DOI: https://doi.org/10.1109/access.2026.3672056
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Leanghok Hour وآخرون
الموضوع الرئيسي: خوارزميات وهندسة الحوسبة الكمومية
نظرة عامة
في هذا البحث، نقدم تقنية جديدة للطي الواعي بالضوضاء مصممة لتعزيز الاستقراء بدون ضوضاء (ZNE) لتخفيف الأخطاء الكمومية (QEM) في الحوسبة الكمومية. تواجه المعالجات الحالية التي تحتوي على ألف كيوبت قيودًا في تصحيح الأخطاء الكمومية (QEC)، مما يستدعي الحاجة إلى استراتيجيات فعالة لتخفيف الأخطاء الكمومية. تختلف طريقتنا عن طرق ZNE التقليدية التي تفترض توزيعًا موحدًا للأخطاء؛ بدلاً من ذلك، تستخدم بيانات المعايرة بناءً على نماذج ضوضاء الأجهزة المحددة لإعادة توزيع الضوضاء بشكل أكثر فعالية. من خلال دمج طريقة تجميع متكيفة مع الضوضاء مع آلية الطي الخاصة بنا، نحسن بشكل كبير دقة ZNE في الحواسيب الكمومية فائقة التوصيل.
تظهر النتائج التجريبية أن طريقتنا تحقق تحسينًا بنسبة 35% في الدقة على محاكيات الحواسيب الكمومية و31% تحسينًا على الحواسيب الكمومية الفعلية مقارنة بتقنيات الطي الحالية. بينما تظهر طريقتنا وعدًا في تحسين دقة النتائج وموثوقيتها، تواجه تحديات عند التوسع إلى دوائر أكبر، مما يشير إلى الحاجة إلى مزيد من التحسين. ستركز الأعمال المستقبلية على تحسين هذه الطريقة لتعزيز قابليتها للتوسع وتطبيقها، مما يدفع في النهاية تخفيف الأخطاء الكمومية نحو تحقيق حسابات كمومية خالية من الأخطاء.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التقدم الكبير في الحوسبة الكمومية (QC)، مع الإشارة بشكل خاص إلى تطوير IBM لمعالجات تحتوي على أكثر من ألف كيوبت ورقائق تقليل التداخل المحسنة. على الرغم من هذه التحسينات، فإن القيود الحالية للأجهزة تعيق تنفيذ تصحيح الأخطاء الكمومية (QEC)، والذي من المتوقع أن يكون قابلاً للتطبيق بحلول الثلاثينيات. في هذه الأثناء، يتم استخدام تقنيات تخفيف الأخطاء الكمومية (QEM) لتحسين دقة المخرجات، على الرغم من تكلفة موارد كمومية وكلاسيكية إضافية. تم اقتراح طرق مختلفة لتخفيف الأخطاء الكمومية، بما في ذلك إلغاء الأخطاء الاحتمالية، والاستقراء بدون ضوضاء (ZNE)، وفصل ديناميكي، من بين أمور أخرى.
تركز هذه الدراسة على تقنية ZNE، التي تضخم البرامج الكمومية إلى مستويات ضوضاء مختلفة من خلال تمديد فترات البوابة، مما يسمح باستقراء النتائج لتقدير القيم الخالية من الضوضاء. ومع ذلك، فإن الطرق الحالية لتضخيم الضوضاء غالبًا ما تتجاهل عدم توازن الأخطاء داخل أنظمة الحوسبة الكمومية، مما قد يؤدي إلى نتائج متحيزة. لمعالجة ذلك، يقترح المؤلفون طريقة طي واعية بالضوضاء تعيد توزيع الضوضاء عبر الدوائر الكمومية من خلال الاستفادة من نماذج بيانات المعايرة. تهدف هذه الطريقة إلى موازنة معدلات الأخطاء عبر الكيوبتات المنطقية، مما يعزز دقة نتائج ZNE. توضح الورقة مساهمات الطريقة المقترحة، وتكاملها مع نماذج الحوسبة المعتمدة على البوابات، وأدائها عبر نماذج ضوضاء مختلفة وحواسيب كمومية حقيقية، مما يمهد الطريق لمزيد من المناقشات في الأقسام اللاحقة.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون تنفيذ طرق قياس الضوضاء، مع التركيز بشكل خاص على تقنية الاستقراء بدون ضوضاء (ZNE)، التي تقيم ملاحظة تحت مستويات ضوضاء متغيرة لاستقراء قيمة خالية من الضوضاء. يتم تصنيف المنهجية إلى نوعين رئيسيين من الطي الوحدوي: عالمي ومحلي. يقوم الطي الوحدوي العالمي بتعديل الدائرة الكمومية بالكامل من خلال تكرارها وتطبيق عمليات تصحيحية، مما يؤدي إلى قياس الضوضاء بواسطة عامل صحيح فردي $\lambda = 1 + 2n$. يمكن توسيع عمق الدائرة المعدلة، مما يسمح بتحويل القياس $d \to \lambda d$. على العكس، يستهدف الطي الوحدوي المحلي البوابات أو الطبقات الفردية، ويطبق مبادئ القياس المماثلة على مجموعات فرعية من الدائرة، مما يقدم قنوات ضوضاء في مواضع مختلفة.
تتحقق الإعدادات التجريبية من صحة الطريقة المقترحة باستخدام نماذج ضوضاء كاملة من الحواسيب الكمومية المتاحة على منصة Qiskit. يتم استخدام دائرة بيرنشتاين-فازيراني (BV) كمعيار بسبب هيكلها البسيط والأثر الكبير لانتشار الضوضاء بين الكيوبتات. يوضح المؤلفون تكوين الدائرة، الذي يتضمن تهيئة الكيوبتات وتطبيق سلسلة من البوابات، مع تسليط الضوء على التحديات التي تطرحها قيود الاتصال في الحواسيب الكمومية. لضمان مقارنة عادلة عبر طرق الطي المختلفة، يتم تحويل الدوائر إلى أعلى مستوى من التحسين قبل عملية الطي. ينتهي القسم بالإشارة إلى أن جميع الدوائر التجريبية تم تنفيذها على حواسيب كمومية حقيقية، مما يمهد الطريق للتقييم اللاحق للنتائج.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تقنيتين بارزتين لتخفيف الأخطاء الكمومية (QEM): الاستقراء بدون ضوضاء (ZNE) وإلغاء الأخطاء الاحتمالية (PEC). ZNE مناسب بشكل خاص للدوائر الكمومية قصيرة العمق النموذجية للأجهزة الكمومية المتوسطة الضوضاء (NISQ)، بينما تتطلب PEC، على الرغم من كونها أكثر قوة ضد الضوضاء، موارد أكثر بشكل أسي مع زيادة تعقيد الدائرة. يقدم المؤلفون إطارًا رياضيًا لـ ZNE، حيث يتم تقدير القيمة المتوقعة لحساب كمومي، المشار إليها بـ $E(\lambda)$، تحت ظروف أخذ عينات محدودة، مما يؤدي إلى تقريب إحصائي $\hat{E}(\lambda) = E(\lambda) + \delta$. كما يقدمون نموذج الاستقراء الخطي، وهو نهج متعدد الحدود مبسط يسمح بالتنبؤ الفعال بالنتائج بناءً على معلمات القياس.
يقترح المؤلفون طريقة طي واعية بالضوضاء جديدة لتعزيز ZNE، والتي تعدل عدد البوابات في الدوائر الكمومية من خلال دمج نموذج ضوضاء محدد للأجهزة. تعالج هذه الطريقة قيود قياس الضوضاء الموحدة من خلال التكيف مع معدلات الأخطاء المتغيرة للكيوبتات الفيزيائية. تستخدم الطريقة المقترحة بيانات المعايرة لتحسين تخطيط الكيوبتات، مفضلة تلك ذات معدلات الأخطاء المنخفضة، وتقوم بشكل فعال بقياس معدلات الأخطاء داخل الدائرة. تظهر النتائج التجريبية أن هذه الطريقة الطي الواعية بالضوضاء تتفوق على تقنيات الاستقراء التقليدية، خاصة من حيث الموثوقية والاتساق عبر عدد الكيوبتات المتغيرة، مما يوفر طريقًا واعدًا لتحسين نتائج الحوسبة الكمومية في وجود الضوضاء.
DOI: https://doi.org/10.1109/access.2026.3672056
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Leanghok Hour et al.
Primary Topic: Quantum Computing Algorithms and Architecture
Overview
In this research, we present a novel noise-aware folding technique designed to enhance Zero-Noise Extrapolation (ZNE) for quantum error mitigation (QEM) in quantum computing. Current thousand-qubit processors face limitations in quantum error correction (QEC), prompting the need for effective QEM strategies. Our approach diverges from traditional ZNE methods that assume uniform error distribution; instead, it utilizes calibration data based on specific hardware noise models to redistribute noise more effectively. By integrating a noise-adaptive compilation method with our folding mechanism, we significantly improve the accuracy of ZNE in superconducting quantum computers.
Experimental results demonstrate that our method achieves a 35% improvement in fidelity on quantum computer simulators and a 31% enhancement on actual quantum computers compared to existing folding techniques. While our approach shows promise in improving result fidelity and reliability, it encounters challenges when scaling to larger circuits, indicating a need for further optimization. Future work will focus on refining this method to enhance its scalability and applicability, ultimately advancing quantum error mitigation towards achieving error-free quantum computations.
Introduction
The introduction of this research paper highlights significant advancements in quantum computing (QC), particularly noting IBM’s development of processors with over a thousand qubits and enhanced crosstalk chips. Despite these improvements, current hardware limitations hinder the implementation of quantum error correction (QEC), which is anticipated to be viable by the 2030s. In the interim, quantum error mitigation (QEM) techniques are employed to improve output fidelity, albeit at the cost of additional quantum and classical resources. Various QEM methods have been proposed, including probabilistic error cancellation, zero-noise extrapolation (ZNE), and dynamical decoupling, among others.
The focus of this study is on the ZNE technique, which amplifies quantum programs to different noise levels by stretching gate durations, allowing for the extrapolation of results to estimate noiseless values. However, existing methods for amplifying noise often overlook error imbalances within QC systems, potentially leading to biased results. To address this, the authors propose a noise-aware folding method that redistributes noise across quantum circuits by leveraging calibration data noise models. This approach aims to balance error rates across logical qubits, thereby enhancing the accuracy of ZNE results. The paper outlines the contributions of the proposed method, its integration with gate-based computation models, and its performance across various noise models and real quantum computers, setting the stage for further discussions in subsequent sections.
Methods
In this section, the authors describe the implementation of noise scaling methods, specifically focusing on the Zero Noise Extrapolation (ZNE) technique, which assesses an observable under varying noise levels to extrapolate a noiseless value. The methodology is categorized into two primary types of unitary folding: global and local. Global unitary folding modifies the entire quantum circuit by duplicating it and applying corrective operations, effectively scaling the noise by an odd integer factor $\lambda = 1 + 2n$. The depth of the modified circuit can be extended, allowing for a scaling transformation $d \to \lambda d$. Conversely, local unitary folding targets individual gates or layers, applying similar scaling principles to subsets of the circuit, which introduces noise channels at various positions.
The experimental setup validates the proposed method using full-noise models from quantum computers available on the Qiskit platform. The Bernstein-Vazirani (BV) circuit is employed as a benchmark due to its straightforward structure and the significant impact of noise propagation among qubits. The authors detail the circuit’s configuration, which involves initializing qubits and applying a series of gates, highlighting the challenges posed by connectivity constraints in quantum computers. To ensure a fair comparison across different folding methods, the circuits are transpiled at the highest optimization level before the folding process. The section concludes by indicating that all experimental circuits were executed on real quantum computers, setting the stage for the subsequent evaluation of results.
Discussion
In this section, the authors discuss two prominent quantum error mitigation (QEM) techniques: Zero-Noise Extrapolation (ZNE) and Probabilistic Error Cancellation (PEC). ZNE is particularly suited for short-depth quantum circuits typical of Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) devices, while PEC, although more robust against noise, demands exponentially more resources as circuit complexity increases. The authors present a mathematical framework for ZNE, where the expected value of a quantum computation, denoted as $E(\lambda)$, is estimated under finite sampling conditions, leading to a statistical approximation $\hat{E}(\lambda) = E(\lambda) + \delta$. They also introduce the linear extrapolation model, a simplified polynomial approach that allows for efficient prediction of outcomes based on scaling parameters.
The authors propose a novel noise-aware folding method to enhance ZNE, which adjusts the gate count of quantum circuits by incorporating a noise model specific to the hardware. This method addresses the limitations of uniform noise scaling by adapting to the varying error rates of physical qubits. The proposed approach utilizes calibration data to optimize qubit mapping, favoring those with lower error rates, and effectively scales error rates within the circuit. Experimental results demonstrate that this noise-aware folding method outperforms traditional extrapolation techniques, particularly in terms of reliability and consistency across varying qubit counts, thereby offering a promising avenue for improving quantum computation outcomes in the presence of noise.