量子コンピューティング：汎用量子計算に向けた低オーバーヘッドでトランスバーサルなフォールトトレランス

有用な量子コンピューターを実現するには、高速で高信頼性の論理操作が不可欠である。論理キュービットを多数の物理キュービットに冗長に符号化し、シンドローム測定を用いて誤りを検出・訂正することによって、低い論理誤り率を達成することができる。しかし、表面符号などの多くの実用的な量子誤り訂正符号の場合、シンドローム測定の誤差に起因して、標準的な構成には、特にフォールトトレラントな状態生成を考慮すると、フォールトトレラントな計算に符号距離dのオーダーの複数回の抽出ラウンドが必要となる。今回我々は、魔法状態入力とフィードフォワードを用いた表面符号を含む、広範なクラスの量子誤り訂正符号に対して、定数回の抽出ラウンドだけで論理操作をフォールトトレラントに実行して、「トランスバーサルなアルゴリズム的フォールトトレランス」を達成できることを示す。我々は、トランスバーサルな操作と相関復号の新戦略の組み合わせを通じて、部分的なシンドローム情報にしかアクセスできない状況にもかかわらず、測定誤差のせいで瞬時の量子状態を論理コードワードに近づけられない場合であっても、理想的な論理測定分布からの偏差を遠方で指数関数的に小さくできることを証明した。我々はまた、この証明を、関連するさまざまな設定における回路レベルのシミュレーションにより補足して、今回の手法のフォールトトレランスと競争力ある性能を実証した。今回の成果は、量子フォールトトレランス理論に新たな光を当てるものであり、実用的なフォールトトレラント量子コンピューティングの空間的・時間的コストを桁違いに削減できる可能性がある。

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