IBM (США) выпускает Qiskit Paulice для обнаружения ошибок в квантовых схемах

Репортаж от Wedoany，IBM Quantum официально выпустила дополнительный компонент с открытым исходным кодом Qiskit Paulice (qiskit-paulice), который автоматически идентифицирует, оценивает и внедряет аппаратно-эффективные циклы обнаружения ошибок в произвольные квантовые схемы. Пакет, разработанный исследователями IBM Саймоном Мартиэлем и Али Джавади-Абхари, внедряет технику пространственно-временной проверки Паули для смягчения аппаратных шумовых характеристик на современных квантовых чипах с промежуточным масштабом (NISQ).

В отличие от традиционных аппаратно-интенсивных схем отказоустойчивых квантовых вычислений (FTQC), запланированных к развертыванию к 2029 году, или времязатратных методов смягчения ошибок, требующих экспоненциального времени выборки (таких как экстраполяция с нулевым шумом и вероятностное устранение ошибок), Qiskit Paulice работает как инструмент коррекции с пост-отбором, изолируя и отфильтровывая дефектные траектории выполнения с минимальными накладными расходами на вентили и кубиты.

На базовом аппаратном уровне стандартные протоколы обнаружения ошибок требуют прямого жесткого соединения выделенных вспомогательных физических кубитов с основными вычислительными кубитами данных. Традиционные методы верификации часто требуют измерения операторов с высоким весом, что приводит к чрезмерной глубине схемы и необходимости выполнения сложных шаблонов SWAP-вентилей на устройствах с ограниченными физическими соединениями кубитов, зачастую внося больше шума, чем обнаруживается. Qiskit Paulice обходит это узкое место, выполняя ограничения как единый пространственно-временной код. Вместо строгой оценки статических кубитов по физическим координатам, пакет размещает операции верификации в определенных временных точках в процессе поэтапного выполнения схемы, позволяя отдельным проверкам с низким весом захватывать и отслеживать утечку ошибок в расширяющейся вычислительной области.

Для оптимизации аппаратного стека проверки должны балансировать свою обнаруживающую способность с вносимым шумом от вентилей. Paulice использует многопользовательский Rust-ускоритель компилятора для верификации параметров проверок по трем основным критериям: эффективность, подтверждающая, что обратное произведение выбранных операторов Паули напрямую отображается на стабилизатор идеального подготовленного состояния схемы; минимизация веса, при которой алгоритм выбора отфильтровывает сложные операции, отдавая предпочтение аппаратно-эффективным структурам, требующим меньше запутывающих вентилей; оценка производительности, при которой пакет моделирует обнаруженные проверкой ошибки Паули как канал шума с пост-отбором, оценивая систему с помощью встроенной функции стоимости для минимизации накладных расходов на выборку или вычисляя логическую частоту ошибок с помощью эмпирической выборки Монте-Карло.

В практическом рабочем процессе вспомогательные выводы отображаются в начальное основное состояние, состояние распространяется вперед через проверяемую схему, генерируя локальный выходной оператор, называемый опорным набором проверки. При выполнении, если измеренные биты в опорном наборе показывают четную четность, проверка пройдена, и образец сохраняется; если нечетную четность, образец помечается как дефектный и отбрасывается. Эти структурные синдромные данные могут быть направлены по различным путям выполнения. В рабочих процессах на основе выборки или ожидаемых значений пользователь выполняет однократный пост-отбор, сохраняя только прогоны, в которых не наблюдалось ошибок, что значительно повышает точность оставшихся данных. Программное обеспечение также может напрямую передавать данные синдромов в реальном времени во внешние конвейеры смягчения ошибок PEC или коррекции ошибок поверхностного кода для сжатия обратного шумового канала и минимизации накладных расходов на выборку.

Платформа оптимизирована для квантовых архитектур, основанных на Клиффордовых и доминирующих Клиффордовых схемах. Для демонстрации масштабируемости программная среда была развернута для повышения точности схем, доминирующих по Клиффорду, обрабатывающих до 50 кубитов и 2450 запутывающих вентилей. Кроме того, основной пространственно-временной протокол, лежащий в основе Qiskit Paulice, вступил в активную фазу отслеживания кандидатов на преимущество. В совместной знаковой работе IBM Quantum и Чикагского университета исследователи успешно интегрировали пространственно-временные проверки Паули в крупномасштабные рабочие нагрузки по выборке случайных графовых состояний. Встраивая слой фильтрации на основе синдромов в эталонные схемы выборки с высокой плотностью случайных схем, команда продемонстрировала практический метод расширения квантовых вычислений до областей обработки, которые все еще труднодостижимы для классических суперкомпьютерных симуляторов.