models Pacchetto

Implementa l'8|T⟩ → >>|<<CCX⟩ fabbrica di stato magic descritta in Fig. 24 di Gidney, Shutty e Jones (2024). Questo progetto converte otto stati magici T in un singolo stato CCX (Toffoli) usando operazioni di chirurgia reticolare su 12 qubit logici (inclusi i qubit helper) con una profondità del circuito pari a 6.

La percentuale di errori CCX di output ha due contributi:

• Errore di correzione: 28 · p_T², dove p_T è la frequenza di errore dello stato T (da coppie di stati T con errori simultanei).

• Errore logico: accumulati oltre 6 cicli di chirurgia reticolare su 12 qubit.

Il tempo di produzione della factory include un fattore di overhead di (1 + 8·p_T) per tenere conto della probabilità di errore quando si utilizzano gli stati T.

Riferimento:

• C. Gidney, C. Shutty, C. Jones, "Coltivazione dello stato magico: stati T in crescita con 78% riduzione del sovraccarico", arXiv:2409.17595 (2024). https://arxiv.org/abs/2409.17595

• C. Gidney, A. G. Fowler, "Efficienti fabbriche di stato magiche con una catalizzata >>|<<CCZ⟩ a 2|Trasformazione T⟩", Quantum 3, 135 (2019). arXiv:1812.01238. https://arxiv.org/abs/1812.01238

Implementa la fabbrica di coltivazione dello stato magico di Gidney, Shutty e Jones (2024) per la produzione logica >>|<<T⟩ stati delle operazioni a livello fisico.

La coltivazione dello stato magico aumenta gradualmente le dimensioni e l'affidabilità di uno stato magico all'interno di una patch di codice di superficie, usando approssimativamente lo stesso numero di cancelli fisici come un gate CNOT di chirurgia reticolare di affidabilità equivalente. L'approccio affina le idee di Knill (1996), Jones (2016), Chamberland (2020), Gidney (2023/2024), Bombin (2024) e Hirano (2024).

Rispetto agli approcci precedenti alla modernizzazione dello stato magico, la coltivazione usa un ordine di grandezza inferiore ai qubit-round per raggiungere i tassi di errore logici fino a 2·10⁻⁹ sotto 10⁻rumore di circuito depolarizzato uniforme. Metà del rumore del circuito a 5·10⁻⁴ migliora la velocità di errore logica ottenibile a 4·10⁻¹¹.

La factory è parametrizzata dai dati di simulazione pre-calcolati (dal campionamento Monte Carlo in https://doi.org/10.5281/zenodo.13777072) che esegue il mapping delle percentuali di errore fisiche a (logical_error, num_qubits, volume, passaggi) per le coppie di distanze supportate.

Parametri Hyper: distanza: tupla (d_color, d_surface) specificando la distanza del codice colore e la distanza del codice di superficie usata nel protocollo di coltivazione. I valori supportati sono (3, 15) e (5, 15). La distanza del codice colore più grande (5 vs 3) produce tassi di errore logici inferiori al costo del numero di qubit più elevati e più passaggi temporali.

Riferimento:

• C. Gidney, C. Shutty, C. Jones, "Coltivazione dello stato magico: stati T in crescita con 78% riduzione del sovraccarico", arXiv:2409.17595 (2024). https://arxiv.org/abs/2409.17595

• Dati di simulazione: https://doi.org/10.5281/zenodo.13777072

Architettura generica basata su gate. La frequenza degli errori può essere impostata in modo arbitrario ed è 1e-3 o 1e-4 nel riferimento.

Riferimenti:

• Michael E. Beverland, Prakash Murali, Matthias Troyer, Krysta M. Svore, Torsten Hoefler, Vadym Kliuchnikov, Raggruppa Hao Low, Mathias Soeken, Aarthi Sundaram, Alexander Vaschillo: Valutazione dei requisiti per la scalabilità al vantaggio quantistico pratico, arXiv:2211.07629

• Jens Koch, Terri M. Yu, Jay Gambetta, A. A. Houck, D. I. Schuster, J. Majer, Alexandre Blais, M. H. Devoret, S. M. Girvin, R. J. Schoel oggigiorno: Charge insensitive qubit design derivato dalla casella di coppia Cooper, arXiv:cond-mat/0703002

Stabilimenti T e CCZ basati sulla carta arXiv:1905.06903.

Contiene due categorie di stime. Se la frequenza di errore T di input è simile all'errore Clifford, genera istruzioni di stato magic basate sulla tabella 1 nel documento. Se la frequenza di errore T di input è al massimo 10 volte superiore alla frequenza di errore Clifford, produce istruzioni di stato magic basate sulla tabella 2 nel documento.

Richiede tassi di errore Clifford di al massimo 0,1% per le istruzioni CNOT, H e MEAS_Z. Se queste istruzioni hanno percentuali di errore diverse, viene usata la frequenza massima di errore.

Riferimenti:

• Daniel Litinski: magic statestile: non così costoso come si pensa, arXiv:1905.06903

Trasformazione ISA che aggiunge rappresentazioni equivalenti di Clifford degli stati magici. Ad esempio, se l'ISA di input contiene un gate T, l'ISA fornito conterrà SQRT_SQRT_Xanche , SQRT_SQRT_X_DAGSQRT_SQRT_Y, SQRT_SQRT_Y_DAG, e T_DAG. Lo stesso vale per CCZ i cancelli e i loro equivalenti Clifford.

Esempio:

Questa classe modella istruzioni fisiche che potrebbero essere rilevanti per i qubit Majorana futuri. Per questi qubit si presuppone che le misurazioni e il cancello T fisico prendano ogni 1 μs. A causa della protezione topologica nell'hardware, si presuppone che i tassi di errore di misurazione a due qubit singoli e due qubit (tassi di errore Clifford) in $10^{-4}$, $10^$, e $10^{-5}{-6}$ come intervallo tra obiettivi realistici e ottimistici. Le operazioni non Clifford in questa architettura non hanno protezione topologica, quindi si presuppone un 5%, 1,5%e 1% frequenza di errore per i cancelli fisici non Clifford rispettivamente per i tre casi.

Riferimenti:

• Torsten Karzig, Christina Knapp, Roman M. Lutchyn, Parsa Bonderson, Matthew B. Hastings, Chetan Vault, Jason Alicea, Karsten Flensberg, Stephan Plugge, Yuval Oreg, Charles M. Marcus, Michael H. Freedman: Progetti scalabili per Quasiparticle-Poisoning-Protected Calcolo quantistico topologica con majorana Zero Modes, arXiv:1610.05289

• Alexei Kitaev: Fermioni Majorana non abbinati in fili quantistici, arXiv:cond-mat/0010440

• Sankar Das Sarma, Michael Freedman, Chetano: Majorana Zero Modes and Topological Quantum Computation, arXiv:1501.02813

Architettura atoma neutrale con riconoscimento del movimento con trasporto atom esplicito.

Questo modello acquisisce un dispositivo atom neutro con operazioni native a qubit singolo, Rydberg-mediate porte entangling, misurazioni Z e un'istruzione di spostamento fisica che trasporta vincoli di movimento hardware. Il set di istruzioni include rotazioni virtuali RZ gratuite, single-qubit e H gate, CZ come interazione nativa a due qubit, CNOT con una durata derivata da un'interazione Rydberg più due operazioni a qubit SQRT_X singolo e MEAS_Z/MEAS_RESET_Z per il readout.

Il modello di movimento viene esposto tramite PHYSICAL_MOVE e parametrizzato dalla spaziatura atom, dalla velocità massima, dall'accelerazione massima e da un tempo di handoff facoltativo usato quando gli atomi entrano o lasciano un'interazione o una zona di misurazione.

Riferimenti:

• M. Saffman, T. G. Walker, K. Molmer: Informazioni quantistiche con atomi di Rydberg, arXiv:0909.4777

• 8. Bernien, S. Schwartz, A. Keesling, et al.: Probing many-body

     dynamics on a 51-atom quantum simulator, arXiv:1707.043444

• 4. Bluvstein, H. Levine, G. Semeghini, et al.: Processore quantistico

     basato sul trasporto coerente di matrici di atomi entangled, arXiv:2112.03923

• 23. Tian, W. J. Wee, A. Qu, et al.: Assembly parallelo di arbitrari

  matrici di atom privi di difetti con un algoritmo multi-tweezer, arXiv:2209.08038

• 19. 10. Evered, D. Bluvstein, M. Kalinowski, et al.: Alta fedeltà

  porte parallele entangling su un computer quantistico atom neutro, arXiv:2304.05420

• 11. Wintersperger, F. Dommert, T. Ehmer, et al.: Quantum atom neutro

  hardware di calcolo: prospettiva delle prestazioni e dell'utente finale, arXiv:2304.14360

• 8. Wang, P. Liu, D. B. Tan, et al.: Atomque: A Quantum Compiler for

     Matrici atom neutre riconfigurabili, arXiv:2311.15123

• 4. Bluvstein, S. J. Evered, A. A. Geim, et al.: Quantum logico

     processore basato su matrici atom riconfigurabili, arXiv:2312.03982

• W.-H. Lin, D. B. Tan, J. Cong: Reuse-Aware compilazione per zone

  Architetture quantistiche basate su atomi neutri, arXiv:2411.11784

• 15. Savola, A. Paler: ATLAS: Ridisporzione atom efficiente per

  Defect-Free Neutral-Atom array quantistici in perdita di trasporto, arXiv:2511.16303

Questa classe modella il codice di superficie Yoked per fornire un'istruzione di memoria generica basata su istruzioni di chirurgia reticolare da un codice di superficie come il codice di correzione degli errori.

Parametri Hyper: shape_heuristic: ShapeHeuristic L'euristica per determinare la forma della patch di codice della superficie per un determinato numero di qubit logici. (Il valore predefinito è ShapeHeuristic.MIN_AREA)

Riferimenti:

• Craig Gidney, Michael Newman, Peter Brooks, Cody Jones: Yoked surface codes, arXiv:2312.04522

Fabbrica di stati magici che produce istruzioni di controllo T usando pipeline distillazione basate su round.

Questa fabbrica esplora le combinazioni di unità di esportazione (ad esempio "preparazione da 15 a 1 RM" e "15-a-1 spazio efficiente") per trovare configurazioni ottimali che riducono al minimo il tempo e lo spazio durante il raggiungimento delle percentuali di errore di destinazione. Supporta sia la convalida a livello fisico (quando il cancello T di input è codificato fisicamente) che la convalida a livello logico (utilizzando la chirurgia reticolare tramite codici di superficie).

Per tenere conto della probabilità di successo degli arrotondamenti di indicizzazione, la factory modella la pipeline usando un requisito di probabilità di errore (che per impostazione predefinita è 1%) che ogni round deve soddisfare. Il numero di unità di temperatura per round viene regolato per soddisfare questo requisito, che a sua volta influisce sui requisiti di spazio complessivi.

I requisiti di spazio vengono calcolati usando una funzione fornita dall'utente che aggrega lo spazio per round (ad esempio, somma o max). La sum funzione modella il caso in cui i qubit non vengono riutilizzati tra round, mentre la funzione modella il max caso in cui i qubit vengono riutilizzati tra round.

Per l'enumerazione di unità di formattazione a livello logico, la fabbrica si basa su un oggetto fornito ISAQuery dall'utente (per impostazione predefinita SurfaceCode.q()) per esplorare diverse configurazioni del codice di superficie e le corrispondenti istruzioni di chirurgia reticolare. Questi elementi devono essere forniti dall'utente e non possono essere derivati automaticamente dall'isa di implementazione fornita, perché possono contenere solo un subset delle istruzioni necessarie. L'utente deve assicurarsi che la query fornita corrisponda all'architettura per cui viene usata questa factory.

I risultati vengono memorizzati nella cache su disco per garantire l'efficienza.

Riferimenti:

• Sergei Bravyi, Alexei Kitaev: Calcolo quantistico universale con porte clifford ideali e ancilla rumorose, arXiv:quant-ph/0403025

• Michael E. Beverland, Prakash Murali, Matthias Troyer, Krysta M. Svore, Torsten Hoefler, Vadym Kliuchnikov, Raggruppa Hao Low, Mathias Soeken, Aarthi Sundaram, Alexander Vaschillo: Valutazione dei requisiti per la scalabilità al vantaggio quantistico pratico, arXiv:2211.07629

Questa classe modella il codice di superficie ruotato basato su gate.

Parametri Hyper: distance: int La distanza del codice del codice di superficie.

Riferimenti:

• Dominic Horsman, Austin G. Fowler, Simon Devitt, Rodney Van Meter: Surface codice quantistico calcolo tramite chirurgia reticolare, arXiv:1111.4022

• Austin G. Fowler, Matteo Mariantoni, John M. Martinis, Andrew N. Cleland: codici Surface: Verso il calcolo quantistico su larga scala pratica, arXiv:1208.0928

• David S. Wang, Austin G. Fowler, Lloyd C. L. Hollenberg: Calcolo quantistico con interazioni e tassi di errore più vicini più vicini su 1%, arXiv:1009.3686

Questa classe modella un codice di superficie ruotato su misura per un'architettura atoma neutra riconfigurabile e a zone con ancilla mobili.

La pianificazione dell'estrazione della sindrome si basa su uno schema di codice della superficie mobile-ancilla in cui un singolo ancilla visita i qubit di dati di ogni placca, combinati con il modello di trasporto atom usato da NeutralAtom. In questo modello, l'ancilla viene spostata all'interno dell'intervallo di interazione di Rydberg di ogni atomo di dati per eseguire la sequenza di intangimento, mentre altri atomi e siti di gate rimangono separati da circa 10 micron per eliminare il crosstalk. Il modello temporale combina quindi il circuito a placca a ancilla singola con un sovraccarico di movimento esplicito da segmenti di trasporto orizzontale e diagonale.

Parametri Hyper: distance: int La distanza del codice del codice di superficie.

-[ Riferimenti ]-

• 4. 19. Wang, A. G. Fowler, L. C. L. Hollenberg: Quantum computing con

     interazioni e tassi di errore vicini più vicini su 1%, arXiv:1009.3686

• 4. Horsman, A. G. Fowler, S. Devitt, R. Van Meter: Surface codice quantistico

     calcolo da chirurgia reticolare, arXiv:1111.4022

• 1. 7. Fowler, M. Mariantoni, J. M. Martinis, A. N. Cleland: Surface

     codici: verso un calcolo quantistico pratico su larga scala, arXiv:1208.0928

• 4. Bluvstein, H. Levine, G. Semeghini, et al.: Un processore quantistico basato su

     sul trasporto coerente di matrici di atomi entangled, arXiv:2112.03923

• 4. Bluvstein, S. J. Evered, A. A. Geim, et al.: Quantum logico

     processore basato su matrici atom riconfigurabili, arXiv:2312.03982

• 19. Jandura, L. Pecoreri, G. Pupillo: stabilizzatore del codice Surface

  Misurazioni per gli atomi di Rydberg, arXiv:2405.16621

• W.-H. Lin, D. B. Tan, J. Cong: Reuse-Aware compilazione per quantum a zone

  Architetture basate su atomi neutri, arXiv:2411.11784

• 4. Bluvstein, A. A. Geim, S. H. Li, et al.: Meccanismi architettonici di

     un computer quantistico a tolleranza di errore universale, arXiv:2506.20661

Questa classe modella il codice della superficie basata sulle misurazioni abbinate con tre qubit ausiliari per misura di stabilizzatore.

Parametri Hyper: distance: int La distanza del codice del codice di superficie.

single_rail: bool Indica se usare la codifica a guida singola.

Riferimenti:

• Linnea Grans-Samuelsson, Ryan V. Mishmash, David Aasen, Christina Knapp, Bela Bauer, Brad Lackey, Marcus P. da Silva, Parsa Bonderson: Improved Pairwise Measurement-Based Surface Code, arXiv:2310.12981

Questa classe modella il codice di superficie Yoked per fornire un'istruzione di memoria generica basata su istruzioni di chirurgia reticolare da un codice di superficie come il codice di correzione degli errori.

Parametri Hyper: shape_heuristic: ShapeHeuristic L'euristica per determinare la forma della patch di codice della superficie per un determinato numero di qubit logici. (Il valore predefinito è ShapeHeuristic.MIN_AREA)

Riferimenti:

• Craig Gidney, Michael Newman, Peter Brooks, Cody Jones: Yoked surface codes, arXiv:2312.04522