Trident: verifica efficiente dei caricamenti per gli Yoked Surface Codes con una gerarchia di memoria a tre livelli

Abstract degli autori

I computer quantistici tolleranti ai guasti (FTQC) usano comunemente il codice di superficie per codificare i qubit dei programmi come qubit logici protetti dalla correzione degli errori. Il codice di superficie ha però un basso tasso di codifica, perciò studi recenti hanno proposto gli Yoked Surface Codes (YSC), che concatenano il codice di superficie con un codice quantistico ad alto tasso di codifica. Negli YSC, i qubit del codice di superficie sono protetti dai controlli, o yoke, del codice ad alto tasso. Gli YSC hanno varianti 1D e 2D, rispettivamente $1.8\times$ e $4.5\times$ più efficienti del codice di superficie. Le moderne architetture FTQC usano una gerarchia a due livelli: i codici di superficie eseguono le operazioni logiche (calcolo), mentre gli YSC 2D conservano i qubit inattivi dei programmi (memoria). Per caricare un qubit dalla memoria, il computer quantistico esegue prima il recupero, che trasferisce logicamente un qubit di un programma da uno YSC 2D a un codice di superficie (8 cicli). Il recupero, tuttavia, non è tollerante ai guasti: il computer quantistico deve quindi verificare il caricamento misurando tutti gli yoke dello YSC 2D (178 cicli). Poiché la verifica assorbe la maggior parte del tempo di accesso alla memoria, eliminarla può produrre un’accelerazione di $5.7\times$. Il nostro obiettivo è ridurre il costo della verifica degli YSC 2D senza sacrificarne l’efficienza di memorizzazione. Sfruttiamo il fatto che gli YSC 1D, pur essendo meno efficienti nella memorizzazione, hanno tempi di verifica trascurabili. Proponiamo Trident, che trasforma la gerarchia a due livelli in una gerarchia a tre livelli aggiungendo un piccolo livello intermedio contenente uno YSC 1D (L1). Se la maggior parte dei caricamenti trova il qubit in L1 anziché in L2 (il livello degli YSC 2D), il costo della verifica può ridursi sensibilmente. Presentiamo due varianti: Trident-D (basata sulla richiesta) e Trident-P (basata sul precaricamento), che ottengono accelerazioni rispettivamente di $2.8\times$ e $4.2\times$, aumentando il costo della memoria in qubit fisici di appena il 4,9%.