Qiskit Paulice

Ang qiskit-paulice ay isang package para sa pag-embed ng mga hardware-efficient na Pauli check sa arbitraryong Clifford circuit sa arbitraryong qubit connectivity gamit ang spacetime stabilizer codes. Magagamit ang mga check na ito para madetect ang mga logical error habang tumatakbo ang circuit. Ang pag-postselect ng mga sample na walang natukoy na error ay makapagpapabuti ng fidelity ng mga state na sinample gamit ang quantum processor kapalit ng ilang ancilla qubit at pagtaas ng sampling overhead. Angkop na angkop ang pamamaraang ito sa near-term hardware dahil mas banayad ang overhead nito sa mga qubit at gate kumpara sa fault-tolerant quantum computing, habang mas maganda ang sampling overhead nito kaysa sa mga error mitigation method tulad ng ZNE o PEC [1].

Kahit magagamit ang spacetime Pauli checks para magpatupad ng standalone na error detection routine, may kaugnayan din ang mga ito sa error mitigation at error correction. Maaaring umakma ang error detection sa mga error mitigation technique tulad ng probabilistic error cancellation (PEC) sa pamamagitan ng pagkuha ng bahagi ng noise na nakaaapekto sa mga gate at measurement, na nagpapababa sa epekto ng noise channel na iniinvert at kaya nagpapababa ng sampling overhead. Maaari rin silang ituring na maagang hakbang tungo sa praktikal na fault tolerance, dahil ang pagpapatupad ng stabilizer codes para protektahan ang mga data qubit mula sa logical error ay pangunahing konsepto ng tradisyonal na error correction. Dahil nagbibigay ang pamamaraang ito ng single-shot na access sa quantum state, magagamit ito sa parehong sampling-based at expectation value-based na workflow.

Pagsisimula

Mayroong simpleng gabay para matulungan kang makapagsimula agad sa package na ito sa quickstart guide.

Mga halimbawa ng use case

Ginamit ang teknik na ito para pagandahin ang fidelity ng mga sample mula sa mga circuit na pinangungunahan ng Clifford gamit ang 97 pisikal na qubit para i-encode ang 2415 logical entangling gate sa 70 logical qubit [2].

Teknikal na talakayan

Paghahanap ng magagandang set ng spacetime Pauli checks

Ang isang set ng spacetime Pauli checks ay “maganda” kung ang bawat check ay valid, low weight, at epektibo.

Ang isang check ay binubuo ng ilang controlled Pauli rotation, $P$, na inilalagay sa ilang wire sa circuit, $w$: $\{(P_1,w_1), ..., (P_k,w_k)\}$. Para sa isang check, ang mga control ay nasa iisang ancilla qubit, at ang mga rotation ay nangyayari sa mga wire ng iisang target qubit. Para sa mga Clifford circuit, valid ang isang check kung ang backpropagated product nito ay stabilizer ng state na inihanda ng ideal na circuit: $\prod_{i}B(P_i,w_i) \in S$, kung saan ang $B(P,w)$ ay ang backpropagator ng $P$ mula $w$ hanggang sa simula ng circuit, at ang $S$ ay ang set ng lahat ng stabilizer ng circuit.

Ang isang check ay low weight kung kaunting entangling gate lang ang kailangan para ipatupad ito. Mas pipiliin ng check-picking algorithm ang mga check na low weight at nagbibigay ng pinakaepektibong error detection.

Ang isang check ay epektibo kung mas marami itong nahuhuling error kaysa sa naidudulot nito. Ang isang Pauli check ay binubuo ng ilang entangling gate kaya nagdadagdag ito ng kaunting gate noise sa kalkulasyon. Mahalagang tiyakin na ang bawat karagdagang check ay may dagdag na kakayahang mag-detect ng error. Matatantya ang bisa ng isang set ng checks sa pamamagitan ng pagbuo ng mga Pauli error na natutuklasan ng mga check sa isang postselected noise channel at pagkalkula ng epekto nito. Ang pagpapaliit ng sampling overhead sa pagpapatupad ng natuklasang inverse noise channel ay solidong heuristic para sa pagpili ng magagandang check, dahil nagbibigay ito ng indikasyon kung gaano karaming error ang hindi kayang madetect ng mga check. Mas mabagal ngunit mas makatotohanang paraan ang magsagawa ng Monte Carlo sampling mula sa maingay na state at empirikal na kalkulahin ang logical error rate ng postselected distribution. Parehong available ang dalawang paraang ito bilang built-in na cost function sa function na qiskit_paulice.add_pauli_checks.

Pag-postselect ng mga sample batay sa syndrome data

Sa package na ito, ang isang check ay ipinapatupad gamit ang mga entangling gate sa pagitan ng isang ancilla qubit at isang target qubit. Nagsisimula ang bawat ancilla sa $|0\rangle$, kaya ang $Z_\text{anc}$ ay nag-istabilize sa input state nito. Ang forward-propagation ng $Z_\text{anc}$ mula sa simula ng ancilla sa buong circuit na may checks ay nagbubunga ng Pauli operator sa output, na maaaring mas mataas ang weight at umabot sa payload circuit. Ang mga qubit index kung saan may non-identity na term ang output operator na ito ay tinatawag na support ng check, at pumapasa ang check kung ang mga bit, $b$, sa support ng check ay may even parity: $\bigoplus_{i=1} b_i = 0$. Pinapanatili ang isang sample kung ang bawat check ay nagbubunga ng $0$ para sa parity check nito.

Mga tampok ng software

• Awtomatikong paggawa ng noise model mula sa benchmark data ng backend

• Check finding na pinabilis ng Rust

• 3 built-in na algorithm para sa check finding

• Suporta para sa RZ gate doping

• Suporta para sa pagsasama ng error detection at error mitigation

Mga kilalang isyu

• Ang idling noise ay hindi ibinibigay sa pamamagitan ng NoiseModel.get_backend at binabalewala sa pagpili ng check

• Bagaman maraming stochastic na hakbang sa algorithm ang makokontrol gamit ang random seed, may ilang feature na may randomness na hindi makokontrol ng seed. Partikular, ang mga sumusunod na kwarg value para sa add_pauli_checks ay magdudulot ng hindi deterministic na pagpili ng check: cost="LER", method="genetic", at method="windowed_genetic". Para sa deterministic na pag-uugali, gamitin ang add_pauli_checks(..., cost="gamma", method="windowed"), na siyang mga default na value.

Mga plano sa hinaharap

• Pagharap sa idling noise sa pagpili ng mga check

• Makokontrol na randomness para sa logical error rate cost function at mga genetic search algorithm

Pag-ambag

Ang source code ay makukuha sa GitHub.

Ang developer guide ay matatagpuan sa CONTRIBUTING.md sa root ng repository ng proyektong ito. Sa pakikilahok, inaasahang susundin mo ang code of conduct ng Qiskit.

Pagsipi sa package na ito

Kung gagamitin mo ang package na ito sa iyong pananaliksik, gamitin ang file na CITATION.bib sa repository ng proyektong ito para isipi ang naaangkop na reference.

Lisensya

Apache License 2.0

Patakaran sa deprecation

Sinusunod namin ang semantic versioning. Paminsan-minsan, maaari kaming gumawa ng mga breaking change para mapabuti ang karanasan ng user. Kapag posible, pananatilihin namin ang mga lumang interface at mamarkahan ang mga ito bilang deprecated, hangga't maaari silang magkasabay sa mga bago. Idodokumento sa release notes ang bawat malaking pagpapabuti, breaking change, o deprecation.

Mga sanggunian

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

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