Feltolerant kvantfelkorrigering är en nödvändighet för alla kvantarkitekturer som är avsedda att ta itu med intressanta, storskaliga problem. Dess teoretiska formalism har varit välgrundad i nästan två decennier. Men vi har fortfarande inte en lämplig kompilator för att producera en feltolerant, felkorrigerad beskrivning från en högre nivå kvantkrets för toppmoderna hårdvarumodeller. Det finns många tekniska hinder, inklusive dynamiska kretskonstruktioner som uppstår när man konstruerar feltoleranta kretsar med vanliga felkorrigeringskoder. Vi introducerar ett paket som omvandlar kvantkretsar på hög nivå bestående av vanliga grindar till en form som använder alla nedbrytningar och tillhörande protokoll som behövs för feltolerant felkorrigering. Vi kallar detta för (I)inialiseringen, (C)NOT, (M)mätningsformen (ICM) och består av ett initieringsskikt av qubits till ett av fyra olika tillstånd, en massiv, deterministisk uppsättning CNOT-operationer och en serie tidsbeställda X- eller Z-basmätningar. Formuläret möjliggör en mer flexibel inställning till kretsoptimering. Samtidigt ger paketet en standardkrets eller en kanonisk geometrisk beskrivning som är nödvändig för drift av aktuella toppmoderna maskinvaruarkitekturer med hjälp av topologiska kvantkoder. Uppförandet och sammanställningen av kvantalgoritmer har länge varit ett aktivt forskningsområde [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]. Sedan det första arbetet med att konstruera kretsar från abstrakta kvantalgoritmer [11] [12] [13] [15] [16] [17] [18] har forskningen fokuserats på många olika aspekter av sammanställning och optimering. Dessa tekniker har fokuserat på aspekter som att minimera det totala antalet qubit [19] [21] [21], djupet av kvantkretsar [23] [24] [25] [26], begränsningar relaterade till hårdvara [21, [27] [28] [29] [30] [31] [32] och minimering av vissa kvantportar som är resursintensiva när de genomförs i felkorrigerad hårdvara [33] [34] [35] [36] [37] [38]. Trots den stora mängden forskning på detta område utelämnade dock en stor del av det tidiga arbetet detaljer i feltoleranta felkorrigeringsprotokoll. Dessa protokoll är inte bara avgörande för att genomföra någon kvantalgoritm, utöver en handfull qubits, men placera begränsningar på de kostnadsmått som används vid bedömning av optimala kretskonstruktioner för en högre nivå algoritm [39]. Under de senaste åren har teoretisk forskning börjat ta hänsyn till felkorrigerad beräkning. Både kvantprogrammeringsspråk på hög nivå och insatser för optimering har försökt omskapa kretsar under lämpligare begränsningar. I synnerhet är det ökade antalet papper som erkänner att vid feltolerant kvantberäkning används en Clifford + T universell grinduppsättning i allmänhet och resurspåföljden i samband med den enda qubit T =  på 0 på + e iπ/4 på 1 på gate kräver minimering av både antalet sådana grindar och motsvarande T-djup (antalet sekventiella tillämpningar av T-gates i en krets) [33] [34] [35] [36] [37] [38]. Mycket av detta arbete abstrakterar dock fortfarande ut konkreta val av kvantfelkorrigering (QEC) kodning och / eller specifika hårdvaruimplementeringar när man sammanställer och optimerar kvantkretsar. Ur ett hårdvaruperspektiv har topologiska koder framgått som den metod som föredras för att uppnå en skalbar design. De flesta skalbara arkitekturer föreslogs antingen använda den 2-dimensionella ytkoden [40] [41] [42], eller den 3-dimensionella Raussendorf-modellen [43, 44] som den underliggande felkorrigeringsmetoden. Dessa modeller är att föredra eftersom de kan definieras på en 2- eller 3-dimensionell närmaste granne uppsättning av qubits, underlätta experimentell tillverkning, och har en av de högsta feltoleranta tröskelvärdena i något felkorrigeringssystem (tillämpa 1% under vissa kretsantaganden) [45, 46]. Förverkligandet av felkorrigerade algoritmer är dessutom en funktion av hur qubit-matrisen mäts, snarare än hur den konstrueras (dvs. det faktiska valet av algoritm endast dikterar den fysiska storleken på den lattice som behövs på hårdvarunivå, inget mer) [39, 47, 48], med felkorrigering avkodning och korrigering som sker samtidigt med algoritmiskt genomförande [49, 50]. Under de senaste åren har många resultat publicerats som visar hårdvarunoggrannheten tillräcklig för denna kodningsmodell i både jonfällor och supraledande system [51] [52] [53] [54] [55]. Dessa topologiska koder har också egenskapen, tillsammans med mer traditionella konkatenerade CSS-koder, att en universell, felkorrigerad grinduppsättning byggs med hjälp av Clifford + T-biblioteket. Den inbyggda feltoleranta verksamheten som tillåts i dessa modeller är initieringar/mätningar i Z- och X-baserna och en två qubit CNOT-port. Hadamard (H = (X + Z)/ ε 2) och Fas (P = Z) grindar kan realiseras på flera sätt [56] [57] [58] [59], för att slutföra Clifford uppsättningen, medan T - porten realiseras genom statlig injektion, rening protokoll och teleportationer [56]. Statliga destillationsprotokoll, som är nödvändiga för T-porten och vissa förverkliganden av H-och P-portarna, dominerar de resurser som krävs för en storskalig beräkning [39, 42].
En ram för studien sammanställning och beskrivning av feltoleranta, hög nivå kvantkretsar föreslås i REF.
Fault-Tolerant High Level Quantum Circuits: Form, Compilation and Description
{'venue': 'Quantum Science and Technology, 2, 025003 (2017)', 'journal': None, 'mag_field_of_study': ['Mathematics', 'Physics']}