複数のデータ量子ビットおよび測定量子ビットが量子ビットの1次元チェーンを定義し、当該複数の方向が第1の方向および当該第1の方向と反対の第2の方向を含むように、インタリーブされる。 In some implementations, the plurality of data qubits and measurement qubits define a one-dimensional chain of qubits, and the plurality of directions define a first direction and a first direction. Interleaved to include a second direction opposite the first direction.

他の実装において、当該複数のシングル量子ビットゲートは位相シフトゲートまたは回転ゲートである。 In other implementations, the plurality of single qubit gates are phase shift gates or rotation gates.

幾つかのケースでは、当該データ量子ビットはコントロール量子ビットであり、当該近傍の測定量子ビットはCNOTゲートごとのターゲット量子ビットである。 In some cases, the data qubit is the control qubit and the nearby measurement qubit is the target qubit for each CNOT gate.

他のケースでは、当該データ量子ビットはターゲット量子ビットであり、当該近傍の測定量子ビットはCNOTゲートごとのコントロール量子ビットである。 In other cases, the data qubit is the target qubit and the nearby measurement qubit is the control qubit for each CNOT gate.

幾つかの実装では、当該測定量子ビットで動作する読出し量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップは閉ループフィードバックを用いた反復プロセスであり、各反復は、並列に、測定量子ビットごとに、最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義するステップと、当該測定量子ビットを測定して現在のエラー率を決定するステップと、当該決定された現在のエラー率を格納するステップと、当該現在のエラー率と当該以前の反復からの当該格納されたエラー率との間のエラー率の変化を計算するステップと、エラー率の当該計算された変化に基づいて当該読出しゲート・パラメータを調節するステップとを含む。 In some implementations, optimizing the parameters of readout quantum gates operating on the measurement qubit in parallel is an iterative process with closed-loop feedback, where each iteration defining a corresponding metric for the determined error rate as the determined error rate; measuring the measured qubit to determine the current error rate; and storing the determined current error rate. , calculating a change in error rate between the current error rate and the stored error rate from the previous iteration; and determining the read gate parameter based on the calculated change in error rate. and adjusting.

幾つかのケースでは、最小化に対する当該定義されたメトリックに基づいて当該読出しゲート・パラメータを調節するステップは、数値最適化アルゴリズムを適用するステップを含む。 In some cases, adjusting the read gate parameters based on the defined metric for minimization includes applying a numerical optimization algorithm.

幾つかの実装では、当該測定量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップは閉ループフィードバックを用いた反復プロセスであり、各反復は、並列に、測定量子ビットごとに、最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義するステップと、当該測定量子ビットを測定してエラー率を決定するステップと、当該決定された現在のエラー率を格納するステップと、当該現在のエラー率と当該以前の反復からの当該格納されたエラー率との間のエラー率の変化を計算するステップと、エラー率の当該計算された変化に基づいて当該シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップとを含む。 In some implementations, optimizing in parallel the parameters of a single-qubit quantum gate operating on the measurement qubit is an iterative process with closed-loop feedback, where each iteration is performed for each measurement qubit in parallel. , defining a corresponding metric for minimization as the determined error rate, measuring the measured qubit to determine the error rate, and storing the determined current error rate. , calculating a change in error rate between the current error rate and the stored error rate from the previous iteration; and calculating the change in error rate of the single-qubit gate based on the calculated change in error rate. and adjusting the parameters.

幾つかのケースでは、最小化に対する当該定義されたメトリックに基づいて当該シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップは、数値最適化アルゴリズムを適用するステップを含む。 In some cases, adjusting the parameters of the single-qubit gate based on the defined metric for minimization includes applying a numerical optimization algorithm.

幾つかの実装では、当該データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップは閉ループフィードバックを用いた反復プロセスであり、各反復は、並列に、データ量子ビットごとに、最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義するステップと、当該対応する測定量子ビットを測定してエラー率を決定するステップと、当該決定された現在のエラー率を格納するステップと、当該現在のエラー率と当該以前の反復からの当該格納されたエラー率との間のエラー率の変化を計算するステップと、エラー率の当該計算された変化に基づいて当該シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップとを含む。 In some implementations, optimizing in parallel the parameters of a single-qubit quantum gate operating on the data qubit is an iterative process with closed-loop feedback, where each iteration is performed for each data qubit in parallel. , defining a corresponding metric for minimization as the determined error rate; measuring the corresponding measured qubit to determine the error rate; and storing the determined current error rate. calculating a change in error rate between the current error rate and the stored error rate from the previous iteration; and based on the calculated change in error rate, the single qubit. and adjusting parameters of the gate.

幾つかのケースでは、最小化に対する定義されたメトリックに基づいてシングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップは、数値最適化アルゴリズムを適用するステップを含む。 In some cases, adjusting the parameters of the single-qubit gate based on the defined metric for minimization includes applying a numerical optimization algorithm.

他の実装において、同一の方向を定義するCNOTゲートのセットを選択し、当該選択されたCNOTゲートに対するパラメータを並列に最適化するステップは、選択された1組のCNOTゲートごとに並列に、当該選択されたセット内の各データ量子ビットに対して、最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義するステップと、当該対応する測定量子ビットを測定してエラー率を決定するステップと、当該決定された現在のエラー率を格納するステップと、当該現在のエラー率と当該以前の反復からの当該格納されたエラー率との間のエラー率の変化を計算するステップと、エラー率の当該計算された変化に基づいて当該CNOTゲート・パラメータを調節するステップを含む。 In other implementations, selecting a set of CNOT gates that define the same direction and optimizing parameters for the selected CNOT gates in parallel includes For each data qubit in the selected set, defining a corresponding metric for minimization as the determined error rate and measuring the corresponding measurement qubit to determine the error rate. and storing the determined current error rate; calculating a change in error rate between the current error rate and the stored error rate from the previous iteration; adjusting the CNOT gate parameter based on the calculated change in .

幾つかのケースでは、最小化に対する定義されたメトリックに基づいてシングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップは、数値最適化アルゴリズムを適用するステップを含む。 In some cases, adjusting the parameters of the single-qubit gate based on the defined metric for minimization includes applying a numerical optimization algorithm.

本明細書で説明した主題を、以下の利点の1つまたは複数を実現するために、実装することができる。エラー訂正が実行している間にその場で、物理ゲート・パラメータ、およびしたがって量子ビット性能を連続的におよび効果的に最適化することで、連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化を実装する当該量子コンピュータの性能は、必要なエラー検出動作および他の計算の割込みを要求しうる他の特徴付け方法を使用する量子コンピュータと比較して、改善された性能および信頼性を実現することができる。例えば、連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化を実装する量子コンピュータは、計算に割り込むことなく当該システムが実行している間に量子ビットごとの各ゲートのパラメータごとに、システムドリフト、即ち、温度に起因したシステムハードウェア変更の結果としての最適パラメータのドリフトに対抗することができる。 The subject matter described herein can be implemented to realize one or more of the following advantages. Parallel optimization of successive error correction runs by continuously and effectively optimizing physical gate parameters, and thus qubit performance, on the fly while error correction is running. The performance of the quantum computer implemented provides improved performance and reliability compared to quantum computers using other characterization methods that may require necessary error detection operations and interruption of other computations. I can do it. For example, a quantum computer that implements parallel optimization of continuous error correction runs can detect system drift, i.e., for each gate parameter per qubit, while the system is running without interrupting the computation. , drifts in the optimal parameters as a result of temperature-induced system hardware changes can be countered.

多数の状況では、検出イベントは、エラー検出が実行している間にシステム性能を反映する利用可能な唯一の情報である。連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化を実装する量子コンピュータは、検出イベントを必要とし、これは、多数の異なる形態のエラー訂正に適用可能な重要な技術である。 In many situations, detection events are the only information available that reflects system performance while error detection is running. Quantum computers implementing parallel optimization of continuous error correction execution require detection events, an important technique applicable to many different forms of error correction.

さらに、エラー訂正動作の主な課題は他の方法で特徴付けられたゲートが多量子ビットシステム内のエラー検出回路でどのように実行するかを知ることであるので、連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化を実装する量子コンピュータは、他の特徴付け方法と比較してエラー訂正回路における改善された性能を実現する。データを格納する量子ビットは一般に計算の間で測定されないが、依然として最適化を要求し、これを連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化により実現しうる。 Furthermore, since the main challenge for error correction operations is knowing how otherwise characterized gates perform with error detection circuitry in multi-qubit systems, continuous error correction implementation Quantum computers implementing parallel optimization of quantization achieve improved performance in error correction circuits compared to other characterization methods. Although the qubits that store data are generally not measured during computation, they still require optimization, which can be achieved by parallel optimization of successive error correction runs.

連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化を実装する量子コンピュータはモデル・フリーであってもよく、例えば、初期記述がモデル・フリーであってもよく、エラー・モデルの構築の必要性を回避する。連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化を実装する量子コンピュータはしたがって、かかるエラー・モデルをトレーニングする際に使用するための様々なエラータイプに関する統計値を収集する必要性を回避してもよく、当該エラー・モデルは、十分な統計値を収集するために、個々の1次エラーが疎であるように当該物理システムが閾値よりかなり低いことを要求し、したがって他の特徴付け方法と比べて時間と要求された計算リソースを節約する。 A quantum computer that implements parallel optimization of continuous error correction runs may be model-free, e.g., the initial description may be model-free, eliminating the need for constructing an error model. To avoid. Quantum computers implementing parallel optimization of successive error correction runs can therefore avoid the need to collect statistics on various error types for use in training such error models. Often, the error model requires the physical system to be well below a threshold so that the individual first-order errors are sparse in order to collect sufficient statistics, and thus compared to other characterization methods. save time and required computational resources.

さらに、連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化を実装する任意のサイズの量子コンピュータは、当該量子コンピュータ内の各ゲートを最適化するために、高レベルのスケーラビリティ、例えば、O(1)を実現しうる。 Furthermore, quantum computers of arbitrary size that implement parallel optimization of successive error correction runs require high levels of scalability, e.g., O(1), to optimize each gate within the quantum computer. can be realized.

本明細書の当該主題の1つまたは複数の実装の詳細を添付図面および以下の説明で説明する。当該主題の他の特徴、態様、および利点は詳細な説明、添付図面、および添付の特許請求の範囲から明らかになろう。 The details of one or more implementations of the subject matter herein are set forth in the accompanying drawings and the description below. Other features, aspects, and advantages of the subject matter will be apparent from the detailed description, the accompanying drawings, and the appended claims.

例示的なエラー訂正システムの1次元略斜視図である。1 is a one-dimensional schematic perspective view of an exemplary error correction system; FIG. 例示的なエラー訂正システムにおける量子ビットの2次元略斜視図である。FIG. 2 is a two-dimensional schematic perspective view of a qubit in an exemplary error correction system. 量子ビットの1次元アレイを含むエラー訂正システムにおける例示的なハードウェア・パターンの1次元略斜視図である。1 is a one-dimensional schematic perspective view of an exemplary hardware pattern in an error correction system including a one-dimensional array of qubits; FIG. 量子ビットの1次元アレイを含むエラー訂正システムにおける例示的なハードウェア・パターンの1次元略斜視図である。1 is a one-dimensional schematic perspective view of an exemplary hardware pattern in an error correction system including a one-dimensional array of qubits; FIG. 例示的なエラー訂正システムにおける量子ビットの1次元略斜視図の回路表現である。1 is a one-dimensional schematic perspective circuit representation of a qubit in an example error correction system. エラー訂正システムにおける例示的なハードウェア・パターンの2次元略斜視図である。1 is a two-dimensional schematic perspective view of an exemplary hardware pattern in an error correction system; FIG. エラー訂正に対する例示的なプロセスの流れ図である。1 is a flowchart of an example process for error correction. 測定量子ビット上のシングル量子ビット量子ゲート・パラメータを最適化するための例示的なプロセスの流れ図である。2 is a flowchart of an example process for optimizing single-qubit quantum gate parameters on a measurement qubit. データ量子ビット上のシングル量子ビット量子ゲート・パラメータを最適化するための例示的なプロセスの流れ図である。1 is a flowchart of an example process for optimizing single-qubit quantum gate parameters on data qubits. CNOTゲート・パラメータを最適化するための例示的なプロセスの流れ図である。2 is a flowchart of an example process for optimizing CNOT gate parameters.

様々な図面における同様な参照番号および指定は同様な要素を示す。 Like reference numbers and designations in the various drawings indicate like elements.

本明細書は、当該量子システム上でエラー訂正動作が実行している間にその場で量子ビット性能を連続的におよび効果的に最適化するための量子システムおよび方法を説明する。当該方法は、エラー検出からの出力を直接監視し、この情報を、当該量子システムに関連付けられた量子ゲートを較正するためのフィードバックとして提供する。幾つかの実装では、当該物理量子ビットは、1つまたは複数の独立なハードウェア・パターン、即ち、各ハードウェア・パターンに帰属可能であるエラーが非重複である構成に空間的に分割される。ハードウェア・パターンの当該1つまたは複数の異なるセットはついで、全ての物理量子ビットおよび動作が最適化されるように一時的にインタリーブされる。当該方法により、ハードウェア・パターンの各セクションの最適化を個々におよび並列に実施でき、O(1)スケーリングをもたらしうる。 This specification describes quantum systems and methods for continuously and effectively optimizing qubit performance in situ while error correction operations are performed on the quantum system. The method directly monitors the output from the error detection and provides this information as feedback for calibrating quantum gates associated with the quantum system. In some implementations, the physical qubit is spatially partitioned into one or more independent hardware patterns, i.e., configurations in which the errors attributable to each hardware pattern are non-overlapping. . The one or more different sets of hardware patterns are then temporally interleaved so that all physical qubits and operations are optimized. The method allows optimization of each section of the hardware pattern to be performed individually and in parallel, resulting in O(1) scaling.

例示的な動作環境
図1Aは、反復コードに対する例示的なエラー訂正システム100の1次元略斜視図である。システム100は2次元サーフェスコードの1次元分割である。当該システムは量子ビット102の1次元アレイを含む。明確さのため、9個の量子ビットが図1Aに示されているが、当該システムが、かなり大きな数の量子ビット、例えば、何百万もの量子ビットを含んでもよい。量子ビットの当該アレイは、測定量子ビット、例えば、106、110、114、および118とラベル付けされた測定量子ビットとインタリーブされた、データ量子ビット、例えば、104、108、112、116、および120とラベル付けされたデータ量子ビットを含む。ビット・フリップ・エラー検出のケースでは、当該量子ビットは測定Zタイプ量子ビットであってもよい。
Exemplary Operating Environment FIG. 1A is a one-dimensional schematic perspective view of an exemplary error correction system 100 for repeating codes. System 100 is a one-dimensional division of a two-dimensional surface code. The system includes a one-dimensional array of qubits 102. Although nine qubits are shown in FIG. 1A for clarity, the system may include a significantly larger number of qubits, eg, millions of qubits. The array of qubits includes data qubits, e.g., 104, 108, 112, 116, and 120, interleaved with measurement qubits, e.g., labeled measurement qubits, 106, 110, 114, and 118. Contains a data qubit labeled . In the case of bit flip error detection, the qubit may be a measurement Z-type qubit.

当該システムが、1組の読出し量子ゲート、例えば、読出し量子ゲート122を含んでもよい。当該読出しゲートは測定量子ビット、例えば、測定量子ビット106、110、114および118で動作するように構成されてもよい。各読出しゲートは対応する測定量子ビットの状態を提供してもよく、対応する1組の物理読出しゲート・パラメータに関連付けられてもよい。 The system may include a set of readout quantum gates, eg, readout quantum gate 122. The readout gate may be configured to operate on measurement qubits, eg, measurement qubits 106, 110, 114 and 118. Each read gate may provide the state of a corresponding measured qubit and may be associated with a corresponding set of physical read gate parameters.

当該システムが、1組のシングル量子ビット量子ゲート、例えば、シングル量子ビットゲート132および134を含んでもよい。当該シングル量子ビット量子ゲートは単一のデータ量子ビットまたは単一の測定量子ビットの何れかで動作するように構成されてもよい。図1Aに示すシングル量子ビットゲートはPauliXゲート、例えば、PauliXゲート134、およびHadamardゲート、例えば、Hadamardゲート132を含むが、幾つかの実装では、当該システムが、他のシングル量子ビットゲートを含んでもよい。例えば、当該シングル量子ビットゲートが、任意の位相シフトゲートまたは回転ゲートを含んでもよい。各シングル量子ビット量子ゲートは対応する1組の物理シングル量子ビット量子ゲート・パラメータに関連付けられてもよい。 The system may include a set of single-qubit quantum gates, eg, single-qubit gates 132 and 134. The single-qubit quantum gate may be configured to operate with either a single data qubit or a single measurement qubit. Although the single qubit gates shown in FIG. 1A include a PauliX gate, e.g., PauliX gate 134, and a Hadamard gate, e.g., Hadamard gate 132, in some implementations the system may include other single qubit gates. good. For example, the single qubit gate may include any phase shift gate or rotation gate. Each single-qubit quantum gate may be associated with a corresponding set of physical single-qubit quantum gate parameters.

当該システムが、1組の制御されたNOT(CNOT)ゲート、例えば、CNOTゲート124を含んでもよい。制御されたゲートは2つ以上の量子ビットに作用してもよく、当該量子ビットの1つまたは複数は幾つかの動作に対する制御として動作してもよい。CNOTゲートが、2つの量子ビット、即ち、コントロール量子ビットおよびターゲット量子ビットで動作してもよく、当該コントロール量子ビットが1>であるときにのみ当該ターゲット量子ビット上でNOT動作を実施する。図1AにおけるCNOTゲートは近傍の測定およびデータ量子ビットのペアで動作するように構成され、1つの量子ビットは当該コントロール量子ビットおよび他のターゲット量子ビットとして動作し、例えば、CNOTゲート124は近傍の量子ビット104および106のペアで動作する。エラー検出がビット・フリップ・エラーを検出するように設計される場合、CNOTゲートにより操作される各データ量子ビットはコントロール量子ビットであってもよく、各近傍の測定量子ビットは対応するターゲット量子ビットであってもよい。各CNOTゲートは対応する1組の物理CNOTゲート・パラメータに関連付けられてもよい。 The system may include a set of controlled NOT (CNOT) gates, such as CNOT gate 124. A controlled gate may act on more than one qubit, and one or more of the qubits may act as a control for some operation. A CNOT gate may operate on two qubits, a control qubit and a target qubit, and performs a NOT operation on the target qubit only when the control qubit is 1>. The CNOT gate in FIG. 1A is configured to operate on neighboring measurement and data qubit pairs, with one qubit acting as the control qubit and the other target qubit, e.g. It operates on a pair of qubits 104 and 106. If error detection is designed to detect bit flip errors, each data qubit operated by the CNOT gate may be a control qubit, and each neighboring measurement qubit may be a corresponding target qubit. It may be. Each CNOT gate may be associated with a corresponding set of physical CNOT gate parameters.

ターゲット量子ビット、例えば、106で動作するCNOTゲート、例えば、124が当該ターゲット量子ビットに相対的な1つまたは複数の方向、例えば、図1Aに示すように、当該ターゲット量子ビットの左および右を定義してもよい。当該反復コードの例において、図1Aに示すように、CNOT量子ゲートはビット・フリップ・エラーを当該関連付けられたデータ量子ビットから検出のために当該関連付けられた測定量子ビットにコピーしてもよい。別の例では、当該エラー検出が位相フリップ・エラーを検出するように設計される場合、測定量子ビットは当該コントロール量子ビットであってもよく、近傍のデータ量子ビットは当該ターゲット量子ビットであってもよい。当該CNOT量子ゲートはついで、位相フリップ・エラーを当該関連付けられた測定量子ビットから当該関連付けられたデータ量子ビットにコピーしてもよい。 A CNOT gate, e.g. 124, operating on a target qubit, e.g. May be defined. In the example repetition code, a CNOT quantum gate may copy a bit flip error from the associated data qubit to the associated measurement qubit for detection, as shown in FIG. 1A. In another example, if the error detection is designed to detect phase flip errors, the measurement qubit may be the control qubit and the neighboring data qubit may be the target qubit. Good too. The CNOT quantum gate may then copy the phase flip error from the associated measurement qubit to the associated data qubit.

当該システムが、量子ビット102とデータ通信するエラー訂正サブシステム130を含んでもよい。当該エラー訂正サブシステムは、エラー検出からの出力を監視し、当該量子ゲートを較正するためにこの情報を当該システムにフィードバックするように構成されてもよい。エラー訂正サブシステム130は量子ビット102を1つまたは複数のハードウェア・パターンに空間的に分割し、量子測定を各ハードウェア・パターンにおける測定量子ビットに実施してもよい。当該1つまたは複数のハードウェア・パターンは、それぞれに相対的な各ハードウェア・パターンの最適化が本質的に独立でありうるように、独立であってもよい。量子ビットを1つまたは複数のハードウェア・パターンに分割するステップが図2を参照して以下でより詳細に説明される。測定出力、または検出イベントは測定量子ビットに対する状態の測定されたパターンの変化を示してもよく、これは、近傍のエラーの存在、即ち、当該エラーが当該関連付けられたデータ量子ビットまたは測定量子ビットで発生したかどうかを示す。したがって、それらにおける測定出力およびそれらの測定出力が、データ量子ビットまたは測定量子ビット上のエラーに直接相関しなくてもよい。エラーおよびゲート・パラメータを相関付けるステップを、図2Aおよび2Bを参照して以下でより詳細に説明する。 The system may include an error correction subsystem 130 in data communication with the qubit 102. The error correction subsystem may be configured to monitor output from error detection and feed this information back to the system to calibrate the quantum gate. Error correction subsystem 130 may spatially partition qubit 102 into one or more hardware patterns and perform quantum measurements on the measured qubits in each hardware pattern. The one or more hardware patterns may be independent such that optimization of each hardware pattern relative to each other may be essentially independent. The step of dividing a qubit into one or more hardware patterns is explained in more detail below with reference to FIG. 2. A measurement output, or detection event, may indicate a change in the measured pattern of states for the measurement qubit, which indicates the presence of a nearby error, i.e., the error is caused by the associated data or measurement qubit. Indicates whether the occurrence occurred in Therefore, the measurement outputs therein and their measurement outputs may not be directly correlated to errors on the data or measurement qubits. The step of correlating errors and gating parameters is described in more detail below with reference to FIGS. 2A and 2B.

エラー訂正サブシステム130は、当該実施された量子測定の結果を使用して、測定量子ビットごとの現在のエラー率のような関心のある関連する量、またはメトリックを計算してもよい。エラー訂正サブシステム130はまた、1つまたは複数の測定された測定量子ビットに対する決定されたエラー率の平均値を計算するステップ、または時間におけるエラー率の変化を決定するステップのような、実施された量子測定の結果を用いて追加の計算を実施してもよい。エラー訂正サブシステム130がデータ・ストアを含んでもよく、実施された量子測定または追加の計算の結果を格納してもよい。 Error correction subsystem 130 may use the results of the performed quantum measurements to calculate a related quantity, or metric, of interest, such as a current error rate for each measured qubit. Error correction subsystem 130 also performs steps such as calculating an average value of the determined error rate for one or more measured measurement qubits, or determining a change in the error rate over time. Additional calculations may be performed using the results of the quantum measurements obtained. Error correction subsystem 130 may include a data store and may store the results of quantum measurements or additional calculations performed.

当該エラー訂正サブシステムは、実施された測定の結果を使用して、量子ビット102に作用する量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。例えば、エラー訂正サブシステム130は量子ゲート・パラメータの適切な調整、例えば、1組の量子ゲート・パラメータの最小化を決定するための、Nelder-Meadアルゴリズムのような数値最適化アルゴリズムを実装してもよい。適切な調整が決定されると、当該エラー訂正サブシステムは、当該調整をフィードバックとして量子ビット102に提供し、それに応じて当該量子ゲートのパラメータを調節してもよい。 The error correction subsystem may use the results of the measurements performed to optimize the parameters of the quantum gate acting on the qubit 102. For example, error correction subsystem 130 may implement a numerical optimization algorithm, such as the Nelder-Mead algorithm, to determine appropriate adjustments to quantum gate parameters, e.g., minimizing a set of quantum gate parameters. Good too. Once the appropriate adjustment is determined, the error correction subsystem may provide the adjustment as feedback to the qubit 102 and adjust the parameters of the quantum gate accordingly.

図1Bは、例示的なエラー訂正システムにおける量子ビット150の2次元略斜視図である。当該システムが、量子ビット150の2次元アレイを含んでもよい。再度、明確さのため、81個の量子ビットが図1Bに示されているが、当該システムが、かなり大きな数の量子ビット、例えば、何百万もの量子ビットを含んでもよい。量子ビットのアレイが、当該データ量子ビットが当該データ量子ビットの上、下、右、および左に対する4つの近傍の測定量子ビットを有するように、測定量子ビット、例えば、154、156、158、および160とラベル付けされた測定量子ビットとインタリーブされた、データ量子ビット、例えば、152とラベル付けされたデータ量子ビットを含んでもよい。図1Bは、より高い次元への図1のシステム100Aのスケーラビリティを示す。 FIG. 1B is a two-dimensional schematic perspective view of a qubit 150 in an exemplary error correction system. The system may include a two-dimensional array of qubits 150. Again, for clarity, 81 qubits are shown in FIG. 1B, but the system may include a significantly larger number of qubits, eg, millions of qubits. The array of qubits includes measurement qubits, e.g., 154, 156, 158, and It may include a data qubit, eg, a data qubit labeled 152, interleaved with a measurement qubit labeled 160. FIG. 1B illustrates the scalability of the system 100A of FIG. 1 to higher dimensions.

以下の図2Aおよび2Bは、量子ゲート最適化を実施するために使用される例示的なハードウェア・パターンを示す。 2A and 2B below illustrate example hardware patterns used to perform quantum gate optimization.

図2Aは、量子ビットの1次元アレイを含むエラー訂正システムにおける例示的なハードウェア・パターン200の1次元略斜視図である。例えば、当該エラー訂正システムは図1Aを参照して上述したように量子ビット102の1次元アレイを含むエラー訂正システムであってもよく、ゲート・クロス・ハッチングはどの測定量子ビットがそのゲートからエラーを検出するかに対応する。 FIG. 2A is a one-dimensional schematic perspective view of an exemplary hardware pattern 200 in an error correction system that includes a one-dimensional array of qubits. For example, the error correction system may be an error correction system that includes a one-dimensional array of qubits 102, as described above with reference to FIG. corresponds to whether it is detected or not.

ハードウェア・パターン200が4つのハードェア・グルーピング206を含んでもよく、その各々は測定量子ビットおよびその量子ビットに対する対応するシングル量子ビット動作を含み、例えば、ハードェア・グルーピング202は測定量子ビット204および対応するシングル量子ビット動作208を含む。ハードウェア・パターン内のグルーピングを独立に動作させてもよい。シングル量子ビット動作208からのエラーは近傍のデータ量子ビットに伝播しなくてもよく、当該測定量子ビットからの相対的な検出フラクションを使用して、図6を参照して以下で説明するようにゲート・パラメータの変化を推論してもよい。 The hardware pattern 200 may include four hardware groupings 206, each of which includes a measurement qubit and a corresponding single-qubit operation for that qubit, e.g., the hardware grouping 202 includes a measurement qubit 204 and a corresponding single-qubit operation. includes a single qubit operation 208. Groupings within a hardware pattern may operate independently. Errors from a single qubit operation 208 do not have to propagate to neighboring data qubits, and the relative detection fraction from that measurement qubit can be used to calculate the error as described below with reference to FIG. Changes in gate parameters may be inferred.

さらに、エラー検出がビット・フリップ・エラーを検出するように設計され、CNOTゲートにより操作される各データ量子ビットがコントロール量子ビットであり、各近傍の測定量子ビットが対応するターゲット量子ビットである場合、ビット・フリップ・エラーは、データ量子ビットおよび測定量子ビットのペアに適用される当該CNOTゲートの方向に起因して、データ量子ビットに伝播しなくてもよい。むしろ、ビット・フリップ・エラーは、特定の測定量子ビットおよびしたがって特定のハードェア・グルーピングに局所化されてもよい。 Furthermore, if the error detection is designed to detect bit flip errors and each data qubit operated by the CNOT gate is a control qubit and each neighboring measurement qubit is the corresponding target qubit. , the bit flip error may not propagate to the data qubit due to the orientation of the CNOT gate applied to the data qubit and measurement qubit pair. Rather, bit flip errors may be localized to specific measurement qubits and thus specific hardware groupings.

ゲートエラーの局所化のため、測定量子ビットは、1つのハードウェア・パターン200として、個々に完全に並列に最適化されるシングル量子ビット量子ゲート・パラメータを有してもよい。構成により、当該データ量子ビットおよび測定量子ビットが分割されるハードウェア・パターンが、測定量子ビットのみを含むハードェア・グルーピングを含む1つのパターンを含んでもよい。 For localization of gate errors, the measurement qubits may have single qubit quantum gate parameters that are individually optimized fully in parallel as one hardware pattern 200. Depending on the configuration, the hardware pattern into which the data and measurement qubits are divided may include one pattern that includes a hardware grouping that includes only measurement qubits.

図2Bは、量子ビットの1次元アレイを含むエラー訂正システムにおける例示的なハードウェア・パターン210および220の1次元略斜視図である。例えば、当該エラー訂正システムは図1Aを参照して上述のように量子ビット102の1次元アレイを含むエラー訂正システムであってもよく、ゲート・クロス・ハッチングはどの測定量子ビットがそのゲートからエラーを検出するかに対応する。 FIG. 2B is a one-dimensional schematic perspective view of exemplary hardware patterns 210 and 220 in an error correction system that includes a one-dimensional array of qubits. For example, the error correction system may be an error correction system that includes a one-dimensional array of qubits 102, as described above with reference to FIG. corresponds to whether it is detected or not.

ハードウェア・パターン210が、複数のハードェア・グルーピング、例えば、ハードェア・グルーピング212を含んでもよく、その各々は、測定およびデータ量子ビットおよびCNOTゲートに対する対応するシングル量子ビット動作に沿って1つのデータ量子ビットおよび高々2つの測定量子ビットを含み、例えば、図2Bに示すように、ハードェア・グルーピング212は測定量子ビット214、シングル量子ビット動作216およびCNOTゲート218および219を含む。ハードウェア・パターン内の当該グルーピングを独立に動作させてもよい。シングル量子ビット動作216およびCNOTゲート218および219からのエラーはハードェア・グルーピング212外部に伝播しなくてもよく、図7および8を参照して以下で説明するように、各ハードェア・グルーピング内の測定量子ビットの検出イベントフラクションを使用して各グルーピング内のゲートに対するゲート・パラメータの変化を推論してもよい。 Hardware pattern 210 may include multiple hardware groupings, e.g., hardware grouping 212, each of which supports one data qubit along with corresponding single qubit operations for measurement and data qubits and CNOT gates. For example, as shown in FIG. 2B, hardware grouping 212 includes measurement qubit 214, single qubit operation 216, and CNOT gates 218 and 219. The groupings within the hardware pattern may operate independently. Errors from single qubit operations 216 and CNOT gates 218 and 219 do not have to propagate outside of hardware grouping 212, and measurements within each hardware grouping, as described below with reference to FIGS. The detected event fraction of qubits may be used to infer changes in gate parameters for gates within each grouping.

さらに、エラー検出がビット・フリップ・エラーを検出するように設計され、CNOTゲートにより操作される各データ量子ビットがコントロール量子ビットであり、各近傍の測定量子ビットが対応するターゲット量子ビットである場合、ハードウェア・パターン200と異なり、ビット・フリップ・エラーをデータ量子ビットからCNOTゲートを通じて近傍の測定量子ビットにコピーしてもよい。したがって、データ量子ビット上の単一のエラーは近傍の測定量子ビット上の2つの検出イベントを生成してもよく、同一の測定量子ビットまたはデータ量子ビット上でCNOTゲート・パラメータを並列に最適化するのが可能でないかもしれない。当該ハードウェア・パターン、例えば、210および220に自然な制限があってもよい。一般に、ハードウェア・パターンに完全に含まれるCNOTゲートが当該パターンにおいて最適化されてもよい。 Furthermore, if the error detection is designed to detect bit flip errors and each data qubit operated by the CNOT gate is a control qubit and each neighboring measurement qubit is the corresponding target qubit. , unlike hardware pattern 200, the bit flip error may be copied from a data qubit to a nearby measurement qubit through a CNOT gate. Therefore, a single error on a data qubit may generate two detection events on nearby measurement qubits, optimizing CNOT gate parameters in parallel on the same measurement or data qubit. It may not be possible to do so. There may be natural limitations to the hardware pattern, eg, 210 and 220. In general, CNOT gates that are completely included in a hardware pattern may be optimized in that pattern.

次の最も近傍のデータ量子ビットが同時にそれらのシングル量子ビットパラメータを最適化させる場合、それらは両方ともエラーを同一の測定量子ビットにコピーしてもよい。したがって、エラーは混乱しうる。この問題を回避するために、全ての他のデータ量子ビットが、測定量子ビットへの二重マッピングエラーを回避するように最適化されてもよい。かかる混乱なしに同時にそれらのシングル量子ビットパラメータを最適化できる2つのハードウェア・パターン210および220が生成されてもよく、例えば、互いに相対的なパターン210および220の両方の最適化は本質的に独立である。構成により、当該データ量子ビットおよび測定量子ビットが分割されるハードウェア・パターンが少なくとも1つのパターンを含んでもよく、当該対応するハードェア・グルーピングはデータ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含む。 If the next nearest data qubits simultaneously optimize their single qubit parameters, they may both copy the error to the same measurement qubit. Therefore, errors can be confusing. To avoid this problem, all other data qubits may be optimized to avoid double mapping errors to measurement qubits. Two hardware patterns 210 and 220 may be generated that can simultaneously optimize their single qubit parameters without such confusion, e.g., optimization of both patterns 210 and 220 relative to each other essentially It is independent. Depending on the configuration, the hardware pattern by which the data and measurement qubits are divided may include at least one pattern, and the corresponding hardware grouping includes both data and measurement qubits.

図2Aおよび2Bに示されたハードウェア・パターン200、210および220は、図1Aに示すような1次元エラー訂正システム内のエラー訂正を実施するために使用できる最小数のハードウェア・パターンを構成する。下記のテーブルは、全てのゲートを並列に最適化するためにインタリーブされうるパターンの数をカウントする。3つのインタリーブされたパターンがあり、各パターンにおいて1つのゲートが並列に最適化されてもよい。この数は、理想的な意味で、即ち、量子ビットが、相互作用すべきではない量子ビットとの任意の寄生相互作用を有さない状態で当該システムが実施されていると仮定して、任意のサイズの反復コードに対して定数であってもよい。当該示されたパターンは最小組のパターンであり、幾つかの実装では、必要に応じてより多くのものを追加してもよい。当該システムに対するかかるハードウェア・パターンを選択することによって、夫々のハードウェア・パターンにおける各ハードェア・グルーピング内のゲート・パラメータが、当該ゲート・パラメータを変更しハードェア・グルーピングごとの測定されたエラー率を最適化することで、最適化されてもよい。さらに、有限個のハードウェア・パターンを選択することによって、エラー検出を実行する量子コンピュータを最適化するために必要な各動作にアクセスしうる。ハードウェア・パターンが選択されると、全てのハードェア・グルーピングを並列に独立に最適化でき、これは任意のサイズの量子コンピュータにおける全ての単一のゲートを最適化するためのO(1)スケーリング戦略である。 The hardware patterns 200, 210, and 220 shown in FIGS. 2A and 2B constitute the minimum number of hardware patterns that can be used to implement error correction in a one-dimensional error correction system such as that shown in FIG. 1A. do. The table below counts the number of patterns that can be interleaved to optimize all gates in parallel. There are three interleaved patterns, and one gate in each pattern may be optimized in parallel. This number is arbitrary in the ideal sense, i.e. assuming that the system is implemented in a state where the qubits do not have any parasitic interactions with qubits with which they should not interact. may be constant for an iteration code of size. The illustrated patterns are a minimal set of patterns; some implementations may add more as needed. By selecting such a hardware pattern for the system, the gate parameters within each hardware grouping in each hardware pattern can be adjusted to change the gate parameters and the measured error rate for each hardware grouping. It may be optimized by optimizing. Furthermore, by selecting a finite number of hardware patterns, each operation necessary to optimize a quantum computer that performs error detection can be accessed. Once the hardware pattern is chosen, all hardware groupings can be optimized in parallel and independently, which is O(1) scaling for optimizing every single gate in a quantum computer of arbitrary size. It's a strategy.

最適化を要求する3つの別々のパターンがあるが、1つのパターン内に独立に最適化されうる複数の動作がある。ゲート・パラメータを最適化するステップが、図5乃至8を参照して以下でより詳細に説明される。 Although there are three separate patterns that require optimization, there are multiple operations within a pattern that can be independently optimized. The steps for optimizing gate parameters are explained in more detail below with reference to FIGS. 5-8.

上のテーブルに示され、図2Aおよび2Bを参照して上述したハードウェア・パターンは代表的なパターンであり包括的ではない。特定の回路内のエラー伝播を追跡することで、厳密なパターンおよび各グルーピングを当該システムにカスタマイズでき、決定することができる。例えば、当該ハードウェア・パターンを当該システムソフトウェアで事前に計算する必要はない。幾つかの実装では、当該ハードウェア・パターンを、特定のゲート上のパラメータを変更し、検出イベントの変化が発見された場所を観測することにより決定してもよい。当該特定のゲートの各々におけるパラメータの各々をかかる方式で変更することで、生成された情報を処理し、当該ハードウェア・パターンを決定するために使用してもよい。ハードウェア・パターンを決定するかかる方法はハードウェア非理想性にセンシティブであり、システム性能および効率を高めうる。 The hardware patterns shown in the table above and described above with reference to FIGS. 2A and 2B are representative patterns and are not exhaustive. By tracking error propagation within a particular circuit, the exact pattern and respective groupings can be customized and determined for the system. For example, the hardware pattern does not need to be pre-computed by the system software. In some implementations, the hardware pattern may be determined by changing parameters on particular gates and observing where changes in detected events are found. By changing each of the parameters in each of the particular gates in such a manner, the information generated may be processed and used to determine the hardware pattern. Such methods of determining hardware patterns are sensitive to hardware non-ideality and can enhance system performance and efficiency.

図3は例示的なエラー訂正システムにおける量子ビットの1次元略斜視図の回路表現である。この簡略化された回路表現では、測定量子ビット304の出力は、3つの入力、即ち、関連付けられた測定量子ビット304に対して1つ、および各近傍のデータ量子ビット302および306に対して1つを有するマルチプレクサ308として動作してもよい。当該データまたは測定ボックス、例えば、データボックス302、306および測定ボックス304のうち1つの出力を直接探索するために、当該マルチプレクサへの入力のうち1つのみを一度に選択してもよい。ここから、図2Aおよび2Bを参照して上述した3つのハードウェア・パターン200、210および220が生ずる。 FIG. 3 is a one-dimensional schematic perspective circuit representation of a qubit in an exemplary error correction system. In this simplified circuit representation, the output of measurement qubit 304 has three inputs: one for the associated measurement qubit 304 and one for each neighboring data qubit 302 and 306. The multiplexer 308 may also operate as a multiplexer 308 having one. Only one of the inputs to the multiplexer may be selected at a time to directly probe the output of one of the data or measurement boxes, eg, data boxes 302, 306 and measurement box 304. From this arises the three hardware patterns 200, 210 and 220 described above with reference to FIGS. 2A and 2B.

図4は、エラー訂正システムにおける例示的なハードウェア・パターンの2次元略斜視図400である。図2Aおよび2Bを参照して上述した同一の分析が当該示されたハードウェア・パターンを生成するためにサーフェスコードに適用されてもよい。当該ハードウェア・パターンが、測定量子ビットを含む1つのハードウェア・パターン404を含んでもよい。残りのハードウェア・パターン406乃至412が、データ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含んでもよい。 FIG. 4 is a two-dimensional schematic perspective view 400 of an exemplary hardware pattern in an error correction system. The same analysis described above with reference to FIGS. 2A and 2B may be applied to the surface code to generate the illustrated hardware pattern. The hardware pattern may include one hardware pattern 404 that includes measurement qubits. The remaining hardware patterns 406-412 may include both data and measurement qubits.

図4に示されたハードウェア・パターン404乃至412は、量子ビットの2次元アレイを含むシステムに対するエラー訂正を実施するために使用できる最小数のハードウェア・パターンを構成する。下記のテーブルは、全てのゲートを並列に最適化するようにインタリーブされるパターンの数をカウントする。5つのインタリーブされたパターンがあり、各パターンにおいて1つのゲートが最適化されてもよい。当該示されたパターンは代表的なものであり、最小セットではない。他のパターンが存在し、より複雑であってもよい。当該パターンの数と複雑度は、どの順番で量子ゲートが当該アレイにわたって実行されるかの厳密な詳細に依存する。上述のように、当該システムに対するかかるハードウェア・パターンを選択することによって、夫々のハードウェア・パターンにおける各ハードェア・グルーピング内のゲート・パラメータが、当該ゲート・パラメータを変更しハードェア・グルーピングごとの測定されたエラー率を最適化することで、最適化されてもよい。さらに、有限個のハードウェア・パターンを選択することによって、エラー検出を実行する量子コンピュータを最適化するために要求される各動作にアクセスしうる。ハードウェア・パターンが選択されると、全てのハードェア・グルーピングを独立に並列に最適化することができ、これは任意のサイズの量子コンピュータにおける全ての単一のゲートを最適化するためのO(1)スケーリング戦略である。 The hardware patterns 404-412 shown in FIG. 4 constitute the minimum number of hardware patterns that can be used to implement error correction for a system that includes a two-dimensional array of qubits. The table below counts the number of patterns that are interleaved to optimize all gates in parallel. There may be five interleaved patterns, one gate being optimized in each pattern. The patterns shown are representative and not a minimum set. Other patterns exist and may be more complex. The number and complexity of the patterns depends on the exact details of in what order the quantum gates are executed across the array. As described above, by selecting such a hardware pattern for the system, the gate parameters within each hardware grouping in each hardware pattern can be changed to The error rate may be optimized by optimizing the error rate. Moreover, by selecting a finite number of hardware patterns, each operation required to optimize a quantum computer that performs error detection can be accessed. Once the hardware pattern is chosen, all hardware groupings can be optimized independently and in parallel, which is O( 1) It is a scaling strategy.

最適化を要求する5つの別々のパターンがあるが、1つのパターン内に独立に最適化されうる複数の動作がある。ゲート・パラメータを最適化するステップが図5乃至8を参照して以下でより詳細に説明される。 Although there are five separate patterns that require optimization, there are multiple operations within a pattern that can be independently optimized. The steps for optimizing gate parameters are explained in more detail below with reference to FIGS. 5-8.

上のテーブルに示され、図4を参照して上述したハードウェア・パターンは代表的なパターンであり包括的ではない。特定の回路内のエラー伝播を追跡することで、厳密なパターンおよび各グルーピングを当該システムにカスタマイズし、決定することができる。例えば、当該ハードウェア・パターンをシステムのソフトウェアで事前に計算する必要はない。幾つかの実装では、当該ハードウェア・パターンを、特定のゲート上のパラメータを変更し、検出イベントの変化が発見された場所を観測することにより決定してもよい。当該特定のゲートの各々におけるパラメータの各々をかかる方式で変更することで、生成された情報を処理し、当該ハードウェア・パターンを決定するために使用してもよい。ハードウェア・パターンを決定するかかる方法はハードウェア非理想性にセンシティブであり、システム性能および効率を高めうる。 The hardware patterns shown in the table above and described above with reference to FIG. 4 are representative patterns and are not comprehensive. By tracking error propagation within a particular circuit, the exact pattern and respective groupings can be customized and determined for the system. For example, the hardware pattern need not be pre-calculated in the system's software. In some implementations, the hardware pattern may be determined by changing parameters on particular gates and observing where changes in detected events are found. By changing each of the parameters in each of the particular gates in such a manner, the information generated may be processed and used to determine the hardware pattern. Such methods of determining hardware patterns are sensitive to hardware non-ideality and can enhance system performance and efficiency.

本明細書で説明されたハードウェア・パターンは反復コードを実行する量子ビットの1次元チェーンに対して固有であるが、この技術は大抵のエラー訂正枠組みに汎用化しうる。固定された最大サイズの量子ビットのグループを用いてエラーを検出し、任意の量子ビットが属するグループの数がシステムサイズに対応しない任意の枠組みが、本明細書で説明されたハードェアおよび方法を利用することができる。例えば、当該技術は、サブシステムコードを含む全てのトポロジコード、および最低レベルの連結に着目することで全ての連結されたコードと互換であってもよい。これはサーフェスおよびカラーコード、およびSteaneおよびShorコードを含む。本明細書で説明されたハードェアおよび方法は、システムサイズでのO(1)スケーリングを保存したい場合は、有限レート・ブロック・コードと互換でなくてもよい。ハードウェア・パターンおよびグルーピングを、エラー検出回路をシミュレートするか、または、コントロール・パラメータを物理的に変更し検出フラクションが変化する場所を決定することによって、アルゴリズム的に発見することができる。 Although the hardware pattern described herein is specific to one-dimensional chains of qubits executing repetitive codes, the technique can be generalized to most error correction frameworks. Any framework that detects errors using groups of qubits of a fixed maximum size and in which the number of groups to which any qubit belongs does not correspond to the system size can utilize the hardware and methods described herein. can do. For example, the technique may be compatible with all topology code, including subsystem code, and all connected code by focusing on the lowest level of connections. This includes surface and color codes, and Steane and Shor codes. The hardware and methods described herein may not be compatible with finite rate block codes if one wishes to preserve O(1) scaling in system size. Hardware patterns and groupings can be discovered algorithmically by simulating error detection circuits or by physically changing control parameters and determining where the detection fraction changes.

特に、図2Aおよび2B、3および4を、反復コードおよびサーフェスコードに関して説明したが、ゲートから物理測定へのエラー・シグネチャを追跡する方法を、当該反復およびサーフェスコードの外部で適用し、任意の量子回路に適用でき、最適化のためのフィードバックを提供するための方法として使用してもよい。 In particular, although Figures 2A and 2B, 3 and 4 have been described with respect to iterative and surface codes, the method for tracking error signatures from gates to physical measurements can be applied outside of the iterative and surface codes and can be applied to arbitrary It can be applied to quantum circuits and may be used as a method to provide feedback for optimization.

その場量子エラー訂正の実施
図5は、エラー訂正を実行している間に量子ゲート・パラメータの連続的な最適化を実施するための例示的なプロセス500の流れ図である。例えば、プロセス500を、図1A乃至1Bおよび図3を参照して上述したシステム100または300によりエラー訂正手続きの間に実施してもよい。プロセス500は自己診断するためのエラー検出を使用し、当該システムが実行している間にコントロール・パラメータの連続的な最適化を可能とし、したがって計算に割り込むことなくシステムドリフトに対抗する。
Performing In-Situ Quantum Error Correction FIG. 5 is a flowchart of an example process 500 for performing continuous optimization of quantum gate parameters while performing error correction. For example, process 500 may be performed during an error correction procedure by system 100 or 300 described above with reference to FIGS. 1A-1B and FIG. 3. Process 500 uses error detection to self-diagnose and allow continuous optimization of control parameters while the system is running, thus combating system drift without interrupting calculations.

当該システムはデータ量子ビットおよび測定量子ビットの集合を別々のハードウェア・パターンに空間的に分割する(ステップ502)。当該システムは、それぞれの別々のハードウェア・パターンに帰属可能であるエラーが他の別々のハードウェア・パターンに帰属可能であるエラーと重複しないように、データ量子ビットおよび測定量子ビットの集合を分割する。構成により、当該ハードウェア・パターンが、測定量子ビットを含むグルーピングを有する1つのパターン、およびデータ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含むグルーピングを有する2つ以上のパターンを含んでもよい。データ量子ビットおよび測定量子ビットの集合を別々のハードウェア・パターンに分割する構成が、図2Aおよび2Bおよび図4を参照して上でより詳細に説明されている。 The system spatially partitions the data and measurement qubit sets into separate hardware patterns (step 502). The system partitions the data and measurement qubit sets such that errors attributable to each separate hardware pattern do not overlap with errors attributable to other separate hardware patterns. do. Depending on the configuration, the hardware pattern may include one pattern with a grouping that includes measurement qubits and two or more patterns that have groupings that include both data qubits and measurement qubits. The arrangement of dividing the data and measurement qubit sets into separate hardware patterns is described in more detail above with reference to FIGS. 2A and 2B and FIG. 4.

当該システムは、測定量子ビットを含むグルーピングを有する各ハードウェア・パターン内の量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化するための段階に入る(ステップ504)。構成により、データ量子ビットおよび測定量子ビットの集合内の測定量子ビットの各々は、ステップ502で構築されたハードウェア・パターンのうち1つを形成してもよい。例えば、1次元において、当該システムは、図2Aを参照して上述したハードウェア・パターン200内の測定量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。別の例では、2次元において、当該システムは、図4を参照して上述した、ハードウェア・パターン404内の測定量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。 The system enters a step to optimize parameters of quantum gates operating on the qubits in each hardware pattern having a grouping that includes the measured qubits (step 504). By configuration, each of the measurement qubits in the set of data qubits and measurement qubits may form one of the hardware patterns constructed in step 502. For example, in one dimension, the system may optimize the parameters of a quantum gate operating on a measured qubit in the hardware pattern 200 described above with reference to FIG. 2A. In another example, in two dimensions, the system may optimize the parameters of quantum gates operating on measured qubits in hardware pattern 404, described above with reference to FIG.

当該測定量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータの最適化を実施するステップを、最も単純な最適化段階と考えてもよい。例えば、エラー訂正を反復コードに実施するステップを考慮するとき、当該測定量子ビットはビット・フリップ・エラーを検出してもよい。測定およびデータ量子ビットのペアに適用されるCNOTゲートの方向に起因して、当該ビット・フリップ・エラーは測定量子ビットからデータ量子ビットに伝播しないので、エラーは特定の測定量子ビットに局所化される。測定量子ビットはしたがって、ステップ506および508を参照して以下で説明されるように、1つのハードウェア・パターンとして個々に完全に並列に最適化されるそれらの上で動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを有してもよい。 The step of optimizing the parameters of the quantum gate operating on the measured qubit may be considered the simplest optimization step. For example, when considering implementing error correction on a repeating code, the measurement qubit may detect a bit flip error. Due to the orientation of the CNOT gate applied to the pair of measurement and data qubits, the bit flip error does not propagate from the measurement qubit to the data qubit, so the error is localized to the particular measurement qubit. Ru. The measurement qubits are therefore single-qubit quantum gates operating on them that are individually optimized fully in parallel as one hardware pattern, as described below with reference to steps 506 and 508. It may have the following parameters.

当該システムは、測定量子ビットで動作する読出しゲートのパラメータの最適化を実施する(ステップ506)。当該測定量子ビットで動作する当該読出しゲートのパラメータの最適化を、ハードウェア・パターン内の測定量子ビットごとに並列に実施してもよい。当該測定量子ビットで動作する当該読出しゲートのパラメータを最適化するための例示的なプロセスが図6を参照して以下で詳細に説明される。 The system performs optimization of the parameters of the readout gate operating on the measured qubit (step 506). Optimization of the parameters of the readout gate operating on the measurement qubit may be performed in parallel for each measurement qubit in the hardware pattern. An exemplary process for optimizing the parameters of the read gate operating on the measurement qubit is described in detail below with reference to FIG. 6.

当該システムは、当該測定量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータの最適化を実施する(ステップ508)。当該測定量子ビットで動作する当該シングル量子ビット量子ゲートのパラメータの最適化を、当該ハードウェア・パターン内の測定量子ビットごとに、並列に実施してもよい。当該測定量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化するための例示的なプロセスが図6を参照して以下で詳細に説明される。 The system performs parameter optimization of a single-qubit quantum gate operating on the measured qubit (step 508). Optimization of the parameters of the single-qubit quantum gate operating on the measurement qubit may be performed in parallel for each measurement qubit in the hardware pattern. An exemplary process for optimizing the parameters of a single-qubit quantum gate operating with the measured qubit is described in detail below with reference to FIG. 6.

当該システムは、データ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含むグルーピングを有する各ハードウェア・パターン内の量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化するための段階に入る(ステップ510)。構成により、データおよび測定量子ビットの両方を含むグルーピングを有する各ハードウェア・パターンにおいて、当該データ量子ビットは、ステップ502で構築されたそれらの夫々のハードェア・グルーピングにおいて測定量子ビットを伴ってもよい。例えば、1次元において、当該システムは、図2Bを参照して上述したハードウェア・パターン210および220内のデータ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。別の例では、2次元において、当該システムは、図4を参照して上述した、ハードウェア・パターン406、408、410および412におけるデータ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。 The system enters a step to optimize parameters of quantum gates operating on qubits in each hardware pattern having groupings that include both data qubits and measurement qubits (step 510). By configuration, in each hardware pattern that has groupings that include both data and measurement qubits, the data qubits may be accompanied by measurement qubits in their respective hardware groupings constructed in step 502. . For example, in one dimension, the system may optimize the parameters of a single-qubit quantum gate operating on data qubits in hardware patterns 210 and 220 described above with reference to FIG. 2B. In another example, in two dimensions, the system optimizes the parameters of single-qubit quantum gates operating on data qubits in hardware patterns 406, 408, 410, and 412, described above with reference to FIG. It's okay.

当該データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータの最適化を実施するステップは、測定量子ビットで動作する当該シングル量子ビット量子ゲートのパラメータの最適化を実施するステップよりも複雑であってもよい。例えば、エラー訂正を反復コードに実施するステップを考慮するとき、ビット・フリップ・エラーを、当該データ量子ビットおよび当該測定量子ビットの両方で動作するCNOTゲートを通じてデータ量子ビットから近傍の測定量子ビットにコピーしてもよい。したがって、データ量子ビット上の単一のエラーは、図2Aおよび2Bを参照して上述したように、その近傍の測定量子ビットの各々での出力、または検出イベントを生成してもよい。データ量子ビットは、したがって、次の最も近傍のデータ量子ビットが同時にそれらのシングル量子ビットゲートのパラメータを最適化する場合、それらは両方ともエラーを同一の測定量子ビットにコピーし、エラー混乱を生成しうるので、1つのハードウェア・パターンとして個々に完全に並列に最適化されるそれらで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを有さなくてもよい。その代わり、ステップ512および図6を参照して以下で説明されるように、全ての他のデータ量子ビットが1つのハードウェア・パターンとして並列に最適化され、測定量子ビット上のエラーの二重マッピングを回避してもよい。 Performing parameter optimization for a single-qubit quantum gate operating on the data qubit is more complex than performing parameter optimization for the single-qubit quantum gate operating on the measurement qubit. Good too. For example, when considering implementing error correction on a repeating code, bit flip errors are transferred from a data qubit to a neighboring measurement qubit through a CNOT gate operating on both the data qubit and the measurement qubit. May be copied. Thus, a single error on a data qubit may generate an output, or detection event, on each of its neighboring measurement qubits, as described above with reference to FIGS. 2A and 2B. Data qubits are therefore Therefore, it is not necessary to have the parameters of single-qubit quantum gates operating on them individually fully parallel optimized as one hardware pattern. Instead, all other data qubits are optimized in parallel as one hardware pattern, as described below with reference to step 512 and FIG. Mapping may be avoided.

当該システムは、データ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含むグルーピングを有する各ハードウェア・パターンにおいて当該データ量子ビットで動作するシングル量子ビットゲートのパラメータの最適化を実施する(ステップ512)。各ハードウェア・パターンにおいてデータ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータの最適化を各ハードウェア・パターンに対して別々に実施してもよい。しかし、各ハードウェア・パターン内における各グルーピング内のデータ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータの最適化を当該ハードウェア・パターン内のデータ量子ビットごとに並列に実施してもよい。当該データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化するための例示的なプロセスが図7を参照して以下で詳細に説明される。 The system performs parameter optimization for a single qubit gate operating on a data qubit in each hardware pattern that has a grouping that includes both a data qubit and a measurement qubit (step 512). Optimization of the parameters of a single-qubit quantum gate operating on data qubits in each hardware pattern may be performed separately for each hardware pattern. However, optimization of the parameters of single-qubit quantum gates operating on data qubits in each grouping within each hardware pattern may be performed in parallel for each data qubit within that hardware pattern. An exemplary process for optimizing the parameters of a single-qubit quantum gate operating on data qubits is described in detail below with reference to FIG. 7.

データ量子ビットおよび測定量子ビットのペアで動作するCNOTゲートのパラメータの最適化を実施するステップはまた、エラー混乱に起因して複雑でありうる。データ量子ビット上のエラーは、関与するデータ量子ビットの各側の測定量子ビットに伝播してもよい。したがって、データ量子ビット上のエラーは、図2Bを参照して上述したように、その近傍の測定量子ビットの各々において出力、または検出イベントを生成してもよい。データ量子ビットおよび測定量子ビットのペアで動作するCNOTゲートのパラメータはしたがって、同一のデータ量子ビットまたは測定量子ビット上で並列に最適化されなくてもよい。これは自然にハードウェア・パターンを、例えば、ステップ510を参照して上述したのと同じものに制限する。エラー混乱を回避するために、単純なルール、即ち、ハードウェア・パターンに完全に含まれるCNOTゲートのみが当該パターンで最適化されてもよいという単純なルールがあってもよい。 Implementing parameter optimization for a CNOT gate operating on data and measurement qubit pairs can also be complex due to error confounds. Errors on the data qubits may propagate to the measurement qubits on each side of the data qubits involved. Thus, an error on a data qubit may generate an output, or detection event, in each of its neighboring measured qubits, as described above with reference to FIG. 2B. The parameters of a CNOT gate operating on data and measurement qubit pairs therefore do not have to be optimized in parallel on the same data or measurement qubit. This naturally limits the hardware pattern to, for example, the same as described above with reference to step 510. To avoid error confusion, there may be a simple rule: only CNOT gates that are completely included in a hardware pattern may be optimized in that pattern.

当該システムは、ハードウェア・パターン内のデータ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含む各ハードェア・グルーピングにおけるデータ量子ビットおよび測定量子ビットのペアで動作するCNOTゲートのパラメータの最適化を実施する(ステップ514)。当該ハードウェア・パターンにおけるデータ量子ビットおよび測定量子ビットのペアで動作するCNOTゲートのパラメータの最適化を各ハードウェア・パターンに対して別々に実施してもよい。さらに、当該システムは、ハードウェア・パターン内の同一の方向を定義するCNOTゲートを選択し、当該ハードウェア・パターン内のデータ量子ビットごとに同一の方向を並列に定義する当該CNOTゲートのパラメータを最適化する。例えば、1次元において、データ量子ビットおよび測定量子ビットを含む各ハードウェア・パターンごとに、当該システムは、まず、当該データ量子ビットの左にあり当該選択されたCNOTゲート・パラメータを並列に最適化する1組のCNOTゲートを選択し、当該データ量子ビットの右にあり当該選択されたCNOTゲート・パラメータを並列に最適化する1組のCNOTゲートを選択してもよい。当該データ量子ビットおよび測定量子ビットで動作するCNOTゲートのパラメータを最適化するための例示的なプロセスが図8を参照して以下で詳細に説明される。 The system performs parameter optimization of CNOT gates operating on pairs of data and measurement qubits in each hardware grouping that includes both data and measurement qubits in the hardware pattern. 514). Optimization of the parameters of a CNOT gate operating on a pair of data and measurement qubits in that hardware pattern may be performed separately for each hardware pattern. Additionally, the system selects CNOT gates that define the same direction in the hardware pattern and sets the parameters of the CNOT gates that define the same direction in parallel for each data qubit in the hardware pattern. Optimize. For example, in one dimension, for each hardware pattern that includes a data qubit and a measurement qubit, the system first optimizes the selected CNOT gate parameters to the left of the data qubit in parallel. A set of CNOT gates to the right of the data qubit may be selected to optimize the selected CNOT gate parameters in parallel. An exemplary process for optimizing the parameters of a CNOT gate operating on data and measurement qubits is described in detail below with reference to FIG. 8.

明確さのため、エラー訂正を実行している間に量子ゲート・パラメータの連続的な最適化を実施するための例示的なプロセス500の流れ図がステップ504乃至514を参照して説明されている。しかし、ステップ504乃至514の動作が提示された順序で逐次的に実施されることが必要でなくてもよい。当該ステップを異なるシーケンスで実施してもよく、複数回実施してもよい。即ち、必要に応じて、当該シーケンス内の次のステップが実施される前に例えば、幾つかの実装では、当該システムは、測定量子ビットを含む各ハードウェア・パターン内の量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化するための段階に入る前に、まず、データ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含む各ハードウェア・パターン内の量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化するための段階に入ってもよい。同様に、例えば、測定量子ビットを含む各ハードウェア・パターン内の量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化するための段階にいったん入ると、当該システムは、最適化ステップ506を実施する前にまず最適化ステップ508を実施してもよい。ステップ506、508、512および514の間で循環することで、即ち、ハードウェア・パターンの間で循環することで、当該システムが実行している間に、全ての量子ビットに対する全てのゲートの全てのパラメータでのシステムドリフトに対抗してもよい。 For clarity, a flowchart of an exemplary process 500 for performing continuous optimization of quantum gate parameters while performing error correction is described with reference to steps 504-514. However, it may not be necessary for the acts of steps 504-514 to be performed sequentially in the order presented. The steps may be performed in different sequences or multiple times. That is, if necessary, before the next step in the sequence is performed, e.g., in some implementations, the system performs a Before proceeding to the step of optimizing the gate parameters, we first set out the steps for optimizing the parameters of the quantum gate operating on the qubits in each hardware pattern, including both data qubits and measurement qubits. You can go through stages. Similarly, once the system enters the stage for optimizing the parameters of the quantum gates operating on the qubits in each hardware pattern, including, for example, the measurement qubits, the system An optimization step 508 may be performed first. By cycling between steps 506, 508, 512 and 514, i.e. by cycling between hardware patterns, all gates for all qubits are The system drift in the parameters may be counteracted.

図6は、測定量子ビットで動作する読出しゲートまたはシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化するための例示的なプロセス600の流れ図である。プロセス600を、図5のステップ506で上述したように読出し量子ゲートのパラメータを最適化するための、または図5のステップ508で上述したようにシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化するための、図1A乃至1Bおよび図3を参照して上述したシステム100または300により実施してもよい。構成により、図1A乃至1Bおよび図3で説明したデータ量子ビットおよび測定量子ビットの集合内の測定量子ビットの各々は、上で図5を参照してステップ502で構築されたハードウェア・パターンのうち1つを形成する。例えば、1次元において、当該システムは、図2Aを参照して上述したハードウェア・パターン202内の測定量子ビットで動作する読出し量子ゲートまたはシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。別の例では、2次元において、当該システムは、図4を参照して上述した、ハードウェア・パターン404内の測定量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。 FIG. 6 is a flowchart of an example process 600 for optimizing parameters of a readout gate or single-qubit quantum gate operating on a measured qubit. The process 600 may be performed to optimize the parameters of a readout quantum gate as described above in step 506 of FIG. 5 or to optimize the parameters of a single-qubit quantum gate as described above in step 508 of FIG. , may be implemented by the system 100 or 300 described above with reference to FIGS. 1A-1B and FIG. By construction, each of the measurement qubits in the collection of data and measurement qubits described in FIGS. 1A-1B and FIG. form one of them. For example, in one dimension, the system may optimize the parameters of a readout quantum gate or a single-qubit quantum gate operating on a measured qubit in the hardware pattern 202 described above with reference to FIG. 2A. In another example, in two dimensions, the system may optimize the parameters of quantum gates operating on measured qubits in hardware pattern 404, described above with reference to FIG.

プロセス600を、対応するハードウェア・パターン内の測定量子ビットごとに並列に実施してもよい。プロセス600は、閉ループフィードバックを使用して測定量子ビットで動作する読出しゲートまたはシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化するプロセスを連続的に繰り返してもよい。 Process 600 may be performed in parallel for each measured qubit in the corresponding hardware pattern. Process 600 may continuously iterate the process of optimizing parameters of a readout gate or single-qubit quantum gate operating on a measured qubit using closed-loop feedback.

並列に、測定量子ビットごとに、当該システムは、エラー最小化に対する対応するメトリックを決定されたエラー率として定義する(ステップ602)。検出イベントのフラクションとも呼ばれる各量子ビットのエラー率を最小化することで、当該量子ゲートエラーを最小化してもよい。シングル測定量子ビットを含むハードウェア・パターンのケースにおいて、エラー最小化に対するメトリックはその量子ビットに対する検出イベントのフラクションであってもよい。図2Aおよび4に示すもののような、複数の測定量子ビットを含むハードウェア・パターンのケースでは、エラー最小化に対する当該メトリックは、全ての測定量子ビットに対して取られる検出イベントの平均フラクションである。 In parallel, for each measured qubit, the system defines a corresponding metric for error minimization as the determined error rate (step 602). The quantum gate error may be minimized by minimizing the error rate of each qubit, also called the fraction of detected events. In the case of a hardware pattern that includes a single measurement qubit, the metric for error minimization may be the fraction of detected events for that qubit. In the case of hardware patterns containing multiple measurement qubits, such as those shown in Figures 2A and 4, the metric for error minimization is the average fraction of detection events taken for all measurement qubits. .

並列に、測定量子ビットごとに、当該システムは当該測定量子ビットを測定して現在のエラー率を決定する(ステップ604)。 In parallel, for each measured qubit, the system measures the measured qubit to determine the current error rate (step 604).

当該システムは決定されたエラー率を格納する(ステップ606)。当該システムは、エラー率の変化が長時間にわたって監視され、量子ゲート・パラメータに加えられた変更と相関付けられるように、プロセス600の反復ごとの当該決定されたエラー率を格納する。 The system stores the determined error rate (step 606). The system stores the determined error rate for each iteration of process 600 so that changes in error rate can be monitored over time and correlated with changes made to the quantum gate parameters.

当該システムは、当該決定された現在のエラー率および以前の反復からの格納されたエラー率との間のエラー率の変化を計算する(ステップ608)。測定出力、または検出イベント、および測定量子ビットに対する状態の測定されたパターンの変化は、データ量子ビットまたは測定量子ビット上に関わらず、近傍のエラーの存在を示してもよい。しかし、検出イベント自体は測定量子ビットまたはデータ量子ビット上のエラーに直接相関しなくてもよい。したがって、エラーの変化をゲート・パラメータの変化と相関付けるために、局所化された検出イベントフラクションの変化、即ち、エラー率をゲート・パラメータの変化と比較してもよい。 The system calculates the change in error rate between the determined current error rate and the stored error rate from previous iterations (step 608). Measurement outputs, or detection events, and changes in the measured pattern of states for the measurement qubits, whether on the data qubits or the measurement qubits, may indicate the presence of nearby errors. However, the detection event itself may not directly correlate to errors on the measurement or data qubits. Therefore, in order to correlate the change in error with the change in the gating parameter, the change in the localized detected event fraction, ie, the error rate, may be compared to the change in the gating parameter.

並列に、測定量子ビットごとに、当該システムは、エラー率の計算された変化に基づいて読出しゲート・パラメータ、またはシングル量子ビット量子ゲート・パラメータを調節する(ステップ610)。当該システムは、Nelder-Mead方法のような数値最適化アルゴリズムを、ステップ608で計算されたエラー率の変化に基づいて適用して、当該読出しゲート・パラメータまたはシングル量子ビット量子ゲート・パラメータに行うための調整を決定してもよい。 In parallel, for each measured qubit, the system adjusts readout gate parameters, or single-qubit quantum gate parameters, based on the calculated change in error rate (step 610). The system applies a numerical optimization algorithm, such as the Nelder-Mead method, to the readout gate parameters or single-qubit quantum gate parameters based on the change in error rate calculated in step 608. may decide to adjust.

当該システムは上述のステップ602乃至610を連続的に繰り返してもよい。原則として、ゲートエラーに関連付けられた物理プロセスに関するより多くの情報を取得するために、測定値Xおよび測定値Yの量子ビットを区別することが可能であってもよく、この情報を当該量子ゲートをより効率的に最適化するために当該システムにフィードバックしてもよい。 The system may continuously repeat steps 602-610 described above. In principle, it may be possible to distinguish the qubits of measurement X and measurement Y in order to obtain more information about the physical process associated with the gate error, and to transfer this information may be fed back to the system to optimize it more efficiently.

図7は、データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化するための例示的なプロセス700の流れ図である。プロセス700を、図5のステップ512で上述したように当該シングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化するための、図1A乃至1Bおよび図3を参照して上述したシステム100または300により実施してもよい。当該プロセスを、上の図5を参照してステップ502で構築したデータ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含むグルーピングを有するハードウェア・パターンごとに実施してもよい。例えば、1次元において、当該システムは、図2Bを参照して上述したハードウェア・パターン210および220内のデータ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。別の例では、2次元において、当該システムは、図4を参照して上述したハードウェア・パターン406、408、410および412において測定量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。 FIG. 7 is a flowchart of an example process 700 for optimizing parameters of a single-qubit quantum gate operating on data qubits. Process 700 is performed by system 100 or 300 described above with reference to FIGS. 1A-1B and FIG. 3 for optimizing the parameters of the single-qubit quantum gate as described above in step 512 of FIG. Good too. The process may be performed for each hardware pattern that has groupings that include both data and measurement qubits as constructed in step 502 with reference to FIG. 5 above. For example, in one dimension, the system may optimize the parameters of a single-qubit quantum gate operating on data qubits in hardware patterns 210 and 220 described above with reference to FIG. 2B. In another example, in two dimensions, the system may optimize the parameters of quantum gates operating on the measured qubits in hardware patterns 406, 408, 410, and 412 described above with reference to FIG.

プロセス700を、対応するハードウェア・パターンにおけるデータ量子ビットごとに並列に実施してもよい。プロセス700は、閉ループフィードバックを使用して当該データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化する連続的に繰り返されるプロセスであってもよい。 Process 700 may be performed in parallel for each data qubit in a corresponding hardware pattern. Process 700 may be a continuously iterated process that uses closed-loop feedback to optimize the parameters of a single-qubit quantum gate operating on the data qubit.

並列に、データ量子ビットごとに、当該システムは、エラー最小化に対する対応するメトリックを決定されたエラー率として定義する(ステップ702)。検出イベントのフラクションとも呼ばれる各量子ビットのエラー率を最小化することで、量子ゲートエラーを最小化してもよい。図2Bおよび4に示すもののような、複数の測定量子ビットを含むグルーピングを有するハードウェア・パターンのこのケースにおいて、エラー最小化に対する当該メトリックは全ての測定量子ビットに対して取られる検出イベントの平均フラクションであってもよい。 In parallel, for each data qubit, the system defines a corresponding metric for error minimization as the determined error rate (step 702). Quantum gate errors may be minimized by minimizing the error rate of each qubit, also called the fraction of detected events. In this case of hardware patterns with groupings containing multiple measured qubits, such as those shown in Figures 2B and 4, the metric for error minimization is the average of the detection events taken over all measured qubits. It may also be a fraction.

並列に、データ量子ビットごとに、当該システムは当該対応する近傍の測定量子ビットを測定しては現在のエラー率を決定する(ステップ704)。例えば、1次元システムにおいて、当該システムは少なくとも2つの対応する測定量子ビットを測定してもよい。例えば、2次元システムにおいて、当該システムは少なくとも4つの対応する測定量子ビットを測定してもよい。 In parallel, for each data qubit, the system measures its corresponding neighboring measurement qubits to determine the current error rate (step 704). For example, in a one-dimensional system, the system may measure at least two corresponding measurement qubits. For example, in a two-dimensional system, the system may measure at least four corresponding measurement qubits.

当該システムは決定されたエラー率を格納する(ステップ706)。当該システムは、エラー率の変化を長時間にわたって監視し、当該量子ゲート・パラメータに加えられた変更と相関付けうるように、当該決定されたプロセス700の反復ごとのエラー率を格納する。 The system stores the determined error rate (step 706). The system monitors changes in the error rate over time and stores the determined error rate for each iteration of the process 700 so that it can be correlated with changes made to the quantum gate parameters.

当該システムは、決定された現在のエラー率および以前の反復からの格納されたエラー率との間のエラー率の変化を計算する(ステップ708)。測定出力、または検出イベント、および測定量子ビットに対する状態の測定されたパターンの変化は、データ量子ビットまたは測定量子ビット上に関わらず、近傍のエラーの存在を示してもよい。しかし、検出イベント自体は測定量子ビットまたはデータ量子ビット上のエラーに直接相関しなくてもよい。したがって、エラーの変化をゲート・パラメータの変化と相関付けるために、局所化された検出イベントフラクションの変化、即ち、エラー率をゲート・パラメータの変化と比較してもよい。 The system calculates the change in error rate between the determined current error rate and the stored error rate from previous iterations (step 708). Measurement outputs, or detection events, and changes in the measured pattern of states for the measurement qubits, whether on the data qubits or the measurement qubits, may indicate the presence of nearby errors. However, the detection event itself may not directly correlate to errors on the measurement or data qubits. Therefore, in order to correlate the change in error with the change in the gating parameter, the change in the localized detected event fraction, ie, the error rate, may be compared to the change in the gating parameter.

並列に、データ量子ビットごとに、当該システムは、エラー率の計算された変化に基づいてシングル量子ビットゲートのパラメータを調節する(ステップ710)。当該システムは、ステップ708で計算されたエラー率の変化に基づいて、Nelder-Mead方法のような数値最適化アルゴリズムを適用して、当該シングル量子ビット量子ゲート・パラメータに行われるべき調整を決定してもよい。 In parallel, for each data qubit, the system adjusts the parameters of the single qubit gate based on the calculated change in error rate (step 710). The system applies a numerical optimization algorithm, such as the Nelder-Mead method, to determine adjustments to be made to the single-qubit quantum gate parameters based on the change in error rate calculated in step 708. It's okay.

当該システムは上述のステップ702乃至710を連続的に繰り返してもよい。原則として、当該ゲートエラーに関連付けられた物理プロセスに関するより多くの情報を取得するために、測定値Xおよび測定値Yの量子ビットを区別することが可能であってもよく、この情報を、当該量子ゲートをより効率的に最適化するために当該システムにフィードバックしてもよい。 The system may continuously repeat steps 702-710 described above. In principle, it may be possible to distinguish between the qubits of measurement X and measurement Y in order to obtain more information about the physical process associated with the gate error in question, and this information Feedback may be provided to the system to optimize quantum gates more efficiently.

図8は、データ量子ビットおよび測定量子ビットのペアで動作するCNOTゲートのパラメータを最適化するための例示的なプロセス800の流れ図である。プロセス800を、図5の514ステップで上述したようにCNOTゲートのパラメータを最適化するための、図1A乃至1Bおよび図3を参照して上述したシステム100または300により実施してもよい。上の図5を参照してステップ502で構築されたデータ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含むグルーピングを有するハードウェア・パターンごとに、当該プロセスを実施してもよい。例えば、1次元において、当該システムは、図2Bを参照して上述したハードウェア・パターン210および220におけるデータ量子ビットおよび測定量子ビットのペアで動作するCNOTゲートのパラメータを最適化してもよい。別の例では、2次元において、当該システムは、図4を参照して上述したハードウェア・パターン406乃至412における測定量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。 FIG. 8 is a flowchart of an example process 800 for optimizing the parameters of a CNOT gate operating on data and measurement qubit pairs. Process 800 may be performed by system 100 or 300 described above with reference to FIGS. 1A-1B and FIG. 3 for optimizing parameters of a CNOT gate as described above in step 514 of FIG. The process may be performed for each hardware pattern that has groupings that include both data and measurement qubits constructed in step 502 with reference to FIG. 5 above. For example, in one dimension, the system may optimize the parameters of a CNOT gate operating on data and measurement qubit pairs in hardware patterns 210 and 220 described above with reference to FIG. 2B. In another example, in two dimensions, the system may optimize the parameters of quantum gates operating on measured qubits in hardware patterns 406-412 described above with reference to FIG.

当該CNOTゲートが動作するデータ量子ビットに関して同一の方向を定義する対応するハードウェア・パターンに完全に含まれるCNOTゲートごとにプロセス800を並列に実施してもよい。プロセス800は、閉ループフィードバックを使用して当該CNOTゲートのパラメータを最適化する、連続的に繰り返されるプロセスであってもよい。 Process 800 may be performed in parallel for each CNOT gate that is completely included in a corresponding hardware pattern that defines the same direction with respect to the data qubits on which that CNOT gate operates. Process 800 may be a continuously iterated process that uses closed-loop feedback to optimize the parameters of the CNOT gate.

並列に、データ量子ビットごとに、当該システムは、エラー最小化に対する対応するメトリックを決定されたエラー率として定義する(ステップ802)。検出イベントのフラクションとも呼ばれる各量子ビットのエラー率を最小化することで、量子ゲートエラーを最小化してもよい。これらの図2Bおよび4で示したものような、複数の測定量子ビットを含むグルーピングを有するハードウェア・パターンのこのケースにおいて、エラー最小化に対する当該メトリックは、全ての測定量子ビットに対して取られる検出イベントの平均フラクションであってもよい。 In parallel, for each data qubit, the system defines a corresponding metric for error minimization as the determined error rate (step 802). Quantum gate errors may be minimized by minimizing the error rate of each qubit, also called the fraction of detected events. In this case of hardware patterns with groupings containing multiple measurement qubits, such as those shown in these Figures 2B and 4, the metric for error minimization is taken for all measurement qubits. It may also be an average fraction of detected events.

並列に、データ量子ビットごとに、当該システムは対応する近傍の測定量子ビットを測定して現在のエラー率を決定する(ステップ804)。例えば、1次元システムにおいて、当該システムは少なくとも2つの対応する測定量子ビットを測定してもよい。例えば、2次元システムにおいて、当該システムは少なくとも4つの対応する測定量子ビットを測定してもよい。 In parallel, for each data qubit, the system measures the corresponding neighboring measurement qubits to determine the current error rate (step 804). For example, in a one-dimensional system, the system may measure at least two corresponding measurement qubits. For example, in a two-dimensional system, the system may measure at least four corresponding measurement qubits.

当該システムは当該決定されたエラー率を格納する(ステップ806)。当該システムは、エラー率の変化を長時間にわたって監視し、量子ゲート・パラメータに加えられた変更と相関付けうるように、プロセス800の反復ごとの決定されたエラー率を格納する。 The system stores the determined error rate (step 806). The system stores the determined error rate for each iteration of process 800 so that changes in the error rate can be monitored over time and correlated with changes made to the quantum gate parameters.

当該システムは、決定された現在のエラー率および以前の反復からの格納されたエラー率との間のエラー率の変化を計算する(ステップ808)。測定出力、または検出イベント、および測定量子ビットに対する状態の測定されたパターンの変化は、データ量子ビットまたは測定量子ビット上に関わらず、近傍のエラーの存在を示してもよい。しかし、検出イベント自体は測定量子ビットまたはデータ量子ビット上のエラーに直接相関しなくてもよい。したがって、エラーの変化をゲート・パラメータの変化と相関付けるために、局所化された検出イベントフラクションの変化、即ち、エラー率をゲート・パラメータの変化と比較してもよい。 The system calculates the change in error rate between the determined current error rate and the stored error rate from previous iterations (step 808). Measurement outputs, or detection events, and changes in the measured pattern of states for the measurement qubits, whether on the data qubits or the measurement qubits, may indicate the presence of nearby errors. However, the detection event itself may not directly correlate to errors on the measurement or data qubits. Therefore, in order to correlate the change in error with the change in the gating parameter, the change in the localized detected event fraction, ie, the error rate, may be compared to the change in the gating parameter.

並列に、データ量子ビットごとに、当該システムは、エラー率の計算された変化に基づいてCNOTゲート・パラメータを調節する(ステップ810)。当該システムは、ステップ808で計算されたエラー率の変化に基づいて、Nelder-Mead方法のような数値最適化アルゴリズムを適用して、当該CNOT量子ゲート・パラメータに行われる調整を決定してもよい。 In parallel, for each data qubit, the system adjusts the CNOT gate parameters based on the calculated change in error rate (step 810). The system may apply a numerical optimization algorithm, such as the Nelder-Mead method, to determine adjustments to be made to the CNOT quantum gate parameters based on the change in error rate calculated in step 808. .

当該システムは上述のステップ802乃至810を連続的に繰り返してもよい。原則として、ゲートエラーに関連付けられた物理プロセスに関するより多くの情報を取得するために、測定値Xおよび測定値Yの量子ビットを区別することが可能であってもよく、この情報を、量子ゲートをより効率的に最適化するために当該システムにフィードバックしてもよい。 The system may continuously repeat steps 802-810 described above. In principle, it may be possible to distinguish between the qubits of measurements may be fed back to the system to optimize it more efficiently.

本明細書で説明されたデジタルおよび/または量子の主題およびデジタル機能の動作および量子動作の実装を、デジタル電子回路、適切な量子回路または、より一般的に、量子計算システムで、有形に具現化されたデジタルおよび/または量子コンピュータソフトウェアまたはファームウェアで、当該本明細書で開示された構造を含むデジタルおよび/または量子コンピュータハードウェアで、およびそれらの構造的な均等物で、またはそれらの1つまたは複数の組合せで実装することができる。「量子計算システム」という用語が、量子コンピュータ、量子情報処理システム、量子暗号理論システム、または量子シミュレータを含んでもよいがこれらに限定されない。 The digital and/or quantum subject matter and operations of digital functions and implementations of quantum operations described herein are tangibly embodied in a digital electronic circuit, a suitable quantum circuit or, more generally, a quantum computing system. digital and/or quantum computer software or firmware that includes the structures disclosed herein, and structural equivalents thereof, or one or more of the following: Can be implemented in multiple combinations. The term "quantum computing system" may include, but is not limited to, a quantum computer, quantum information processing system, quantum cryptography system, or quantum simulator.

本明細書で説明したデジタルおよび/または量子の主題の実装を、1つまたは複数のデジタルおよび/または量子コンピュータプログラム、即ち、データ処理装置により実行するためのまたはその動作を制御するための有形非一時的記憶媒体で符号化されたデジタルおよび/または量子コンピュータプログラム命令の1つまたは複数のモジュールとして実装することができる。当該デジタルおよび/または量子コンピュータ記憶媒体は、マシン可読記憶デバイス、マシン可読記憶基板、ランダムまたはシリアル・アクセス・メモリデバイス、1つまたは複数の量子ビット、またはそれらの1つまたは複数の組合せであることができる。あるいはまたはさらに、当該プログラム命令を、デジタルおよび/または量子情報を符号化しうる人工的に生成された伝播信号、例えば、デジタルおよび/または量子データ処理装置により実行するための適切な受信機装置に送信するための情報を符号化するために生成されたマシン生成された電気的、光学的、または電磁気信号で符号化されることができる。 Implementations of the digital and/or quantum subject matter described herein may be implemented by one or more digital and/or quantum computer programs; It may be implemented as one or more modules of digital and/or quantum computer program instructions encoded on a temporary storage medium. The digital and/or quantum computer storage medium is a machine-readable storage device, a machine-readable storage substrate, a random or serial access memory device, one or more qubits, or a combination of one or more thereof. I can do it. Alternatively or additionally, transmitting the program instructions to a suitable receiver device for execution by an artificially generated propagation signal capable of encoding digital and/or quantum information, e.g. a digital and/or quantum data processing device. can be encoded with machine-generated electrical, optical, or electromagnetic signals generated to encode information for.

量子情報および量子データという用語は量子システムにより運搬されそれに保持または格納された情報またはデータを指し、当該最小非自明システムは量子ビット、即ち、量子情報のユニットを定義するシステムである。「量子ビット」という用語は、当該対応するコンテキストにおいて2レベルシステムとして適切に近似されうる全ての量子システムを包含することは理解される。かかる量子システムが、例えば、2つ以上のレベルを有するマルチレベルシステムを含んでもよい。例として、かかるシステムは原子、電子、光子、イオンまたは超電導量子ビットを含むことができる。多数の実装において、当該計算基本状態は、基底状態および第1の励起された状態で識別されるが、当該計算状態がより高レベル励起された状態で識別される他の構成が可能であることは理解される。「データ処理装置」という用語はデジタルおよび/または量子データ処理ハードウェアを指し、例としてプログラム可能デジタルプロセッサ、プログラム可能量子プロセッサ、デジタルコンピュータ、量子コンピュータ、複数のデジタルおよび量子プロセッサまたはコンピュータ、およびそれらの組合せを含む、処理のためにデジタルおよび/または量子データを処理するための全ての種類の装置、デバイス、およびマシンを包含する。当該装置はさらに、特定の量子システムに関する情報をシミュレートまたは生成するように設計された、特殊目的論理回路、例えば、FPGA(フィールドプログラム可能ゲートアレイ)、ASIC(特殊用途向け集積回路)、または量子シミュレータ、即ち、量子データ処理装置であることができるかまたはそれを含むことができる。特に、量子シミュレータは、普遍的量子計算を実施するための能力を有さない特殊目的量子コンピュータである。当該装置は場合によっては、ハードウェアに加えて、デジタルおよび/または量子コンピュータプログラム、例えば、プロセッサファームウェア、プロトコル・スタック、データベース管理システム、オペレーティング・システム、またはそれらの1つまたは複数の組合せを構成するコードに対する実行環境を生成するコードを含むことができる。 The terms quantum information and quantum data refer to information or data carried by, carried by, or stored in a quantum system, the least non-trivial system of which is a qubit, a system that defines a unit of quantum information. It is understood that the term "qubit" encompasses all quantum systems that can be appropriately approximated as two-level systems in the corresponding context. Such quantum systems may include, for example, multi-level systems having two or more levels. By way of example, such systems can include atoms, electrons, photons, ions or superconducting qubits. In many implementations, the computational elementary state is identified as a ground state and a first excited state, although other configurations are possible in which the computational state is identified as a higher level excited state. is understood. The term "data processing equipment" refers to digital and/or quantum data processing hardware, including, for example, a programmable digital processor, a programmable quantum processor, a digital computer, a quantum computer, multiple digital and quantum processors or computers, and It encompasses all types of apparatus, devices and machines for processing digital and/or quantum data for processing, including combinations. The apparatus may further include special purpose logic circuits, such as FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), ASICs (Special Application Integrated Circuits), or quantum The simulator may be or include a quantum data processing device. In particular, a quantum simulator is a special purpose quantum computer that does not have the capability to perform universal quantum computations. The device optionally constitutes, in addition to hardware, digital and/or quantum computer programs, such as processor firmware, protocol stacks, database management systems, operating systems, or one or more combinations thereof. Can contain code that generates an execution environment for the code.

デジタルコンピュータプログラムはまた、プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、モジュール、ソフトウェアモジュール、スクリプト、またはコードと称するかまたはそれとして説明されてもよく、コンパイル型またはインタプリタ型言語、または宣言型または手続型言語を含む任意の形態のプログラミング言語で書かれることができ、スタンドアロンプログラムまたはモジュール、コンポーネント、サブルーチン、またはデジタルコンピューティング環境で使用するのに適した他のユニットを含む任意の形態で展開されることができる。量子コンピュータプログラムはまた、プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、モジュール、ソフトウェアモジュール、スクリプト、またはコードと称するかまたはそれとして説明されてもよく、コンパイル型またはインタプリタ型言語、または宣言型または手続型言語を含む任意の形態のプログラミング言語で書かれることができ、適切な量子プログラミング言語に変換でき、または、量子プログラミング言語、例えば、QCLまたはQuipperで書くことができる。 A digital computer program may also be referred to or described as a program, software, software application, module, software module, script, or code, including compiled or interpreted languages, or declarative or procedural languages. It may be written in any form of programming language and may be deployed in any form, including stand-alone programs or modules, components, subroutines, or other units suitable for use in a digital computing environment. A quantum computer program may also be referred to or described as a program, software, software application, module, software module, script, or code, including a compiled or interpreted language, or a declarative or procedural language. It can be written in any form of programming language, can be translated into a suitable quantum programming language, or can be written in a quantum programming language, for example QCL or Quipper.

デジタルおよび/または量子コンピュータプログラムはファイルシステム内のファイルに対応してもよいがその必要はない。プログラムを、他のプログラムまたはデータを保持するファイルの一部、例えば、マークアップ言語ドキュメントで、問題となっているプログラム専用の単一のファイルで、または複数の協調ファイルで格納された1つまたは複数のスクリプト、例えば、1つまたは複数のモジュールを格納するファイル、サブプログラム、またはコードの部分に格納することができる。デジタルおよび/または量子コンピュータプログラムを、1つのサイトに配置するかまたはデジタルおよび/または量子データ通信ネットワークによって相互接続された複数のサイトわたって分散される、1つのデジタルまたは1つの量子コンピュータ上でまたは複数のデジタルおよび/または量子コンピュータ上で実行するように展開することができる。量子データ通信ネットワークは、量子システム、例えば、量子ビットを用いて量子データを送信しうるネットワークであると理解される。一般的に、デジタルデータ通信ネットワークは量子データを送信できないが、量子データ通信ネットワークは量子データおよびデジタルデータの両方を送信しうる。 Digital and/or quantum computer programs may, but need not, correspond to files within a file system. A program can be a part of another program or a file that holds data, for example a markup language document, in a single file dedicated to the program in question, or in one or more cooperating files. Multiple scripts may be stored in a file, subprogram, or portion of code that stores one or more modules, for example. a digital and/or quantum computer program on one digital or one quantum computer located at one site or distributed across multiple sites interconnected by a digital and/or quantum data communication network; It can be deployed to run on multiple digital and/or quantum computers. A quantum data communication network is understood to be a network in which quantum systems, for example quantum bits, can be used to transmit quantum data. Although digital data communication networks generally cannot transmit quantum data, quantum data communication networks can transmit both quantum and digital data.

本明細書で説明したプロセスおよび論理フローを、1つまたは複数のデジタルおよび/または量子プロセッサで動作し、必要に応じて、1つまたは複数のデジタルおよび/または量子コンピュータプログラムを実行して入力デジタルおよび量子データで動作して出力を生成することで機能を実施する、1つまたは複数のプログラム可能デジタルおよび/または量子コンピュータにより実施することができる。当該プロセスおよび論理フローはまた、特殊目的論理回路、例えば、FPGAまたはASIC、または量子シミュレータにより、またはの組合せ特殊目的論理回路または量子シミュレータおよび1つまたは複数のプログラムされたデジタルおよび/または量子コンピュータにより実施でき、装置をそれらとして実装することもできる。 The processes and logic flows described herein may be implemented by operating on one or more digital and/or quantum processors and optionally executing one or more digital and/or quantum computer programs to implement the processes and logic flows described herein. and one or more programmable digital and/or quantum computers that perform the functions by operating on quantum data and generating output. The processes and logic flows may also be implemented by special purpose logic circuits, such as FPGAs or ASICs, or by quantum simulators, or by a combination of special purpose logic circuits or quantum simulators and one or more programmed digital and/or quantum computers. can be implemented and the device can be implemented as such.

1つまたは複数のデジタルおよび/または量子コンピュータのシステムが特定の動作またはアクションを実施する「ように構成される」ことは、当該システムは、動作において当該システムに当該動作またはアクションを実施させるソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはそれらの組合せをインストールしていることを意味する。1つまたは複数のデジタルおよび/または量子コンピュータプログラムを、特定の動作またはアクションを実施するように構成することは、当該1つまたは複数のプログラムが、デジタルおよび/または量子データ処理装置により実行されたとき、当該装置に当該動作またはアクションを実施させる命令を含むことを意味する。量子コンピュータは、当該量子コンピューティング装置により実行されたとき、当該装置に当該動作またはアクションを実施させる命令をデジタルコンピュータから受信してもよい。 One or more digital and/or quantum computer systems being "configured to" perform a particular operation or action means that the system, in operation, is configured to include software that causes the system to perform the operation or action; Refers to installing firmware, hardware, or a combination thereof. Configuring one or more digital and/or quantum computer programs to perform a particular operation or action means that the one or more programs are executed by a digital and/or quantum data processing device. In this case, it means to include an instruction for causing the device to perform the operation or action. A quantum computer may receive instructions from a digital computer that, when executed by the quantum computing device, cause the device to perform the operations or actions.

デジタルおよび/または量子コンピュータプログラムの実行に適したデジタルおよび/または量子コンピュータは、汎用目的または特殊目的デジタルおよび/または量子プロセッサまたはその両方、または任意の他種の中央デジタルおよび/または量子処理ユニットに基づくことができる。一般的に、中央デジタルおよび/または量子処理ユニットは、量子データ、例えば、光子、またはそれらの組合せを送信するのに適した読取専用メモリ、ランダム・アクセスメモリ、または量子システムから命令およびデジタルおよび/または量子データを受信する。 A digital and/or quantum computer suitable for the execution of a digital and/or quantum computer program can be a general purpose or special purpose digital and/or quantum processor, or any other kind of central digital and/or quantum processing unit. can be based on. Typically, a central digital and/or quantum processing unit receives instructions and digital and/or or receive quantum data.

デジタルおよび/または量子コンピュータの本質的な要素は、命令を実施または実行するための中央演算装置および命令およびデジタルおよび/または量子データを格納するための1つまたは複数のメモリデバイスである。当該中央演算装置および当該メモリは特殊目的論理回路により補完するかまたは当該回路または量子シミュレータに組み込むことができる。一般的に、デジタルおよび/または量子コンピュータはまた、量子システムデジタルおよび/または量子データを送受信するために、1つまたは複数の大容量記憶デバイス、例えば、量子情報を格納するのに適した磁気、光磁気ディスク、光ディスクを含むかまたはそれらに動作可能に接続されてもよい。しかし、デジタルおよび/または量子コンピュータはかかるデバイスを有する必要はない。 The essential elements of a digital and/or quantum computer are a central processing unit for implementing or executing instructions and one or more memory devices for storing instructions and digital and/or quantum data. The central processing unit and the memory may be supplemented by special purpose logic circuitry or incorporated into the circuitry or quantum simulator. Generally, a digital and/or quantum computer also includes one or more mass storage devices, e.g. It may include or be operably connected to magneto-optical disks, optical disks. However, digital and/or quantum computers do not need to have such devices.

デジタルおよび/または量子コンピュータプログラム命令およびデジタルおよび/または量子データを格納するのに適したデジタルおよび/または量子コンピュータ可読媒体は、例として半導体メモリデバイス、例えば、EPROM、EEPROM、およびフラッシュ・メモリデバイス、磁気ディスク、例えば、内部ハード・ディスクまたは取外し可能ディスク、磁気-光ディスク、CD-ROMおよびDVD-ROMディスク、および量子システム、例えば、トラップされた原子または電子を含む、全ての形態の不揮発性デジタルおよび/または量子メモリ、媒体およびメモリデバイスを含む。量子メモリが、ハイ・フィデリティおよび効率で長期間量子データを格納できるデバイス、例えば、光が送信に使用され物質が重ね合わせまたは量子コヒーレンスのような量子データの量子特徴を記憶し保存する光物質(light-matter)インタフェースであることは理解される。 Digital and/or quantum computer readable media suitable for storing digital and/or quantum computer program instructions and digital and/or quantum data include, by way of example, semiconductor memory devices, such as EPROMs, EEPROMs, and flash memory devices; All forms of non-volatile digital and and/or quantum memories, media and memory devices. Quantum memory is a device in which quantum data can be stored for long periods of time with high fidelity and efficiency, e.g. optical materials (where light is used for transmission and matter memorizes and preserves quantum features of quantum data, such as superposition or quantum coherence). light-matter) interface.

本明細書で説明された様々なシステムまたはそれらの部分の制御を、1つまたは複数の非一時的マシン可読記憶媒体に格納され、1つまたは複数のデジタルおよび/または量子処理デバイスで実行可能な命令を含む、デジタルおよび/または量子コンピュータプログラム製品で実装することができる。本明細書で説明されたシステム、またはそれらの部分をそれぞれ、本明細書で説明された動作を実装するための実行可能命令を格納する1つまたは複数のデジタルおよび/または量子処理デバイスおよびメモリを含みうる装置、方法、またはシステムとして実装することができる。 Control of the various systems or portions thereof described herein is stored in one or more non-transitory machine-readable storage media and executable by one or more digital and/or quantum processing devices. It can be implemented in a digital and/or quantum computer program product containing instructions. The systems described herein, or portions thereof, each include one or more digital and/or quantum processing devices and memory storing executable instructions for implementing the operations described herein. It can be implemented as an apparatus, method, or system that can include.

本明細書は多数の具体的な実装詳細を含むが、これらはクレームされうるもの範囲への制限として解釈されるべきではなく、特定の実装に固有でありうる特徴の説明として解釈されるべきである。別々の実装の文脈で本明細書で説明した特定の特徴をまた、単一の実装における組合せで実装することができる。反対に、単一の実装の文脈で説明された様々な特徴をまた、複数の実装で別々にまたは任意の適切な部分的組合せで実装することができる。さらに、特徴は特定の組合せで動作するように上述され最初にそのようにクレームされているかもしれないが、クレームされた組合せからの1つまたは複数の特徴を幾つかのケースでは当該組合せから実施してもよく当該クレームされた組合せは部分的組合せまたは部分的組合せの変形に関連してもよい。 Although this specification contains numerous specific implementation details, these should not be construed as limitations on the scope of what may be claimed, but rather as descriptions of features that may be specific to particular implementations. be. Certain features that are described herein in the context of separate implementations can also be implemented in combination in a single implementation. Conversely, various features that are described in the context of a single implementation can also be implemented in multiple implementations separately or in any suitable subcombination. Furthermore, although features may be described above and originally claimed as operating in a particular combination, one or more features from the claimed combination may in some cases be implemented from that combination. The claimed combinations may relate to subcombinations or variations of subcombinations.

同様に、動作を図面において特定の順序で説明したが、これは、所望の結果を実現するために、かかる動作を示した特定の順序でまたは逐次的順序で実施されること、または全ての示された動作が実施されることを要求するものと理解されるべきではない。特定の環境において、マルチタスキングおよび並列処理が有利であるかもしれない。さらに、上述の実装における様々なシステムモジュールおよびコンポーネントの分離は、全ての実装におけるかかる分離を必要とするとは理解されるべきではなく、説明されたプログラムコンポーネントおよびシステムを一般に単一のソフトウェア製品に統合するかまたは複数のソフトウェア製品にパッケージ化できることは理解されるべきである。 Similarly, although acts are illustrated in a particular order in the drawings, this does not imply that such acts may be performed in the particular order shown or in a sequential order to achieve a desired result. shall not be understood as requiring that the actions indicated be performed. Multitasking and parallel processing may be advantageous in certain environments. Furthermore, the separation of various system modules and components in the implementations described above is not to be understood as requiring such separation in all implementations, but rather the integration of the program components and systems described into a single software product in general. It should be understood that the software may be packaged into multiple software products.

主題の特定の実装を説明した。他の実装は添付の特許請求の範囲内にある。例えば、特許請求の範囲で記載した動作を異なる順序で実施して、依然として所望の結果を実現することができる。1例として、添付図面に示したプロセスは、所望の結果を実現するために示した特定の順序、または逐次的順序を必ずしも要求しない。幾つかのケースでは、マルチタスキングおよび並列処理が有利であるかもしれない。 Described a specific implementation of the subject. Other implementations are within the scope of the following claims. For example, the acts recited in the claims can be performed in a different order and still achieve the desired results. By way of example, the processes illustrated in the accompanying drawings do not necessarily require the particular order shown, or sequential order, to achieve desired results. In some cases, multitasking and parallel processing may be advantageous.

130 エラー訂正サブシステム 130 Error Correction Subsystem

Claims (12)

量子計算システムであって、
測定量子ビットとデータ通信するエラー訂正サブシステムを備える、量子計算システムであって、前記エラー訂正サブシステムは、エラー検出情報を受信し、量子ビットに対して対応するエラー訂正を実施するように構成され、前記エラー検出情報に基づいて、前記エラー訂正と並列に、
データ量子ビットおよび測定量子ビットを複数のパターンに分割することであって、少なくとも1つのパターンは前記パターンに対するエラーを受け、前記少なくとも1つのパターンに対する各エラーは前記パターンに局所化されたエラーであり、前記パターンは測定量子ビットを含むパターンまたはCNOTゲートにより動作されるデータ量子ビットおよび測定量子ビットを含むパターンを含む、ことと、
測定量子ビットを含むパターンごとに、
前記測定量子ビットで動作する読出し量子ゲートのパラメータを並列に最適化することと、
前記測定量子ビットで動作する複数のシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化することと
をするように構成される、システム。
A quantum computing system,
A quantum computing system comprising an error correction subsystem in data communication with a measurement qubit, the error correction subsystem configured to receive error detection information and perform corresponding error correction on the qubit. and based on the error detection information, in parallel with the error correction,
dividing the data qubits and the measurement qubits into a plurality of patterns, at least one pattern being subject to errors with respect to said pattern, and each error with respect to said at least one pattern being an error localized to said pattern; , the pattern includes a pattern including measurement qubits or a pattern including data qubits and measurement qubits operated by a CNOT gate;
For each pattern containing the measurement qubit,
optimizing in parallel parameters of a readout quantum gate operating on the measurement qubit;
optimizing in parallel parameters of a plurality of single-qubit quantum gates operating on the measured qubit.
複数のデータ量子ビットと、
各データ量子ビットが1つまたは複数の近傍の測定量子ビットが有するように、前記データ量子ビットをインタリーブする、複数の測定量子ビットと、
各読出し量子ゲートが測定量子ビットで動作するように構成された、複数の読出し量子ゲートと、
各シングル量子ビット量子ゲートがデータ量子ビットまたは測定量子ビットで動作するように構成された、複数のシングル量子ビット量子ゲートと、
各CNOT量子ゲートが、データ量子ビットおよび近傍の測定量子ビットで動作するように構成され、各CNOTゲートが複数の方向のうち1つを定義する、複数のCNOT量子ゲートと、
をさらに含む、請求項1に記載のシステム。
multiple data qubits,
a plurality of measurement qubits interleaving the data qubits such that each data qubit has one or more neighboring measurement qubits;
a plurality of readout quantum gates, each readout quantum gate configured to operate on a measurement qubit;
a plurality of single-qubit quantum gates, each single-qubit quantum gate configured to operate on a data qubit or a measurement qubit;
a plurality of CNOT quantum gates, each CNOT quantum gate configured to operate with a data qubit and a neighboring measurement qubit, each CNOT gate defining one of a plurality of directions;
The system of claim 1, further comprising:
前記複数のデータ量子ビットおよび測定量子ビットは、前記複数のデータ量子ビットおよび測定量子ビットが量子ビットの1次元チェーンを定義し、前記複数の方向が第1の方向および前記第1の方向と反対の第2の方向を含むように、インタリーブされる、請求項2に記載のシステム。 The plurality of data qubits and measurement qubits define a one-dimensional chain of qubits, the plurality of directions being a first direction and opposite to the first direction. 3. The system of claim 2, wherein the system is interleaved to include a second direction of . 前記複数のシングル量子ビットゲートは位相シフトゲートまたは回転ゲートである、請求項2に記載のシステム。 3. The system of claim 2, wherein the plurality of single qubit gates are phase shift gates or rotation gates. 前記測定量子ビットで動作する読出し量子ゲートのパラメータを並列に最適化するために、前記エラー訂正サブシステムは、閉ループフィードバックを用いて反復プロセスを実施するように構成され、各反復で、前記エラー訂正サブシステムは、
最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義することと、
前記測定量子ビットを測定して、現在のエラー率を決定することと、
前記決定された現在のエラー率を格納することと、
前記現在のエラー率と以前の反復からの前記格納されたエラー率との間の前記エラー率の変化を計算することと、
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記読出しゲート・パラメータを調節することと
をするように構成される、請求項1に記載のシステム。
In order to optimize in parallel the parameters of readout quantum gates operating on the measurement qubits, the error correction subsystem is configured to perform an iterative process with closed-loop feedback, in each iteration the error correction The subsystem is
defining a corresponding metric for minimization as the determined error rate;
measuring the measured qubit to determine a current error rate;
storing the determined current error rate;
calculating a change in the error rate between the current error rate and the stored error rate from a previous iteration;
The system of claim 1, configured to: adjust the read gate parameter based on the calculated change in error rate.
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記読出しゲート・パラメータを調節するために、前記エラー訂正サブシステムは、数値最適化アルゴリズムを適用するように構成される、請求項5に記載のシステム。 6. The system of claim 5, wherein the error correction subsystem is configured to apply a numerical optimization algorithm to adjust the read gate parameters based on the calculated change in error rate. 前記測定量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するために、前記エラー訂正サブシステムは、閉ループフィードバックを用いて反復プロセスを実施するように構成され、各反復で、前記エラー訂正サブシステムは、並列に、測定量子ビットごとに、
最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義することと、
前記測定量子ビットを測定してエラー率を決定することと、
前記決定された現在のエラー率を格納することと、
前記現在のエラー率と以前の反復からの前記格納されたエラー率との間の前記エラー率の変化を計算することと、
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記シングル量子ビットゲートのパラメータを調節することと
をするように構成され、
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するために、前記エラー訂正サブシステムは、数値最適化アルゴリズムを適用するように好適には構成される、請求項1に記載のシステム。
In order to optimize in parallel the parameters of a single-qubit quantum gate operating on the measurement qubit, the error correction subsystem is configured to perform an iterative process with closed-loop feedback, in each iteration the The error correction subsystem, in parallel, for each measured qubit,
defining a corresponding metric for minimization as the determined error rate;
measuring the measured qubit to determine an error rate;
storing the determined current error rate;
calculating a change in the error rate between the current error rate and the stored error rate from a previous iteration;
and adjusting parameters of the single qubit gate based on the calculated change in error rate;
1 . The error correction subsystem is preferably configured to apply a numerical optimization algorithm to adjust parameters of the single qubit gate based on the calculated change in error rate. system described in.
量子計算のための方法であって、前記方法は、量子情報記憶システムによって実施され、前記量子情報記憶システムは、
複数のデータ量子ビットと、
各データ量子ビットが近傍の測定量子ビットを有するように前記データ量子ビットをインタリーブする、複数の測定量子ビットと、
各読出し量子ゲートが測定量子ビットで動作するように構成された、複数の読出し量子ゲートと、
各シングル量子ビット量子ゲートがデータ量子ビットまたは測定量子ビットで動作するように構成された、複数のシングル量子ビット量子ゲートと
を含み、
前記方法は、
(i)データ量子ビットおよび測定量子ビットを複数のパターンに分割するステップであって、少なくとも1つのパターンは前記パターンに対する非重複エラーを受け、パターンに対する非重複エラーは前記パターンに帰属可能なエラーである、ステップと、
(ii)エラー検出情報を受信するステップと、
(iii)量子ビットに対して、前記エラー検出情報に対応する、エラー訂正を実施するステップと、
(iv)前記エラー検出情報に基づいて、前記エラー訂正と並列に、測定量子ビットを含むパターンごとに、
前記測定量子ビットで動作する読出し量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップと、
前記測定量子ビットで動作する前記複数のシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップと
を含む、方法。
A method for quantum computing, the method being implemented by a quantum information storage system, the quantum information storage system comprising:
multiple data qubits,
a plurality of measurement qubits interleaving the data qubits such that each data qubit has a neighboring measurement qubit;
a plurality of readout quantum gates, each readout quantum gate configured to operate on a measurement qubit;
a plurality of single-qubit quantum gates, each single-qubit quantum gate configured to operate with a data qubit or a measurement qubit;
The method includes:
(i) dividing the data qubits and the measurement qubits into a plurality of patterns, at least one pattern being subject to non-overlapping errors to said pattern, and the non-overlapping errors to said patterns being attributable errors to said pattern; There are steps and
(ii) receiving error detection information;
(iii) performing error correction on the quantum bit, corresponding to the error detection information;
(iv) based on the error detection information, in parallel with the error correction, for each pattern containing the measured qubits;
optimizing in parallel parameters of a readout quantum gate operating on the measurement qubit;
optimizing in parallel parameters of the plurality of single-qubit quantum gates operating on the measured qubit.
前記複数のデータ量子ビットおよび測定量子ビットは、前記複数のデータ量子ビットおよび測定量子ビットが量子ビットの1次元チェーンを定義し、前記複数の方向が第1の方向および前記第1の方向と反対の第2の方向を含むように、インタリーブされる、請求項8に記載の方法。 The plurality of data qubits and measurement qubits define a one-dimensional chain of qubits, the plurality of directions being a first direction and opposite to the first direction. 9. The method of claim 8, wherein the method is interleaved to include a second direction of . 前記複数のシングル量子ビットゲートは位相シフトゲートまたは回転ゲートである、請求項8に記載の方法。 9. The method of claim 8, wherein the plurality of single qubit gates are phase shift gates or rotation gates. 前記測定量子ビットで動作する読出し量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップは閉ループフィードバックを用いた反復プロセスであり、各反復は、並列に、測定量子ビットごとに、
最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義するステップと、
前記測定量子ビットを測定して現在のエラー率を決定するステップと、
前記決定された現在のエラー率を格納するステップと、
前記現在のエラー率と以前の反復からの前記格納されたエラー率との間の前記エラー率の変化を計算するステップと、
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記読出しゲート・パラメータを調節するステップと、
を含み、
エラー率における前記計算された変化に基づいて前記シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップは、数値最適化アルゴリズムを適用するステップを好適には含む、請求項8に記載の方法。
The step of optimizing in parallel the parameters of the readout quantum gate operating on the measurement qubit is an iterative process with closed-loop feedback, where each iteration consists of, in parallel, for each measurement qubit:
defining a corresponding metric for minimization as the determined error rate;
measuring the measured qubits to determine a current error rate;
storing the determined current error rate;
calculating a change in the error rate between the current error rate and the stored error rate from a previous iteration;
adjusting the read gate parameters based on the calculated change in error rate;
including;
9. The method of claim 8, wherein adjusting the parameters of the single qubit gate based on the calculated change in error rate preferably comprises applying a numerical optimization algorithm.
前記測定量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートを並列に最適化するステップは閉ループフィードバックを用いた反復プロセスであり、各反復は、並列に、測定量子ビットごとに、
最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義するステップと、
前記測定量子ビットを測定してエラー率を決定するステップと、
前記決定された現在のエラー率を格納するステップと、
前記現在のエラー率と以前の反復からの前記格納されたエラー率との間の前記エラー率の変化を計算するステップと、
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップと、
を含み、
エラー率における前記計算された変化に基づいて前記シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップは、数値最適化アルゴリズムを適用するステップを好適には含む、請求項8に記載の方法。
Optimizing in parallel a single-qubit quantum gate operating on the measurement qubit is an iterative process with closed-loop feedback, where each iteration consists of, in parallel, for each measurement qubit:
defining a corresponding metric for minimization as the determined error rate;
measuring the measured qubit to determine an error rate;
storing the determined current error rate;
calculating a change in the error rate between the current error rate and the stored error rate from a previous iteration;
adjusting parameters of the single qubit gate based on the calculated change in error rate;
including;
9. The method of claim 8, wherein adjusting the parameters of the single qubit gate based on the calculated change in error rate preferably comprises applying a numerical optimization algorithm.
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