Qiskit Paulice

qiskit-paulice adalah paket untuk menanamkan Pauli check yang hemat hardware ke Clifford circuit sembarang pada konektivitas qubit sembarang menggunakan spacetime stabilizer code. Check ini bisa dipakai untuk mendeteksi error logis selama eksekusi circuit. Dengan postselect hanya sampel yang tidak terdeteksi errornya, fidelity state yang disampel dari quantum processor bisa meningkat, dengan harga beberapa qubit ancilla dan kenaikan overhead sampling. Metode ini sangat cocok untuk hardware jangka dekat karena overhead qubit dan gate-nya jauh lebih ringan dibanding fault-tolerant quantum computing, sambil punya overhead sampling yang lebih baik daripada metode error mitigation seperti ZNE atau PEC [1].

Meski spacetime Pauli checks bisa dipakai untuk menerapkan rutin deteksi error yang berdiri sendiri, metode ini juga relevan dalam konteks error mitigation dan error correction. Deteksi error bisa melengkapi teknik error mitigation seperti probabilistic error cancellation (PEC) dengan menangkap sebagian noise yang memengaruhi gate dan pengukuran, sehingga mengurangi dampak noise channel yang di-invert dan dengan begitu menurunkan overhead sampling. Metode ini juga bisa dilihat sebagai langkah awal menuju fault tolerance yang praktis, karena mengimplementasikan stabilizer code untuk melindungi qubit data dari error logis adalah konsep inti error correction tradisional. Karena metode ini memberi akses single-shot ke quantum state, ia bisa dipakai di alur kerja berbasis sampling maupun berbasis expectation value.

Mulai

Panduan sederhana untuk membantumu mulai dengan cepat memakai paket ini tersedia di panduan quickstart.

Contoh kasus penggunaan

Teknik ini sudah dipakai untuk meningkatkan fidelity sampel dari circuit yang didominasi Clifford, memakai 97 qubit fisik untuk meng-encode 2415 gate entangling logis di 70 qubit logis [2].

Pembahasan teknis

Mencari himpunan spacetime Pauli checks yang bagus

Sebuah himpunan spacetime Pauli checks dikatakan "bagus" jika setiap check valid, berbobot rendah, dan efektif.

Sebuah check terdiri dari sejumlah rotasi Pauli terkontrol, $P$, yang ditempatkan pada beberapa wire di circuit, $w$: $\{(P_1,w_1), ..., (P_k,w_k)\}$. Untuk sebuah check, kontrolnya berada pada satu qubit ancilla, dan rotasinya terjadi pada wire dari satu qubit target. Untuk Clifford circuit, sebuah check valid jika hasil kali backpropagated-nya adalah stabilizer dari state yang disiapkan oleh circuit ideal: $\prod_{i}B(P_i,w_i) \in S$, di mana $B(P,w)$ adalah backpropagator dari $P$ mulai dari $w$ sampai awal circuit, dan $S$ adalah himpunan semua stabilizer dari circuit.

Sebuah check berbobot rendah jika implementasinya butuh sedikit gate entangling. Algoritma pemilih check akan mengutamakan check yang berbobot rendah dan memberikan deteksi error paling efektif.

Sebuah check efektif jika ia menangkap jauh lebih banyak error daripada yang ia timbulkan. Sebuah Pauli check terdiri dari sejumlah gate entangling sehingga menambahkan sedikit noise gate ekstra ke dalam perhitungan. Penting untuk memastikan setiap check tambahan membawa kemampuan deteksi error tambahan. Efektivitas sebuah himpunan check bisa diperkirakan dengan menyusun error Pauli yang terungkap oleh check menjadi sebuah noise channel terpostselect dan menghitung dampaknya. Meminimalkan overhead sampling untuk mengimplementasikan noise channel invers yang terungkap adalah heuristik yang solid untuk memilih check yang bagus, karena ia memberi petunjuk seberapa banyak error yang tidak bisa dideteksi check. Pendekatan yang lebih lambat tetapi lebih realistis adalah melakukan sampling Monte Carlo dari noisy state dan menghitung secara empiris laju error logis dari distribusi terpostselect. Kedua pendekatan ini tersedia sebagai fungsi biaya bawaan di fungsi qiskit_paulice.add_pauli_checks.

Postselect sampel berdasarkan data sindrom

Di paket ini sebuah check diimplementasikan dengan gate entangling antara satu qubit ancilla dan satu qubit target. Setiap ancilla dimulai dari $|0\rangle$, sehingga $Z_\text{anc}$ menstabilkan state inputnya. Merambatkan $Z_\text{anc}$ ke depan dari awal ancilla melalui seluruh circuit yang sudah dicek menghasilkan operator Pauli pada output, yang mungkin berbobot lebih tinggi dan meluas ke payload circuit. Indeks qubit tempat operator output ini punya suku non-identitas disebut support dari check, dan check lolos jika bit, $b$, pada support check punya paritas genap: $\bigoplus_{i=1} b_i = 0$. Sebuah sampel disimpan jika setiap check menghasilkan $0$ untuk parity check-nya.

Fitur perangkat lunak

• Pembuatan noise model otomatis dari data benchmark backend

• Pencarian check dipercepat dengan Rust

• 3 algoritma bawaan untuk pencarian check

• Dukungan untuk RZ gate doping

• Dukungan untuk menggabungkan deteksi error dengan error mitigation

Masalah yang diketahui

• Idling noise tidak disediakan lewat NoiseModel.get_backend dan diabaikan saat pemilihan check

• Meski banyak langkah stokastik dalam algoritma bisa dikendalikan dengan random seed, beberapa fitur punya keacakan yang tidak bisa dikendalikan dengan seed. Secara khusus, nilai kwarg berikut untuk add_pauli_checks akan menyebabkan pemilihan check yang tidak deterministik: cost="LER", method="genetic", dan method="windowed_genetic". Untuk perilaku deterministik gunakan add_pauli_checks(..., cost="gamma", method="windowed"), yang merupakan nilai default.

Pekerjaan ke depan

• Menangani idling noise saat memilih check

• Keacakan yang bisa dikendalikan untuk fungsi biaya laju error logis dan algoritma pencarian genetik

Berkontribusi

Kode sumber tersedia di GitHub.

Panduan developer ada di CONTRIBUTING.md pada root repositori proyek ini. Dengan berpartisipasi, kamu diharapkan menjunjung kode etik Qiskit.

Mengutip paket ini

Kalau kamu memakai paket ini dalam penelitianmu, gunakan file CITATION.bib di repositori proyek ini untuk mengutip referensi yang sesuai.

Lisensi

Apache License 2.0

Kebijakan deprecation

Kami mengikuti semantic versioning. Sesekali kami mungkin membuat perubahan yang breaking demi memperbaiki pengalaman pengguna. Jika memungkinkan, kami akan mempertahankan interface lama dan menandainya sebagai deprecated, selama masih bisa berdampingan dengan yang baru. Setiap peningkatan besar, perubahan breaking, atau deprecation akan didokumentasikan di catatan rilis.

Referensi

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].