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JP7689343B2 - CONTROL DEVICE, QUANTUM COMPUTER, CONTROL METHOD, AND PROGRAM - Google Patents
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CONTROL DEVICE, QUANTUM COMPUTER, CONTROL METHOD, AND PROGRAM Download PDF

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Description

本発明は、量子計算機における量子誤り訂正に関連するものである。 The present invention relates to quantum error correction in quantum computers.

量子計算機は、量子力学の原理を利用して素因数分解や量子化学計算などの問題を解くのに必要な時間を、通常の計算機に比べ大幅に高速化すると期待されている。このため、世界中でその開発が盛んに進められている。 Quantum computers are expected to use the principles of quantum mechanics to significantly speed up the time required to solve problems such as prime factorization and quantum chemistry calculations compared to conventional computers. For this reason, their development is being actively pursued around the world.

量子計算機を構成する基本要素である量子ビットにはエラーが生じやすく、実用的な規模の量子計算を実行するには実行時に生じるエラーを検出し訂正する量子誤り訂正の機構が必要となる。量子誤り訂正では量子誤り訂正符号を用いて複数の量子ビットを用いた論理量子ビットとして情報を表現し、誤りを検出、訂正しながら計算を行う。 Quantum bits, the basic elements that make up quantum computers, are prone to errors, so to perform quantum computations on a practical scale, a quantum error correction mechanism is required to detect and correct errors that occur during execution. In quantum error correction, information is represented as logical quantum bits using multiple quantum bits using quantum error correcting codes, and calculations are performed while detecting and correcting errors.

Fu, Xiang, et al. "A heterogeneous quantum computer architecture." Proceedings of the ACM International Conference on Computing Frontiers. 2016.Fu, Xiang, et al. "A heterogeneous quantum computer architecture." Proceedings of the ACM International Conference on Computing Frontiers. 2016.

量子誤り訂正の仕組みは、各量子ビットに独立にエラーが生じるという前提のもとに成り立っている。しかし近年、量子ビットの集積化されたチップに宇宙線が入射すると、広範囲にある量子ビットのエラー率が長時間大幅に増加することが実験的に観測された。このような性質を持つエラーをバーストエラーと呼ぶことにする。 The mechanism of quantum error correction is based on the premise that errors occur independently in each quantum bit. However, in recent years, it has been experimentally observed that when cosmic rays are incident on a chip on which quantum bits are integrated, the error rate of quantum bits over a wide range increases significantly for a long period of time. Errors with this nature are called burst errors.

宇宙線がチップに入射する頻度は大きくないものの、長時間の計算を行うと計算中にほぼ確実に生じるため、例えば表面符号を用いた誤り訂正は想定されている性能では機能しない可能性がある。なお、上記のようなバーストエラーは、宇宙線以外の外部要因でも生じ得るものである。 Although the frequency with which cosmic rays strike a chip is low, they are almost certain to occur during long-term calculations, so error correction using surface codes, for example, may not function as expected. Note that burst errors like those described above can also occur due to external factors other than cosmic rays.

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、量子計算機において、バーストエラーの影響を軽減するための技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and aims to provide a technique for reducing the effects of burst errors in quantum computers.

開示の技術によれば、量子誤り訂正符号を構成する複数の量子ビットを備える量子プロセッサに対する制御を実行する制御装置であって、
前記量子プロセッサから周期的に取得したシンドローム値に基づいて、前記量子プロセッサにおける量子ビットに異常が発生した領域を検出する異常検出部、及び、
前記異常検出部により異常の検出がなされた場合に、前記領域における論理量子ビットの符号距離を大きくするように量子誤り訂正符号を変形する符号拡張部と、前記異常検出部により異常の検出がなされた場合に、過去に遡って、前記領域の情報を用いて、量子ビットの誤りの推定を再実行する再実行部とのうちの少なくともいずれか1つ
を備える制御装置が提供される。
According to the disclosed technology, there is provided a control device that controls a quantum processor having a plurality of quantum bits that constitute a quantum error correcting code, the control device comprising:
an anomaly detection unit that detects an area where an anomaly has occurred in a quantum bit in the quantum processor based on a syndrome value periodically acquired from the quantum processor; and
A control device is provided that includes at least one of a code extension unit that modifies a quantum error correcting code to increase the code distance of a logical quantum bit in the region when an abnormality is detected by the anomaly detection unit, and a re-execution unit that, when an abnormality is detected by the anomaly detection unit, goes back in time and re-executes an estimate of an error in the quantum bit using information from the region.

開示の技術によれば、量子計算機において、バーストエラーの影響を軽減するための技術が提供される。 The disclosed technology provides a technique for reducing the effects of burst errors in a quantum computer.

本発明の実施の形態における量子計算機の構成図である。1 is a configuration diagram of a quantum computer according to an embodiment of the present invention. 量子誤り訂正処理を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining a quantum error correction process. 宇宙線によるバーストエラーを説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining a burst error caused by cosmic rays. 本発明の実施の形態における量子計算機の詳細構成図である。FIG. 2 is a detailed configuration diagram of a quantum computer according to an embodiment of the present invention. 処理の手順を説明するための模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a processing procedure. マッチングを行う対象となる3次元グリッド上の座標を模式的に示した図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic diagram of coordinates on a three-dimensional grid that are targets for matching; 制御装置のハードウェア構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of a control device.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態(本実施の形態)を説明する。以下で説明する実施の形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施の形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。なお、以下の説明において、参考文献は[2]などのように番号で表し、番号に対応する文献名は明細書の最後に記載した。 The following describes an embodiment of the present invention (the present embodiment) with reference to the drawings. The embodiment described below is merely an example, and the embodiment to which the present invention is applied is not limited to the following embodiment. In the following description, references are represented by numbers, such as [2], and the names of the documents corresponding to the numbers are listed at the end of the specification.

(装置全体構成)
図1に、本実施の形態における量子計算機300の全体構成例を示す。「量子計算機」を「量子コンピュータ」、「量子計算装置」等と呼んでもよい。この量子計算機300により、宇宙線等により生じるバーストエラーの影響を緩和して量子計算を行うことが可能である。
(Overall equipment configuration)
1 shows an example of the overall configuration of a quantum computer 300 according to the present embodiment. The "quantum computer" may also be called a "quantum computer" or a "quantum computing device." This quantum computer 300 makes it possible to perform quantum computation while mitigating the effects of burst errors caused by cosmic rays or the like.

図1に示すとおり、量子計算機300は、制御装置100と量子プロセッサ200を備える。制御装置100は、量子プロセッサ200に制御信号を送信し、量子プロセッサ200から計算結果(測定結果)を取得することで、誤り耐性量子計算を行う。制御装置100は、古典コンピュータにより実現できる。 As shown in FIG. 1, the quantum computer 300 includes a control device 100 and a quantum processor 200. The control device 100 performs error-tolerant quantum computation by transmitting a control signal to the quantum processor 200 and acquiring a computation result (measurement result) from the quantum processor 200. The control device 100 can be realized by a classical computer.

量子プロセッサ200は、量子2準位系を構成する量子ビットを複数備えている。量子ビットを実現するための物理系は特に限定はなく、どの物理系を使用してもよい。例えば、物理系として、超伝導回路、イオントラップ、光子、量子ドット等を使用することができる。 The quantum processor 200 has multiple quantum bits that constitute a quantum two-level system. There are no particular limitations on the physical system for realizing the quantum bits, and any physical system may be used. For example, superconducting circuits, ion traps, photons, quantum dots, etc. may be used as physical systems.

本実施の形態では、量子プロセッサ200における複数の量子ビットにより、トポロジカル符号の一種である表面符号を構成している。そのため、量子プロセッサ200における複数の量子ビットは、2次元平面上で格子状に並んだ形になっており、以降、これを量子ビットプレーン(qubit plane)と呼ぶことにする。ただし、量子誤り訂正符号として表面符号を用いることは一例であり、表面符号以外の量子誤り訂正符号を使用してもよい。 In this embodiment, a surface code, which is a type of topological code, is formed by a plurality of quantum bits in the quantum processor 200. Therefore, the plurality of quantum bits in the quantum processor 200 are arranged in a lattice pattern on a two-dimensional plane, which will hereinafter be referred to as a qubit plane. However, using a surface code as a quantum error correcting code is just one example, and a quantum error correcting code other than a surface code may also be used.

図1には、制御装置100の主要な機能部である異常検出部301、符号拡張部302、再実行部303が示されている。異常検出部301は、量子プロセッサ200から周期的に取得したシンドローム値に基づいて、量子プロセッサにおける量子ビットに異常が発生した領域を検出する。符号拡張部302は、異常検出部301により異常の検出がなされた場合に、前記領域における論理量子ビットの符号距離を大きくするように量子誤り訂正符号を変形する。再実行部302は、異常検出部301により異常の検出がなされた場合に、過去に遡って、前記領域の情報を用いて、量子ビットの誤りの推定を再実行する。異常検出部301、符号拡張部302、再実行部303それぞれのより具体的な機能構成等については後述する。 Figure 1 shows the main functional parts of the control device 100, namely, an anomaly detection part 301, a code extension part 302, and a re-execution part 303. The anomaly detection part 301 detects an area where an anomaly has occurred in the quantum bit in the quantum processor based on a syndrome value periodically acquired from the quantum processor 200. When an anomaly is detected by the anomaly detection part 301, the code extension part 302 modifies the quantum error correction code so as to increase the code distance of the logical quantum bit in the area. When an anomaly detection part 301 detects an anomaly, the re-execution part 302 goes back in time and re-executes the estimation of the quantum bit error using information on the area. More specific functional configurations of the anomaly detection part 301, the code extension part 302, and the re-execution part 303 will be described later.

(基本的な量子誤り訂正処理について)
ここで、基本的な量子誤り訂正処理について説明する。前述したとおり、量子計算機を構成する基本要素である量子ビットにはエラーが生じやすく、実用的な規模の量子計算を実行するには実行時に生じるエラーを検出し訂正する量子誤り訂正の機構が必要となる。量子誤り訂正では量子誤り訂正符号を用いて複数の量子ビットを用いた論理量子ビットとして情報を表現し、誤りを検出、訂正しながら計算を行う。
(Basic quantum error correction processing)
Here, we will explain the basic quantum error correction process. As mentioned above, quantum bits, which are the basic elements that make up a quantum computer, are prone to errors, and a quantum error correction mechanism that detects and corrects errors that occur during execution is required to perform quantum calculations on a practical scale. In quantum error correction, information is expressed as a logical quantum bit using multiple quantum bits using a quantum error correction code, and calculations are performed while detecting and correcting errors.

図2を参照して、量子誤り訂正に係る典型的なフローを説明する。図2のAは、量子ビットを集積化したチップである量子ビットプレーンを示す。図1に示すとおり、量子ビットプレーンに集積化された量子ビットは正方形のブロックに区切られる。各ブロックは1つの論理量子ビットを構成する。 A typical flow of quantum error correction will be described with reference to Figure 2. A in Figure 2 shows a qubit plane, which is a chip on which qubits are integrated. As shown in Figure 1, the qubits integrated in the qubit plane are divided into square blocks. Each block constitutes one logical qubit.

図2のBに示すように、個々のブロックはグリッド状に並んだ量子ビットで構成される。この1ブロックに対してデータを保持するためのデータ量子ビット(黒丸)と、データ量子ビットに生じるエラーを検出するための補助量子ビット(ancillary qubit)を配置して実現する符号を表面符号[2]と呼び、実現に最も近いと言われている。 As shown in Figure 2B, each block is composed of quantum bits arranged in a grid. A code realized by arranging data quantum bits (black circles) for storing data in each block and ancillary quantum bits for detecting errors that occur in the data quantum bits is called a surface code [2], and is said to be the closest to being realized.

図2のBでは、網掛けされた四角(ひし形)が補助量子ビットを示す。また、図2のBには、使用されていないデータ量子ビット(白丸)と、使用されていない補助量子ビットも示されている。これらは符号拡張に使用することができる。また、図1Bは、符号距離がdである場合を示している。 In Figure 2B, the shaded boxes (diamonds) represent ancillary qubits. Also shown in Figure 2B are unused data qubits (open circles) and unused ancillary qubits, which can be used for code extension. Figure 1B also shows the case where the code distance is d.

表面符号では、エラー検出用の補助量子ビットを用いて定期的にパリティ検査を行うことで、量子ビットに生じている誤りに関する情報を間接的に得ることができる。 In surface codes, periodic parity checks can be performed using auxiliary error-detecting quantum bits, allowing indirect information about errors occurring in the quantum bits to be obtained.

表面符号で補助量子ビットを用いてエラー検出を行うと、補助量子ビット一つにつき1ビットのエラーのパリティに関する情報が得られ、これを並べると「補助量子ビットの周辺にあるデータ量子ビットに生じたエラーの個数が偶数個か奇数個か」を表す2次元的なビットのマップが与えられる。ここで得られる値はシンドローム値と呼ばれる。「エラーの個数が偶数個か奇数個か」を表す値をパリティと呼んでもよい。シンドローム値が1(奇数)であるビットはアクティブなビットと呼ばれる。 When error detection is performed using an auxiliary quantum bit with a surface code, information regarding the parity of one bit of error is obtained for each auxiliary quantum bit, and arranging these gives a two-dimensional bit map that indicates whether the number of errors that have occurred in the data quantum bits surrounding the auxiliary quantum bit is even or odd. The value obtained here is called the syndrome value. The value that indicates whether the number of errors is even or odd can also be called the parity. A bit with a syndrome value of 1 (odd) is called an active bit.

シンドローム値の測定(スタビライザ測定)は、ある周期(サイクル)で繰り返し行われる。この周期を符号サイクルと呼ぶ。1符号サイクルのシンドローム値を1層として、各符号サイクルのシンドローム値を積み上げることにより、図2Dのように、3次元格子のデータが得られる。このデータは後述するシンドロームバッファの中のデータに相当する。図2Dの各ノードは1つのシンドローム値に対応する。 Syndrome value measurements (stabilizer measurements) are repeated over a certain cycle. This cycle is called the code cycle. The syndrome values of one code cycle are considered as one layer, and by stacking the syndrome values of each code cycle, three-dimensional lattice data is obtained, as shown in Figure 2D. This data corresponds to the data in the syndrome buffer, which will be described later. Each node in Figure 2D corresponds to one syndrome value.

ここでは、Eに示す網掛けの補助量子ビットからはビット反転に関するエラーの偶奇が与えられ、Fに示す網掛けの補助量子ビットからは位相反転に関するエラーの偶奇が与えられる。以降の処理は両方ともに共通であり同じものを並行して行うので、特にFに示す網掛けの補助量子ビットから得られる情報についてのみ記載する。 Here, the shaded ancillary quantum bit shown in E gives the even/odd error for bit flipping, and the shaded ancillary quantum bit shown in F gives the even/odd error for phase flipping. The subsequent processing is common to both and the same processing is performed in parallel, so we will only describe the information obtained from the shaded ancillary quantum bit shown in F.

生じたエラーを訂正するには、シンドローム値からエラーを推定しなければならない。この作業は復号と呼ばれる。各量子ビットに生じるエラーが独立であるとき、表面符号の復号は以下のようなタスクに帰着できることが知られている。 To correct the errors that occur, the errors must be estimated from the syndrome values. This task is called decoding. When the errors that occur in each quantum bit are independent, it is known that decoding the surface code can be reduced to the following task:

前述したとおり、時系列とともに並べたシンドローム値のビットマップは図2Dのように3次元的なグリッド(グラフと呼んでもよい)となる。このグリッドのうちシンドロームの値が奇数(アクティブ)となっている箇所(黒い点)どうし、又は、黒い点とグリッド境界をペアリングする作業を考える。ペアリングした際にその経路となる辺(エッジ)は、生じたエラーと一対一に対応することが知られている。このことから、一番尤もらしいエラーを推定する作業は、こうしたペアリングを最小の辺の長さで行うことに相当し、この問題は最小重み完全マッチングと呼ばれる問題と一致する。つまり、ここでは、シンドロームの値が奇数(アクティブ)となっている箇所(黒い点)どうし、又は、黒い点とグリッド境界をペアリングする際に、ペアリングしたパスの長さ(重み)の合計が最小になるようにペアリングを行う。 As mentioned above, the bitmap of syndrome values arranged in time series becomes a three-dimensional grid (or graph) as shown in Figure 2D. Consider pairing the points (black dots) in this grid where the syndrome values are odd (active), or pairing black dots with grid boundaries. It is known that the edges that form the path when pairing have a one-to-one correspondence with the error that occurred. From this, the task of estimating the most likely error corresponds to pairing with the shortest edge length, and this problem coincides with the problem called minimum weight perfect matching. In other words, here, when pairing points (black dots) where the syndrome values are odd (active), or pairing black dots with grid boundaries, pairing is performed so that the total length (weight) of the paired path is minimized.

最小重み完全マッチングを誤り訂正と並行して高速に解くための種々の方法がこれまで提案されてきた[3]。計算中、送られてくるシンドローム値を制御装置で逐次復号し、エラーが復号にかかる時間だけ遅れて推定される。推定されたエラーはパウリフレームと呼ばれるテーブルに書き込まれる。推定されたエラーのフィードバックは、論理量子ビットが測定された際に、その測定結果を補正するために用いられる。上記の仕組みにより、量子誤り訂正を実現することができる。 Various methods have been proposed to solve minimum weight perfect matching quickly while correcting errors [3]. During the calculation, the incoming syndrome values are sequentially decoded by the control device, and the errors are estimated with a delay equal to the time it takes to decode them. The estimated errors are written into a table called the Pauli frame. When the logical quantum bit is measured, the feedback of the estimated errors is used to correct the measurement result. The above mechanism makes it possible to realize quantum error correction.

前述のとおり、量子ビットの集積化されたチップに宇宙線が入射すると、広範囲にある量子ビットのエラー率が長時間大幅に増加するバーストエラーが発生する。宇宙線がチップに入射する頻度は大きくないものの、長時間の計算を行うと計算中にほぼ確実に生じるため、表面符号を用いた誤り訂正は想定されている性能では機能しないことが危惧されていた。 As mentioned above, when cosmic rays hit a chip on which quantum bits are integrated, a burst error occurs in which the error rate of quantum bits over a wide area increases significantly for a long period of time. Although the frequency with which cosmic rays hit a chip is not high, they are almost certain to occur during calculations carried out over a long period of time, which raised concerns that error correction using surface codes would not function with the expected performance.

図3は、宇宙線により生じる影響を模式的に表した図である。図3の右側の図において、2次元平面でのある位置のある期間において、エラー率が増加している領域がanomalous region(異常領域)として網掛けで示されている。 Figure 3 is a schematic diagram showing the effects of cosmic rays. In the right-hand diagram of Figure 3, the area where the error rate increases during a certain period at a certain position on a two-dimensional plane is shown shaded as an anomalous region.

本実施の形態では、従来の量子計算機のアーキテクチャにおける量子誤り訂正の機構に修正を加えることで、量子計算機の性能に大きな影響を与えずにバーストエラーの影響を従来に比べ大幅に軽減する技術について説明する。 In this embodiment, we will explain a technology that significantly reduces the impact of burst errors compared to conventional technology, without significantly affecting the performance of a quantum computer, by modifying the quantum error correction mechanism in the architecture of conventional quantum computers.

(装置構成の詳細)
図4に、本実施の形態における量子計算機300の詳細構成図を示す。図4に示す構成は、誤り耐性量子計算機を実現する典型的な計算機アーキテクチャに、本発明に係る提案技術を組み込んだものである。特に、点線枠で囲んだ部分が、本提案で追加された要素である。ただし、他の要素についても、点線枠で囲んだ部分の追加に伴って、既存技術の誤り耐性量子計算機にはない動作を実行する。
(Details of device configuration)
Fig. 4 shows a detailed configuration diagram of a quantum computer 300 according to this embodiment. The configuration shown in Fig. 4 is a typical computer architecture that realizes a fault-tolerant quantum computer, to which the proposed technology according to the present invention is incorporated. In particular, the part enclosed in the dotted line frame is an element added in this proposal. However, with the addition of the part enclosed in the dotted line frame, the other elements also perform operations that are not performed by fault-tolerant quantum computers of existing technology.

図4に示すとおり、本実施の形態に係る量子計算機300は、ホストCPU110(Host CPU)、量子古典インタフェース120(quantum-classical interface)、古典制御ユニット130(classical control units)、量子ビットプレーン200(qubit plane)を有する。 As shown in FIG. 4, the quantum computer 300 according to this embodiment has a host CPU 110, a quantum-classical interface 120, classical control units 130, and a quantum bit plane 200.

図1に示した構成における制御装置100は、図4での「ホストCPU110+量子古典インタフェース120+古典制御ユニット130」に相当する。「ホストCPU110+量子古典インタフェース120+古典制御ユニット130」、つまり制御装置100は、1つのコンピュータ(及びプログラム)で実現してもよいし、複数のコンピュータ(及びプログラム)で実現してもよいし、専用のハードウェアとコンピュータ(及びプログラム)で実現してもよいし、専用のハードウェアのみで実現してもよい。 The control device 100 in the configuration shown in FIG. 1 corresponds to the "host CPU 110 + quantum-classical interface 120 + classical control unit 130" in FIG. 4. The "host CPU 110 + quantum-classical interface 120 + classical control unit 130", that is, the control device 100, may be realized by one computer (and program), may be realized by multiple computers (and programs), may be realized by dedicated hardware and a computer (and program), or may be realized only by dedicated hardware.

例えば、古典制御ユニット130について、内部の各機構をソフトウェア(つまり、コンピュータにプログラムを実行させること)で実現してもよいし、内部の機構の一部又は全部を専用ハードウェアで実現してもよい。 For example, the internal mechanisms of the classical control unit 130 may be implemented using software (i.e., by having a computer execute a program), or some or all of the internal mechanisms may be implemented using dedicated hardware.

量子古典インタフェース120(quantum-classical interface)は、ADコンバータ121(AD converter)、DAコンバータ122(DA converter)を有する。 The quantum-classical interface 120 has an AD converter 121 and a DA converter 122.

古典制御ユニット130は、測定結果抽出部131(measurement result extraction unit)、古典レジスタ132(classical register)、シンドローム抽出部133(syndrome extraction unit)、シンドロームバッファ134(syndrome buffer)、デコード部135(decoding unit)、パウリフレーム136(Pauli frame)、アノマリ検出部137(anomaly detection unit)、アクティブノードカウンタ138(active node counter)、マッチングバッファ139(matching buffer)、拡張バッファ144(Expansion queue)、命令ヒストリバッファ145(Instruction history buffer)、命令バッファ140(instruction buffer)、スタビライザマップ141(stabilizer map)、スタビライザ割当部142(stabilizer assignment unit)、命令デコード部143(instruction decoder)を有する。命令デコード部143はスケジューラの機能も有するため、命令デコード/スケジュール部143と表記してもよい。 The classical control unit 130 includes a measurement result extraction unit 131, a classical register 132, a syndrome extraction unit 133, a syndrome buffer 134, a decoding unit 135, a Pauli frame 136, an anomaly detection unit 137, an active node counter 138, a matching buffer 139, an expansion queue 144, an instruction history buffer 145, an instruction buffer 140, a stabilizer map 141, a stabilizer assignment unit 142, and an instruction decoder 143. The instruction decoder 143 also functions as a scheduler, and may be referred to as an instruction decoder/schedule unit 143.

(量子計算機300の動作概要)
量子計算機300が実行する誤り耐性量子計算において量子ビットは量子ビットプレーン200に集積化され、外部から制御される。計算中、制御装置100は量子ビットにエラーが生じていないかを継続的に検出し続ける。「すべての量子ビットに一回エラー検出を行う操作」を行う時間を1符号サイクルと呼ぶ。
(Overview of Operation of the Quantum Computer 300)
In the error-tolerant quantum computation performed by the quantum computer 300, the quantum bits are integrated in the quantum bit plane 200 and are externally controlled. During the computation, the control device 100 continuously detects whether any errors have occurred in the quantum bits. The time required to perform an "operation to perform error detection once for all quantum bits" is called one code cycle.

1符号サイクルおきに制御装置100は量子ビットのどの場所にどのようなエラーが生じているかを知るためのシンドローム値を得る。このシンドローム値は量子ビットに全くエラーが生じない場合は全て0となるが、エラーが生じる場合はそのエラーの確率に応じて統計性が変化する。 Every other code cycle, the control device 100 obtains a syndrome value to determine what type of error has occurred and where in the quantum bit. If no errors occur in the quantum bit, the syndrome value will be all 0, but if an error occurs, the statistics will change according to the probability of that error.

本実施の形態では、制御装置100においてアノマリ検出部137を導入している。アノマリ検出部137は、シンドローム値の統計情報を継続的にモニタリングし、ある量子ビット(特定の量子ビット)についてある条件を満たしたらその量子ビットは平常時よりエラーの大きな異常状態にあると判断する。なお、アノマリ検出部137を異常検出部と呼んでもよい。 In this embodiment, the control device 100 includes an anomaly detection unit 137. The anomaly detection unit 137 continuously monitors statistical information on syndrome values, and when a certain condition is met for a certain quantum bit (a specific quantum bit), it determines that the quantum bit is in an abnormal state with a larger error than normal. The anomaly detection unit 137 may also be called an anomaly detection unit.

アノマリ検出部137が特定の量子ビットが異常な状態にある、すなわちバーストエラーが生じていると判断したら、アノマリ検出部137は異常な量子ビットを利用する符号化された論理量子ビットの信頼性を回復するための命令を命令バッファ140に追記する。また、誤りの位置の推定において異常な量子ビットを信頼しないよう、誤りを推定するユニットに通知を行う。 If the anomaly detection unit 137 determines that a particular quantum bit is in an abnormal state, i.e., that a burst error has occurred, the anomaly detection unit 137 adds an instruction to the instruction buffer 140 to restore the reliability of the encoded logical quantum bit that uses the abnormal quantum bit. The anomaly detection unit 137 also notifies the error estimation unit not to trust the abnormal quantum bit when estimating the location of the error.

本実施の形態における量子計算機300において、バーストエラーの影響を軽減するという課題解決のための核となる機構は下記のとおりである。 In the quantum computer 300 of this embodiment, the core mechanism for solving the problem of reducing the effects of burst errors is as follows.

(1)シンドローム値の情報を処理し、統計的変化から異常を検知する機構 (アノマリ検出部137の機能)。 (1) A mechanism that processes syndrome value information and detects abnormalities from statistical changes (function of the anomaly detection unit 137).

(2)バーストエラーが生じた量子ビットを含む論理量子ビットの論理エラー率が許容可能な範囲に収まるよう符号を変形する機構(拡張バッファ144およびそこに格納される命令等)。 (2) A mechanism (such as the expansion buffer 144 and instructions stored therein) that transforms the code so that the logical error rate of the logical quantum bit including the quantum bit in which the burst error occurred falls within an acceptable range.

(3)特定の量子ビットが異常な状態にあるという情報を用いて、より信頼度の高い誤り情報の推定を行う機構(デコード部135の新規な機能)。 (3) A mechanism for more reliable estimation of error information using information that a particular quantum bit is in an abnormal state (a new function of the decoding unit 135).

(各部の動作の説明1)
以下、図4に示した量子計算機300の各部の動作について詳細に説明する。まず、ここでの「各部の動作の説明1」において、標準的な誤り耐性量子計算機を構成する機構について説明する。この標準的機構は参考文献[4]における設計に類似した設計を少し改変したものである。
(Description of the operation of each part 1)
The operation of each part of the quantum computer 300 shown in Fig. 4 will be described in detail below. First, in "Description of the Operation of Each Part 1", the mechanism that constitutes a standard fault-tolerant quantum computer will be described. This standard mechanism is a slightly modified design similar to the design in reference [4].

<ホストCPU110>
ホストCPU110は、量子プロセッサとやりとりをするための通常の計算機の処理を行うプロセッサである。量子プロセッサで実行する命令を逐次的に命令デコード部143に送付するほか、量子計算の実行結果を古典レジスタ132から古典ビットのデータとして受け取る。
<Host CPU 110>
The host CPU 110 is a processor that performs normal computer processing to communicate with the quantum processor. It sequentially sends instructions to be executed by the quantum processor to the instruction decode unit 143, and receives the results of quantum computation as classical bit data from the classical register 132.

<命令デコード部143>
命令デコード部143は、ホストCPU110より送られてきた命令を復号し、その命令が実行可能かをスタビライザ割当部142に問い合わせ、適切なスケジューリングの元、命令バッファ140にデータを追記する。命令によっては実行可能かの判断を行うために古典レジスタ132のデータを利用することもある。また、実行した命令はパウリフレーム136に通知する。
<Instruction Decode Unit 143>
The instruction decode unit 143 decodes an instruction sent from the host CPU 110, queries the stabilizer allocation unit 142 as to whether the instruction is executable, and adds the data to the instruction buffer 140 based on appropriate scheduling. Depending on the instruction, data in the classical register 132 may be used to determine whether the instruction is executable. In addition, the executed instruction is notified to the Pauli frame 136.

<命令バッファ140>
命令バッファ140は、命令キューと呼んでもよい。命令バッファ140は、命令デコーダ143より送られてきた命令セットを保持するデータキュー(データバッファ)である。命令を実行し、実行が完了するとキューからその命令が削除される。
<Instruction Buffer 140>
The instruction buffer 140 may be called an instruction queue. The instruction buffer 140 is a data queue (data buffer) that holds an instruction set sent from the instruction decoder 143. An instruction is executed, and when the execution is completed, the instruction is deleted from the queue.

<スタビライザ割当部142>
量子ビットプレーン200に配置されている量子ビットは計算の途中、所定の方法で安定化されている。スタビライザ割当部142は、個々の量子ビットがどのように安定化されるかを管理する。命令バッファ140に格納された命令に基づく、誤り訂正符号で符号化された量子ビットへの操作は、安定化の方法を変化させることで間接的に行うことができる。なお、この手法は命令を格子状に並ぶ符号を変形または継ぎはぎして行うことからcode deformation [5]やlattice surgery [6]と呼ばれる。スタビライザ割当部142は定期的に量子ビットプレーン200に対して量子ビットを所定の方法で安定化するための制御信号を送付する。
<Stabilizer allocation unit 142>
The qubits arranged in the qubit plane 200 are stabilized in a predetermined manner during the calculation. The stabilizer allocation unit 142 manages how each qubit is stabilized. The operation of the qubits encoded with the error-correcting code based on the instruction stored in the instruction buffer 140 can be indirectly performed by changing the stabilization method. This method is called code deformation [5] or lattice surgery [6] because the instruction is performed by deforming or patching the code arranged in a lattice shape. The stabilizer allocation unit 142 periodically sends a control signal to the qubit plane 200 to stabilize the qubits in a predetermined manner.

<スタビライザマップ141>
スタビライザマップ141は、スタビライザ割当部142が現状、量子ビットプレーン200上の量子ビットをどのように安定化させているかを示す情報を保持するためのテーブルである。
<Stabilizer Map 141>
The stabilizer map 141 is a table for holding information indicating how the stabilizer allocation unit 142 is currently stabilizing the quantum bits on the quantum bit plane 200 .

<DAコンバータ122>
DAコンバータ122は、スタビライザ割当部142から送付される制御信号をデジタル信号からアナログ信号に変換し、アナログ信号を量子ビットプレーン200に送信することで、アナログ素子である量子ビットプレーン200上の量子ビットを制御できるようにする機構である。
<DA converter 122>
The DA converter 122 is a mechanism that converts the control signal sent from the stabilizer allocation unit 142 from a digital signal to an analog signal and transmits the analog signal to the quantum bit plane 200, thereby enabling control of the quantum bits on the quantum bit plane 200, which is an analog element.

<量子ビットプレーン200>
量子ビットプレーン200は、集積化された量子ビットのアレイが並んでいるチップである。量子ビットプレーン200として、典型的には二次元の格子状に並んだ量子ビットを想定する。ただし、本発明に係る技術の適用範囲は、二次元の格子状等の特定のグラフ構造に限定されない。
<Quantum Bit Plane 200>
The quantum bit plane 200 is a chip on which an array of integrated quantum bits is arranged. The quantum bit plane 200 is typically assumed to have quantum bits arranged in a two-dimensional lattice. However, the scope of application of the technology according to the present invention is not limited to a specific graph structure such as a two-dimensional lattice.

<ADコンバータ121>
ADコンバータ121は、量子ビットプレーン200に送付されたアナログ制御信号の反射波を読み出し、それをデジタル信号に変換するユニットである。デジタル信号に変換するデータは符号化された論理量子ビットの読み出しを目的とした信号と、安定化された量子ビットにエラーが生じていないかどうかを示す誤り検出の信号である。前者は測定結果抽出部131に送付され、後者はシンドローム抽出部133に送付される。
<AD converter 121>
The AD converter 121 is a unit that reads the reflected wave of the analog control signal sent to the quantum bit plane 200 and converts it into a digital signal. The data to be converted into a digital signal are a signal intended to read the encoded logical quantum bit and an error detection signal that indicates whether an error has occurred in the stabilized quantum bit. The former is sent to the measurement result extraction unit 131, and the latter is sent to the syndrome extraction unit 133.

<測定結果抽出部131>
測定結果抽出部131は、ADコンバータ121により送付される論理量子ビットの読み出しを目的とした信号を処理し、論理量子ビットの測定結果を算出する。ただし、算出されたデータはまだエラー訂正がされていない状況であり信頼できないデータである。この算出された信頼できないデータは古典レジスタ132に送付され、データの訂正がパウリフレーム136により行われる。
<Measurement result extraction unit 131>
The measurement result extraction unit 131 processes the signal sent by the AD converter 121 for the purpose of reading out the logical quantum bit, and calculates the measurement result of the logical quantum bit. However, the calculated data has not yet been error-corrected and is unreliable. This calculated unreliable data is sent to the classical register 132, and the data is corrected by the Pauli frame 136.

<シンドローム抽出部133>
シンドローム抽出部133は、ADコンバータ121より受け取った誤り検出の信号を処理し、どのような誤りが生じたのかを推定するためのデータであるシンドローム値と呼ばれる情報を算出するユニットである。算出されたシンドローム値はシンドロームバッファ134(シンドロームキューと呼んでもよい)に格納される。
<Syndrome Extraction Unit 133>
The syndrome extraction unit 133 is a unit that processes the error detection signal received from the AD converter 121 and calculates information called a syndrome value, which is data for estimating what kind of error has occurred. The calculated syndrome value is stored in a syndrome buffer 134 (which may be called a syndrome queue).

<シンドロームバッファ134>
シンドロームバッファ134は、シンドローム抽出部133から受け取ったシンドローム値を保持するユニットである。シンドローム値が不要になったら、そのシンドローム値はバッファ(キュー)から削除される。
<Syndrome Buffer 134>
The syndrome buffer 134 is a unit that holds the syndrome values received from the syndrome extraction unit 133. When a syndrome value becomes unnecessary, the syndrome value is deleted from the buffer (queue).

<デコード部135>
デコード部135は、シンドロームバッファ134に保持されたシンドローム値から、量子ビットにどのような誤りが生じているのかを表す情報を復号するユニットである。復号した誤りの位置及び時間の情報はパウリフレーム136に送付される。
<Decoding Unit 135>
The decoding unit 135 is a unit that decodes information indicating what kind of error has occurred in the quantum bit from the syndrome value held in the syndrome buffer 134. The decoded information on the position and time of the error is sent to the Pauli frame 136.

<パウリフレーム136>
パウリフレーム136は、デコード部135から送付された情報に基づき、ある時点で量子ビットプレーン200にある量子ビットにどのようなエラーが蓄積しているかを集計するユニットである。パウリフレーム136は、この情報を用いて、古典レジスタ132に測定結果抽出部131より格納されている「誤りが訂正されていない論理量子ビットの測定結果」の誤りを訂正する。
<Pauli Frame 136>
The Pauli frame 136 is a unit that compiles information on what errors have accumulated in the quantum bits in the quantum bit plane 200 at a certain point in time, based on information sent from the decode unit 135. The Pauli frame 136 uses this information to correct errors in the “measurement results of logical quantum bits whose errors have not been corrected” stored in the classical register 132 by the measurement result extraction unit 131.

<古典レジスタ132>
古典レジスタ132は、論理量子ビットの測定結果(0,1の古典ビット)を保持するユニットである。論理量子ビットの誤りが訂正されていない測定結果がまず測定結果抽出部131より格納され、そののちにパウリフレーム136の情報が更新されるとパウリフレーム136により誤りが訂正される。誤りが訂正された測定データはホストCPU110に送付され、また、誤りが訂正された測定データは、命令デコーダ135が命令のスケジューリングをするために利用される。
<Classical Register 132>
The classical register 132 is a unit that holds the measurement results of the logical quantum bits (classical bits of 0 and 1). The measurement results of the logical quantum bits with no error correction are first stored by the measurement result extraction unit 131, and then when the information in the Pauli frame 136 is updated, the errors are corrected by the Pauli frame 136. The error-corrected measurement data is sent to the host CPU 110, and is also used by the instruction decoder 135 to schedule instructions.

(各部の動作の説明2)
次に、各部の動作の説明2として、従来の誤り訂正量子計算機のアーキテクチャにはなく、本発明に係る技術において新たに追加された機構、及び、当該機構を組み込むことによる他の機構における変更点について説明する。
(Explanation of operation of each part 2)
Next, as an explanation 2 of the operation of each part, we will explain the mechanism that was not present in the architecture of conventional error-correcting quantum computers and that was newly added in the technology of the present invention, as well as the changes in other mechanisms resulting from the incorporation of this mechanism.

<アノマリ検出部143>
アノマリ検出部143は、シンドロームの値がシンドロームバッファ134に追記されるたび、シンドロームバッファ139(シンドロームキューと呼んでもよい)から最も古い符号サイクルのデータと最も新しい符号サイクルのデータを取得する。取得したデータに基づきアクティブノードカウンタ138に保持されているシンドローム値の統計情報を更新し、量子ビットプレーン200に並ぶ量子ビットに異常が生じていないかを検定する。異常が生じていない場合は何もしない。異常が生じている場合はデコード部135と拡張バッファ144(拡張キューと呼んでもよい)に対し、異常が生じている量子ビットの位置情報を通知する。
<Anomaly detection unit 143>
The anomaly detection unit 143 acquires the oldest code cycle data and the newest code cycle data from the syndrome buffer 139 (which may be called a syndrome queue) each time a syndrome value is added to the syndrome buffer 134. Based on the acquired data, the anomaly detection unit 143 updates the statistical information of the syndrome values stored in the active node counter 138, and checks whether an anomaly has occurred in the quantum bits arranged in the quantum bit plane 200. If no anomaly has occurred, nothing is done. If an anomaly has occurred, the anomaly detection unit 143 notifies the decoding unit 135 and the extension buffer 144 (which may be called an extension queue) of the position information of the quantum bit where the anomaly has occurred.

<アクティブノードカウンタ138>
アクティブノードカウンタ138は、アノマリ検出部143が過去のシンドローム値の統計情報を集計するために利用する小規模なデータテーブルである。
Active Node Counter 138
The active node counter 138 is a small data table that the anomaly detection unit 143 uses to collect statistical information on past syndrome values.

<拡張バッファ144>
拡張バッファ144は、量子ビットに異常が生じている際に、その異常に対処するための命令を格納するための命令を蓄積するバッファ(キュー)である。拡張バッファ144は、アノマリ検出部137から異常が生じている量子ビットの位置を受け取ると、その位置にある符号化された論理量子ビットの情報が破損しないように、符号化レベルを上げて一時的によりデータが頑強になるような命令を追記する。命令追記は、拡張バッファ144自身が行ってもよいし、アノマリ検出部137が拡張バッファ144に対して行ってもよい。
<Expansion Buffer 144>
The extension buffer 144 is a buffer (queue) that accumulates instructions for storing instructions to deal with an abnormality when an abnormality occurs in a quantum bit. When the extension buffer 144 receives the position of the quantum bit where an abnormality occurs from the anomaly detection unit 137, the extension buffer 144 adds an instruction to increase the encoding level and temporarily make the data more robust so that the information of the encoded logical quantum bit at that position is not damaged. The instruction addition may be performed by the extension buffer 144 itself, or may be performed by the anomaly detection unit 137 to the extension buffer 144.

なお、拡張バッファ144と、拡張バッファ144に格納された命令を実行するスタビライザ割当部142とをあわせて符号拡張部と呼んでもよい。 The extension buffer 144 and the stabilizer allocation unit 142 that executes the instructions stored in the extension buffer 144 may be collectively referred to as the code extension unit.

<スタビライザ割当部142>
従来技術では、スタビライザ割当部142は、命令バッファ140の命令のみを参照し実行していたが、本実施の形態では、これに優先して先に拡張バッファ144の命令を実行する。なお、アノマリ検出部137が命令バッファ140に対して上記拡張命令を格納し、スタビライザ割当部142が優先して拡張命令を実行することとしてもよい。
<Stabilizer allocation unit 142>
In the conventional technology, the stabilizer allocation unit 142 refers to and executes only the instructions in the instruction buffer 140, but in this embodiment, it takes precedence over this and executes the instructions in the extension buffer 144. Note that the anomaly detection unit 137 may store the above-mentioned extension instructions in the instruction buffer 140, and the stabilizer allocation unit 142 may execute the extension instructions with priority.

<デコード部143>
従来技術では、デコード部143は、シンドロームバッファ134からデータを受け取り逐次的に復号を行うだけだった。これに対し、本実施の形態では、デコード部143は、アノマリ検出部137から量子ビットが異常であることを通知された場合に、パウリフレーム136に対して、以前送付した推定結果の巻き戻し(ロールバック、フォールバック、過去に遡る、等と表現してもよい)が可能であるか問い合わせる。
<Decoding Unit 143>
In the conventional technology, the decoding unit 143 simply receives data from the syndrome buffer 134 and sequentially performs decoding. In contrast, in the present embodiment, when the decoding unit 143 is notified by the anomaly detection unit 137 that a quantum bit is abnormal, the decoding unit 143 inquires of the Pauli frame 136 whether it is possible to rewind (which may also be expressed as rolling back, falling back, going back to the past, etc.) the estimation result that was previously sent.

巻き戻しが不可能である場合は巻き戻しを行わない。巻き戻しが可能である場合はこれまでの推定を量子ビットが異常になる符号サイクルの直前まで巻き戻し、誤りの情報の推定を再実行する。このときの誤り情報の推定の実行の際には通知された位置の量子ビットが高い誤り率を持つなど、量子ビットがどのような異常性を持つかが既知であるため、再実行前よりも、より高性能な復号を行うことができる。また、後述するパウリフレーム136の巻き戻しのため、推定結果はマッチングバッファ139(マッチングキューと呼んでもよい)に随時格納する。 If rewinding is not possible, no rewinding is performed. If rewinding is possible, the previous estimation is rewinded to just before the code cycle in which the quantum bit becomes abnormal, and the estimation of the error information is rerun. When the estimation of the error information is performed at this time, the type of abnormality of the quantum bit at the notified position is known, such as a high error rate, so that decoding with higher performance than before the rerun can be performed. In addition, in order to rewind the Pauli frame 136 described below, the estimation results are stored in the matching buffer 139 (which may be called a matching queue) as needed.

なお、デコード部143において誤り推定の再実行を行う機能を再実行部と呼んでもよい。 The function in the decoding unit 143 that re-executes error estimation may be called a re-execution unit.

<マッチングバッファ139>
マッチングバッファ139は、デコード部135が推定した、各時刻でどこにどのようなエラーが生じたのかを示す情報を格納するデータキューである。巻き戻しが生じた際に最大で巻き戻される時間は決まっているため、その時間が経過して不要になったデータはバッファから削除される。
<Matching Buffer 139>
The matching buffer 139 is a data queue that stores information indicating where and what type of error occurred at each time, as estimated by the decoding unit 135. When rewinding occurs, the maximum rewind time is fixed, so data that is no longer needed after that time has passed is deleted from the buffer.

<命令ヒストリバッファ145>
命令ヒストリバッファ145は、命令デコーダ143より送られるデータを一時的にバッファして保持するデータキューである。命令ヒストリバッファ145のデータは、後述するパウリフレーム136の巻き戻しに利用される。
<Instruction History Buffer 145>
The instruction history buffer 145 is a data queue that temporarily buffers and holds data sent from the instruction decoder 143. The data in the instruction history buffer 145 is used for rewinding the Pauli frame 136, which will be described later.

<パウリフレーム136>
パウリフレーム136は、デコード部135から巻き戻しが可能かの問い合わせを受け取ったら、古典レジスタ132に対して、以前に訂正した情報がまだ未使用であるか否かを確認する。未使用であれば巻き戻しが可能であり、使用済みであれば巻き戻しは不可能であると判断する。
<Pauli Frame 136>
When the Pauli frame 136 receives an inquiry from the decode unit 135 as to whether or not rewinding is possible, it checks whether or not the previously corrected information is still unused with respect to the classical register 132. If it is unused, it is determined that rewinding is possible, and if it has been used, it is determined that rewinding is not possible.

巻き戻しが可能であった場合は、巻き戻し時刻以降の古典レジスタ132への誤り訂正を全てキャンセルする。また、パウリフレーム136は、命令ヒストリバッファ145、及びマッチングバッファ139のデータを用いてパウリフレーム136の内容を巻き戻す。 If rewinding is possible, all error corrections to the classical register 132 after the rewind time are canceled. In addition, the Pauli frame 136 rewinds the contents of the Pauli frame 136 using data from the instruction history buffer 145 and the matching buffer 139.

(課題解決のための核となる動作の説明)
以下では、前述した、課題解決のための核となる動作(1)~(3)をより詳細に説明する。その前にまず、図5を参照して処理手順の概要を説明する。図5は、量子ビットプレーン200の状態と、量子ビットプレーン200から繰り返しシンドローム値を取得してシンドロームバッファ134に蓄積する様子を模式的に表した図であり、横軸は時間を表し、時間が右へ進んでいることを示す。
(Explanation of the core operation for solving the problem)
The above-mentioned core operations (1) to (3) for solving the problem will be described in more detail below. Before that, an overview of the processing procedure will be described with reference to Fig. 5. Fig. 5 is a diagram showing the state of the quantum bit plane 200 and the manner in which syndrome values are repeatedly acquired from the quantum bit plane 200 and stored in the syndrome buffer 134, with the horizontal axis representing time, which progresses to the right.

S1(ステップ1)において、量子ビットプレーン200が宇宙線を受けることで、Canomalyに示す期間において、宇宙線に起因する異常状態が継続する。 In S1 (step 1), the quantum bit plane 200 is exposed to cosmic rays, and an abnormal state caused by the cosmic rays continues for the period shown as C anomaly .

S2において、アノマリ検出部137が、シンドロームバッファ134に蓄積されたシンドローム値に基づいて、異常が発生した(量子ビットがバーストエラーによる影響を受けた)と判断する。 In S2, the anomaly detection unit 137 determines that an anomaly has occurred (the quantum bit has been affected by a burst error) based on the syndrome values stored in the syndrome buffer 134.

S3において、拡張バッファ144に格納される命令を用いて、スタビライザ割当部142が、論理量子ビットの論理エラー率が許容可能な範囲に収まるよう符号を変形する。この変形はTに示す期間だけ継続する。 In S3, the stabilizer allocation unit 142 uses the instructions stored in the extension buffer 144 to modify the code so that the logical error rate of the logical quantum bit falls within an acceptable range. This modification continues for the period indicated by T.

S4において、デコード部135は、誤り情報の推定をファールバック(巻き戻し)し、より信頼度の高い誤り情報の推定を行う。つまり、フォールバックする時点から異常検知した時点(より具体的には、量子ビットが異常になる符号サイクルの直前)までに計算した誤り情報を使用せずに、巻き戻した時点から改めて、異常が生じた領域を考慮して、誤り情報の計算を行う。 In S4, the decoding unit 135 falls back on the error information estimate and estimates error information with higher reliability. In other words, the error information calculated from the time of fallback to the time of anomaly detection (more specifically, immediately before the code cycle in which the quantum bit becomes abnormal) is not used, and the error information is calculated again from the time of rewinding, taking into account the area in which the anomaly occurred.

図5のdは、異常発生の開始のdサイクル前までフォールバックすることを示す。図5のClatencyは、異常発生の開始から異常を検知するまでの期間を示す。 5 indicates that the fallback is performed up to d cycles before the start of the abnormality occurrence.C latency in FIG. 5 indicates the period from the start of the abnormality occurrence to the detection of the abnormality.

以下、前述した(1)~(3)をより詳細に説明する。 The above points (1) to (3) are explained in more detail below.

(1)シンドローム値の情報を処理し、統計的変化から異常を検知する機構 (アノマリ検出部137の動作機構)。 (1) A mechanism that processes syndrome value information and detects abnormalities from statistical changes (the operating mechanism of the anomaly detection unit 137).

以下では、アノマリ検出部137の動作として、シンドローム値からどの位置及び空間(時間)でバーストエラーが生じているかを知る手法の一つを説明しているが、この手法は一例であり、アノマリ検出部137の動作は以下の動作に限定されない。シンドローム値から、バーストエラーが生じている位置及び空間(位置及び時間)を検出できる手法であれば、どのような手法を用いてもよい。 The following describes one method of determining from the syndrome value at which position and space (time) a burst error is occurring as the operation of the anomaly detection unit 137, but this method is only one example, and the operation of the anomaly detection unit 137 is not limited to the following operation. Any method may be used as long as it can detect from the syndrome value the position and space (position and time) at which a burst error is occurring.

典型的なノイズモデルにおいて、シンドローム値はその値を時間的に一つ飛ばしに取り出すことで、独立な系列になる。シンドローム値を時間的に一つ飛ばしに取り出すこととは、具体的には、符号サイクル毎にシンドローム値を取り出すことである。したがって、複数の符号サイクルに渡り、シンドローム値が1(アクティブ)となる頻度を集計し、その頻度が一定の割合を超えたら、頻度が一定量を超えた位置にバーストエラーが生じたと判断する。 In a typical noise model, the syndrome values become an independent series by taking out the syndrome values every other value in time. Taking out the syndrome values every other value in time means, specifically, taking the syndrome value for each code cycle. Therefore, the frequency at which the syndrome value is 1 (active) over multiple code cycles is tallied, and if this frequency exceeds a certain percentage, it is determined that a burst error has occurred at the position where the frequency exceeds a certain amount.

例えば、ある複数の符号サイクルの時間(時間長)をCwindowとして定めておく。また、t番目の符号サイクルで得られるシンドローム値がm個(mビット長)であるとする。アノマリ検出部137は、「t-Cwindow」からtまでの期間における各ビット位置のアクティブビット(シンドローム値が1のビット)の数と、閾値とを比較し、m個のビット位置のそれぞれについて比較結果を得る。アクティブビット(シンドローム値が1のビット)の数が閾値よりも大きい場合に、そのビット位置に対応する量子ビットの位置に異常が発生したと判断できる。このような判断を符号サイクル毎に行うことで、異常(バーストエラー)が発生した領域(位置と時刻)を判断することができる。 For example, the time (time length) of a number of code cycles is defined as C window . Also, assume that the syndrome value obtained in the t-th code cycle is m (m-bit length). The anomaly detection unit 137 compares the number of active bits (bits with a syndrome value of 1) at each bit position in the period from "t-C window " to t with a threshold value, and obtains a comparison result for each of the m bit positions. If the number of active bits (bits with a syndrome value of 1) is greater than the threshold value, it can be determined that an anomaly has occurred at the position of the quantum bit corresponding to that bit position. By performing such a determination for each code cycle, it is possible to determine the area (position and time) where an anomaly (burst error) has occurred.

バーストエラーが生じた時刻は、異常が検知された時刻から異常を検知するまでの遅延を考慮して算出される。図5の例では、S2の時点からClatency前の時刻でバーストエラーの発生が開始したと推定できる。 The time when the burst error occurred is calculated taking into account the delay from the time when the abnormality was detected to the time when the abnormality was detected. In the example of Fig. 5, it can be estimated that the burst error started to occur at a time before the C latency from the time of S2.

(2)バーストエラーが生じた量子ビットを含む論理量子ビットの論理エラー率が許容可能な範囲に収まるよう符号を変形する機構(拡張バッファ144およびそこに格納される命令)。 (2) A mechanism (extension buffer 144 and instructions stored therein) that transforms the code so that the logical error rate of the logical quantum bit, including the quantum bit in which the burst error occurred, falls within an acceptable range.

本実施の形態において前提としている表面符号では、code deformationという枠組みを用いることで符号化された情報を変化させずに、多くの量子ビットを利用するが、より誤りに頑強な符号に変形することが可能である。したがって、バーストエラーが生じた量子ビットを含む論理量子ビットにcode deformationを適用し、より多くの量子ビットを利用した誤りに頑強な符号に一時的に更新する。十分な時間がたち、量子ビットが平常な状態に回復したらcode deformationの手法で再びもとの符号に戻す。図5の模式図では、Tで示す期間、より多くの量子ビットを利用した誤りに頑強な符号に一時的に更新していることを示している。 In the surface code assumed in this embodiment, a framework called code deformation is used to use many quantum bits without changing the encoded information, but it is possible to transform it into a code that is more robust to errors. Therefore, code deformation is applied to the logical quantum bits including the quantum bit in which the burst error occurred, and the code is temporarily updated to a code that is more robust to errors using more quantum bits. After a sufficient amount of time has passed and the quantum bits have recovered to a normal state, the code is restored to the original code using the code deformation method. The schematic diagram in Figure 5 shows that the code is temporarily updated to a code that is more robust to errors using more quantum bits for the period indicated by T.

(3)特定の量子ビットが異常な状態にあるという情報を用いて、より信頼度の高い誤り情報の推定を行う機構(デコード部135の新規な機能)。 (3) A mechanism for more reliable estimation of error information using information that a particular quantum bit is in an abnormal state (a new function of the decoding unit 135).

前述したとおり、シンドロームバッファ134の情報から尤もらしい誤りの位置と時刻を推定する操作は、シンドロームが検出された位置と時刻を座標とした最小重み完全マッチング問題と呼ばれるグラフの問題で近似的に行えることが知られている[2]。 As mentioned above, it is known that the operation of estimating the most likely location and time of an error from the information in the syndrome buffer 134 can be performed approximately using a graph problem called the minimum weight perfect matching problem, in which the coordinates are the location and time at which the syndrome was detected [2].

従って、バーストエラーが生じている場合でもグラフの重みを調整することで同様の方法を活用できる。ただし、素朴に重みを変更した場合はデコード部135で行う処理の時間が長くなり計算機全体の速度に大きな影響をもたらすため、本提案ではバーストエラーのような局所性のあるエラーの場合に活用できる、以下のような高速な手法を提案している。 Therefore, even if a burst error occurs, a similar method can be used by adjusting the graph weights. However, simply changing the weights will lengthen the processing time in the decoding unit 135, significantly affecting the overall speed of the computer. Therefore, in this proposal, we propose the following high-speed method that can be used in the case of localized errors such as burst errors.

この手法を用いたデコード部135の動作例を、図6を参照して説明する。図6は、デコード部135がマッチングを行う対象となる3次元グリッド上の座標を模式的に表した図である。図6には、二つのノードをペアリングする際に探索が必要となるパスが列挙されている。 An example of the operation of the decoding unit 135 using this technique will be described with reference to FIG. 6. FIG. 6 is a schematic diagram showing coordinates on a three-dimensional grid that are the targets of matching performed by the decoding unit 135. FIG. 6 lists paths that need to be searched when pairing two nodes.

図6において、黒い点(黒丸)がマッチングを行うべき点を表している。個々の黒い点は、別の黒い点、又は、3次元グリッドの左あるいは右の壁(図6では、網掛けした面)にマッチングされなければいけない。前述のとおり、マッチングは最小重み完全マッチング問題として計算される。 In Figure 6, the black points (black circles) represent the points to be matched. Each black point must be matched to another black point or to the left or right walls of the 3D grid (the shaded areas in Figure 6). As mentioned before, matching is computed as a minimum weight perfect matching problem.

この時、マッチングを行うコストは3次元グリッド上で上下左右前後に移動するマス(辺)の数に依存する。1マスの1辺は2つのノード(量子ビット)を接続する辺である。 The cost of matching depends on the number of squares (edges) that can be moved up, down, left, right, forward, and backward on the three-dimensional grid. One edge of a square connects two nodes (qubits).

図6には、ノードと境界(壁)との間のマッチングと、2ノード間のマッチングのそれぞれが示されている。図6において、網掛けされた箱が、バーストエラーが生じている領域を示す。この領域では、3次元グリッド上で1マス(1辺)移動する際の重みを軽くしている。つまり、マッチングの際に、より少ないコストでその領域を通過できる。 Figure 6 shows matching between a node and a boundary (wall), and matching between two nodes. In Figure 6, the shaded boxes indicate areas where burst errors occur. In these areas, the weighting is reduced when moving one square (one side) on the three-dimensional grid. This means that the area can be passed through at a lower cost when matching.

この時、デコード部135は、個別の黒い点を、左右の壁または別の黒い点のうち、最もグリッド上の距離が近いものに逐次的にマッチングさせる。この時、デコード部135は、指定された黒い点から、左右の壁あるいは別の黒い点への距離を、バーストエラーが無い場合は定数時間で計算できるマンハッタン距離として計算する。バーストエラーが生じている領域がある場合には、その領域のマス(辺)移動の重みを、その領域以外の移動の重みよりも小さくして距離を計算する。 At this time, the decoding unit 135 sequentially matches each individual black point with the left or right wall or another black point that is closest in distance on the grid. At this time, the decoding unit 135 calculates the distance from the specified black point to the left or right wall or another black point as the Manhattan distance, which can be calculated in constant time if there is no burst error. If there is an area where a burst error has occurred, the weight of the square (edge) movement in that area is made smaller than the weight of the movement outside that area to calculate the distance.

図6に示すように、バーストエラーにより局所的に重みが小さい領域が存在する場合でも、そのバーストエラーの数が高々1,2個程度であれば、図6に示す黒点間を結ぶ線あるいは黒点と左右の壁を結ぶ線が、最も短距離になりうるパスの全パターンであり、その数は定数であるため、デコード部135は、すべての距離を計算し比較することで、高速に個々の黒い点をどこにマッチングすべきかを示すことができる。 As shown in Figure 6, even if there are areas with locally low weights due to burst errors, if the number of burst errors is at most one or two, the lines connecting the black dots shown in Figure 6 or the lines connecting the black dots with the left and right walls are all possible patterns of paths with the shortest distances, and since the number of such paths is a constant, the decoding unit 135 can quickly indicate where each black dot should be matched by calculating and comparing all distances.

図6において、パス1、2,5は、異常領域を通らない最短パスの候補であり、パス3、4、6は、異常領域を通る最短パスの候補である。このように、解の可能性のある全パスを列挙して、合計が最も短距離になる結果を求める。 In Figure 6, paths 1, 2, and 5 are candidates for the shortest path that does not pass through the abnormal region, and paths 3, 4, and 6 are candidates for the shortest path that passes through the abnormal region. In this way, all possible paths for the solution are enumerated to find the result with the shortest total distance.

(制御装置100のハードウェア構成例)
制御装置100は、例えば、コンピュータにプログラムを実行させることにより実現できる。このコンピュータは、物理的なコンピュータであってもよいし、クラウド上の仮想マシンであってもよい。
(Example of hardware configuration of control device 100)
The control device 100 can be realized, for example, by causing a computer to execute a program. This computer may be a physical computer or a virtual machine on the cloud.

すなわち、制御装置100は、コンピュータに内蔵されるCPUやメモリ等のハードウェア資源を用いて、制御装置100で実施される処理に対応するプログラムを実行することによって実現することが可能である。上記プログラムは、コンピュータが読み取り可能な記録媒体(可搬メモリ等)に記録して、保存したり、配布したりすることが可能である。また、上記プログラムをインターネットや電子メール等、ネットワークを通して提供することも可能である。 That is, the control device 100 can be realized by executing a program corresponding to the processing performed by the control device 100 using hardware resources such as a CPU and memory built into the computer. The above program can be recorded on a computer-readable recording medium (such as a portable memory) and stored or distributed. The above program can also be provided via a network such as the Internet or email.

図7は、上記コンピュータのハードウェア構成例を示す図である。図7のコンピュータは、それぞれバスBSで相互に接続されているドライブ装置1000、補助記憶装置1002、メモリ装置1003、CPU1004、インタフェース装置1005、表示装置1006、入力装置1007、出力装置1008等を有する。 Figure 7 is a diagram showing an example of the hardware configuration of the computer. The computer in Figure 7 has a drive device 1000, an auxiliary storage device 1002, a memory device 1003, a CPU 1004, an interface device 1005, a display device 1006, an input device 1007, an output device 1008, etc., all of which are interconnected by a bus BS.

当該コンピュータでの処理を実現するプログラムは、例えば、CD-ROM又はメモリカード等の記録媒体1001によって提供される。プログラムを記憶した記録媒体1001がドライブ装置1000にセットされると、プログラムが記録媒体1001からドライブ装置1000を介して補助記憶装置1002にインストールされる。但し、プログラムのインストールは必ずしも記録媒体1001より行う必要はなく、ネットワークを介して他のコンピュータよりダウンロードするようにしてもよい。補助記憶装置1002は、インストールされたプログラムを格納すると共に、必要なファイルやデータ等を格納する。 The program that realizes the processing on the computer is provided by a recording medium 1001, such as a CD-ROM or a memory card. When the recording medium 1001 storing the program is set in the drive device 1000, the program is installed from the recording medium 1001 via the drive device 1000 into the auxiliary storage device 1002. However, the program does not necessarily have to be installed from the recording medium 1001, but may be downloaded from another computer via a network. The auxiliary storage device 1002 stores the installed program as well as necessary files, data, etc.

メモリ装置1003は、プログラムの起動指示があった場合に、補助記憶装置1002からプログラムを読み出して格納する。CPU1004は、メモリ装置1003に格納されたプログラムに従って、制御装置100に係る機能を実現する。インタフェース装置1005は、ネットワークあるいは量子プロセッサ等に接続するためのインタフェースとして用いられる。表示装置1006はプログラムによるGUI(Graphical User Interface)等を表示する。入力装置1007はキーボード及びマウス、ボタン、又はタッチパネル等で構成され、様々な操作指示を入力させるために用いられる。出力装置1008は演算結果を出力する。 When an instruction to start a program is received, the memory device 1003 reads out and stores the program from the auxiliary storage device 1002. The CPU 1004 realizes functions related to the control device 100 in accordance with the program stored in the memory device 1003. The interface device 1005 is used as an interface for connecting to a network or a quantum processor, etc. The display device 1006 displays a GUI (Graphical User Interface) or the like according to a program. The input device 1007 is composed of a keyboard and mouse, buttons, a touch panel, etc., and is used to input various operational instructions. The output device 1008 outputs the results of calculations.

(実施の形態の効果)
以上説明したとおり、本実施の形態に係る異常検知技術により、通常であれば長時間宇宙線にさらされている誤り訂正機構を動的に保護することができる。保護する手続きとしては、一時的にバーストエラーの影響を受けた論理量子ビットの符号距離を大きくする手法と、誤りの推定をバーストエラーの影響を踏まえて再実行する手法の二つがある。これらの組み合わせにより、バーストエラーの影響により増加する論理量子ビットのエラーレートを大幅に低減することができる。
(Effects of the embodiment)
As described above, the anomaly detection technique according to the present embodiment can dynamically protect the error correction mechanism that is normally exposed to cosmic rays for a long time. There are two protection procedures: a method of temporarily increasing the code distance of the logical quantum bit affected by the burst error, and a method of re-executing the error estimation taking into account the effect of the burst error. By combining these, it is possible to significantly reduce the error rate of the logical quantum bit that increases due to the effect of the burst error.

異常を検知した際に、一時的にバーストエラーの影響を受けた論理量子ビットの符号距離を大きくする手法と、誤りの推定をバーストエラーの影響を踏まえて再実行する手法の両方を用いることで大きな効果が得られる。ただし、一時的にバーストエラーの影響を受けた論理量子ビットの符号距離を大きくする手法と、誤りの推定をバーストエラーの影響を踏まえて再実行する手法のうちのいずれか一方のみを使用することとしてもよい。 When an abnormality is detected, significant effects can be achieved by using both a method of temporarily increasing the code distance of a logical quantum bit affected by a burst error and a method of re-estimating the error taking into account the effects of the burst error. However, it is also possible to use only one of the methods of temporarily increasing the code distance of a logical quantum bit affected by a burst error and re-estimating the error taking into account the effects of the burst error.

(付記)
以上の実施形態に関し、更に以下の付記項を開示する。
(付記項1)
量子誤り訂正符号を構成する複数の量子ビットを備える量子プロセッサに対する制御を実行する制御装置であって、
メモリと、
前記メモリに接続された少なくとも1つのプロセッサと、
を含み、
前記プロセッサは、
前記量子プロセッサから周期的に取得したシンドローム値に基づいて、前記量子プロセッサにおける量子ビットに異常が発生した領域を検出し、
前記異常の検出がなされた場合に、前記領域における論理量子ビットの符号距離を大きくするように量子誤り訂正符号を変形する処理と、前記異常の検出がなされた場合に、過去に遡って、前記領域の情報を用いて、量子ビットの誤りの推定を再実行する処理のうちの少なくともいずれか1つを実行する
制御装置。
(付記項2)
前記プロセッサは、ある期間において、所定の値のシンドローム値の個数が閾値よりも大きい場合に、当該シンドローム値に対応する位置に異常が発生したと判断する
付記項1に記載の制御装置。
(付記項3)
前記プロセッサは、量子ビットが平常状態に回復した後に、量子誤り訂正符号を変形前の符号に戻す
付記項1に記載の制御装置。
(付記項4)
前記プロセッサは、量子ビットの誤りを推定するために、複数の周期にわたるシンドローム値に対応する複数のノードと辺からなる3次元グラフにおいて、所定の値を持つノードと所定の値を持つ他のノードとのマッチングを、最小重み完全マッチング問題の解として求める際に、前記領域における辺の重みを、前記領域以外の部分における辺の重みよりも小さくする
付記項1に記載に制御装置。
(付記項5)
付記項1ないし4のうちいずれか1項に記載の前記制御装置と、前記量子プロセッサとを備える量子計算機。
(付記項6)
量子誤り訂正符号を構成する複数の量子ビットを備える量子プロセッサに対する制御を実行する制御装置として使用されるコンピュータにより行われる制御方法であって、
前記量子プロセッサから周期的に取得したシンドローム値に基づいて、前記量子プロセッサにおける量子ビットに異常が発生した領域を検出し、
前記異常の検出がなされた場合に、前記領域における論理量子ビットの符号距離を大きくするように量子誤り訂正符号を変形する処理と、前記異常の検出がなされた場合に、過去に遡って、前記領域の情報を用いて、量子ビットの誤りの推定を再実行する処理のうちの少なくともいずれか1つを実行する
制御方法。
(付記項7)
コンピュータを、付記項1ないし4のうちいずれか1項に記載の制御装置における各部として機能させるためのプログラムを記憶した非一時的記憶媒体。
(Additional Note)
The following supplementary items are further disclosed regarding the above-described embodiment.
(Additional note 1)
A control device that controls a quantum processor having a plurality of quantum bits that configure a quantum error correcting code,
Memory,
at least one processor coupled to the memory;
Including,
The processor,
detecting a region in which an anomaly has occurred in a quantum bit in the quantum processor based on syndrome values periodically acquired from the quantum processor;
a control device that executes at least one of a process of modifying a quantum error correcting code so as to increase the code distance of a logical quantum bit in the region when the abnormality is detected, and a process of going back in time and re-estimating an error in the quantum bit using information from the region when the abnormality is detected.
(Additional note 2)
The control device according to claim 1, wherein the processor determines that an abnormality has occurred at a position corresponding to a syndrome value when the number of syndrome values having a predetermined value in a certain period of time is greater than a threshold value.
(Additional note 3)
The control device according to claim 1, wherein the processor restores the quantum error correcting code to the code before the transformation after the quantum bit has recovered to a normal state.
(Additional note 4)
The control device described in Appendix 1, wherein the processor, in order to estimate a quantum bit error, makes the weight of the edge in the region smaller than the weight of the edge in a portion other than the region when searching for a match between a node having a predetermined value and another node having a predetermined value as a solution to a minimum weight perfect matching problem in a three-dimensional graph consisting of a plurality of nodes and edges corresponding to syndrome values over a plurality of periods.
(Additional note 5)
5. A quantum computer comprising the control device according to claim 1 and the quantum processor.
(Additional note 6)
A control method performed by a computer used as a control device for controlling a quantum processor having a plurality of quantum bits constituting a quantum error correcting code, comprising:
detecting a region in which an anomaly has occurred in a quantum bit in the quantum processor based on syndrome values periodically acquired from the quantum processor;
a control method for performing at least one of the following processes: when the abnormality is detected, a process of modifying a quantum error correcting code so as to increase the code distance of a logical quantum bit in the region; and when the abnormality is detected, a process of going back in time and re-estimating an error in the quantum bit using information from the region.
(Supplementary Note 7)
A non-transitory storage medium storing a program for causing a computer to function as each unit in the control device according to any one of claims 1 to 4.

以上、本実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
[参考文献]
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[3] Holmes, Adam, et al. "NISQ+: Boosting quantum computing power by approximating quantum error correction." 2020 ACM/IEEE 47th Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA). IEEE, 2020.
[4] Fu, Xiang, et al. "A heterogeneous quantum computer architecture." Proceedings of the ACM International Conference on Computing Frontiers. 2016.
[5] Bombin, H., & Martin-Delgado, M. A. (2009). "Quantum measurements and gates by code deformation". Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, 42(9), 095302.
[6] Horsman, C., Fowler, A. G., Devitt, S., & Van Meter, R. (2012).
"Surface code quantum computing by lattice surgery". New Journal of Physics, 14(12), 123011.
Although the present embodiment has been described above, the present invention is not limited to such a specific embodiment, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist of the present invention described in the claims.
[References]
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[6] Horsman, C., Fowler, AG, Devitt, S., & Van Meter, R. (2012).
"Surface code quantum computing by lattice surgery". New Journal of Physics, 14(12), 123011.

100 制御装置
110 ホストCPU
120 量子古典インタフェース
121 ADコンバータ
122 DAコンバータ
130 古典制御ユニット
131 測定結果抽出部
132 古典レジスタ
133 シンドローム抽出部
134 シンドロームバッファ
135 デコード部
136 パウリフレーム
137 アノマリ検出部
138 アクティブノードカウンタ
139 マッチングバッファ
140 命令バッファ
141 スタビライザマップ
142 スタビライザ割当部
143 命令デコード部
144 拡張バッファ
145 命令ヒストリバッファ
200 量子プロセッサ、量子ビットプレーン
300 量子計算機
301 異常検出部
302 符号拡張部
303 再実行部
1000 ドライブ装置
1001 記録媒体
1002 補助記憶装置
1003 メモリ装置
1004 CPU
1005 インタフェース装置
1006 表示装置
1007 入力装置
1008 出力装置
100 Control device 110 Host CPU
120 Quantum-classical interface 121 AD converter 122 DA converter 130 Classical control unit 131 Measurement result extraction unit 132 Classical register 133 Syndrome extraction unit 134 Syndrome buffer 135 Decode unit 136 Pauli frame 137 Anomaly detection unit 138 Active node counter 139 Matching buffer 140 Instruction buffer 141 Stabilizer map 142 Stabilizer allocation unit 143 Instruction decoding unit 144 Extension buffer 145 Instruction history buffer 200 Quantum processor, quantum bit plane 300 Quantum computer 301 Anomaly detection unit 302 Code extension unit 303 Re-execution unit 1000 Drive device 1001 Recording medium 1002 Auxiliary storage device 1003 Memory device 1004 CPU
1005 Interface device 1006 Display device 1007 Input device 1008 Output device

Claims (7)

量子誤り訂正符号を構成する複数の量子ビットを備える量子プロセッサに対する制御を実行する制御装置であって、
前記量子プロセッサから周期的に取得したシンドローム値に基づいて、前記量子プロセッサにおける量子ビットに異常が発生した領域を検出する異常検出部、及び、
前記異常検出部により異常の検出がなされた場合に、前記領域における論理量子ビットの符号距離を大きくするように量子誤り訂正符号を変形する符号拡張部と、前記異常検出部により異常の検出がなされた場合に、過去に遡って、前記領域の情報を用いて、量子ビットの誤りの推定を再実行する再実行部とのうちの少なくともいずれか1つ
を備える制御装置。
A control device that controls a quantum processor having a plurality of quantum bits that configure a quantum error correcting code,
an anomaly detection unit that detects an area where an anomaly has occurred in a quantum bit in the quantum processor based on a syndrome value periodically acquired from the quantum processor; and
a code extension unit that modifies a quantum error correcting code to increase a code distance of a logical quantum bit in the region when an abnormality is detected by the anomaly detection unit, and a re-execution unit that, when an abnormality is detected by the anomaly detection unit, goes back in time and re-executes an estimate of an error in the quantum bit using information of the region.
前記異常検出部は、ある期間において、所定の値のシンドローム値の個数が閾値よりも大きい場合に、当該シンドローム値に対応する位置に異常が発生したと判断する
請求項1に記載の制御装置。
The control device according to claim 1 , wherein the anomaly detection unit determines that an anomaly has occurred at a position corresponding to a syndrome value when the number of syndrome values having a predetermined value in a certain period is greater than a threshold value.
前記符号拡張部は、量子ビットが平常状態に回復した後に、量子誤り訂正符号を変形前の符号に戻す
請求項1に記載の制御装置。
The control device according to claim 1 , wherein the code extension unit restores the quantum error correcting code to the code before the transformation after the quantum bit has recovered to a normal state.
前記再実行部は、量子ビットの誤りを推定するために、複数の周期にわたるシンドローム値に対応する複数のノードと辺からなる3次元グラフにおいて、所定の値を持つノードと所定の値を持つ他のノードとのマッチングを、最小重み完全マッチング問題の解として求める際に、前記領域における辺の重みを、前記領域以外の部分における辺の重みよりも小さくする
請求項1に記載に制御装置。
2. The control device according to claim 1, wherein the re-execution unit, in order to estimate quantum bit errors, makes the weight of the edge in the region smaller than the weight of the edge in a portion other than the region when searching for a matching between a node having a predetermined value and another node having a predetermined value as a solution to a minimum weight perfect matching problem in a three-dimensional graph consisting of a plurality of nodes and edges corresponding to syndrome values over a plurality of periods.
請求項1ないし4のうちいずれか1項に記載の前記制御装置と、前記量子プロセッサとを備える量子計算機。 A quantum computer comprising the control device according to any one of claims 1 to 4 and the quantum processor. 量子誤り訂正符号を構成する複数の量子ビットを備える量子プロセッサに対する制御を実行する制御装置により行われる制御方法であって、
前記量子プロセッサから周期的に取得したシンドローム値に基づいて、前記量子プロセッサにおける量子ビットに異常が発生した領域を検出し、
前記異常の検出がなされた場合に、前記領域における論理量子ビットの符号距離を大きくするように量子誤り訂正符号を変形する処理と、前記異常の検出がなされた場合に、過去に遡って、前記領域の情報を用いて、量子ビットの誤りの推定を再実行する処理のうちの少なくともいずれか1つを実行する
制御方法。
A control method performed by a control device that controls a quantum processor having a plurality of quantum bits that constitute a quantum error correcting code, comprising:
detecting a region in which an anomaly has occurred in a quantum bit in the quantum processor based on syndrome values periodically acquired from the quantum processor;
a control method for performing at least one of the following processes: when the abnormality is detected, a process of modifying a quantum error correcting code so as to increase the code distance of a logical quantum bit in the region; and when the abnormality is detected, a process of going back in time and re-estimating an error in the quantum bit using information from the region.
コンピュータを、請求項1ないし4のうちいずれか1項に記載の制御装置における各部として機能させるためのプログラム。 A program for causing a computer to function as each part of a control device according to any one of claims 1 to 4.
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