IBMは、Qiskit Pauliceという名称の新しい拡張機能をQiskitエコシステムに追加した。この拡張機能は、回路の実行中にエラーを検出し、その影響を受けた可能性が高い結果を選別することで、量子回路の信頼性を向上させることを目的としている。このツールは、「時空間パウリチェック」（spacetime Pauli checks）と呼ばれる量子チェックを基盤としており、ハードウェアと実行要件への追加を限定したうえで、回路内に直接組み込む。
この拡張機能は、現在の量子コンピューターにおけるエラーへの対処方法を発展させる取り組みの一環である。完全にフォールトトレラントな量子コンピューティングには、依然として複雑なハードウェアと多数の量子ビットが必要となる。IBMは、現在開発されているエラー対処技術が、大規模でフォールトトレラントな量子コンピューティングの実現に役立つとしている。そこでは計算中にエラーが訂正され、2029年までの実現を目指している。
Pauliceの仕組み
量子エラーへの対処方法は、通常、エラー抑制、エラー緩和、エラー訂正の3つのグループに分類される。エラー検出は独立した分類ではなく、特定の回路実行がエラーの影響を受けたかどうかを確認するため、エラー訂正や一部のエラー緩和手法の基本的な構成要素となる。
従来の手法では、計算を実行するデータ量子ビットと、他の量子ビットを監視してエラーの兆候を取得するancillaと呼ばれる補助量子ビットを併用する。しかし、これらの量子ビットと関連する操作を導入すると、回路の深さが増し、追加操作によって、検出されるエラー以上のエラーが発生する場合がある。Pauliceは、回路そのものの内部に選択したチェックを配置することで、この問題に対処するよう設計されている。
各パウリチェックは、回路の実行中に維持されると想定される制約を表す。エラーによってこの制約が破られると、それは「シンドローム」測定に現れる。これはエラーの検出を示すビット列である。シンドロームがゼロで構成されている場合、エラーは検出されなかったことを意味する。一方、1が1つでもあれば、使用したチェックに従ってエラーが存在することを示す。
空間と時間を考慮したチェック
時空間チェックは、ハードウェア空間に存在する量子ビットだけで制約を定めるのではなく、回路実行内の特定の時点にも制約を配置する点で、従来のチェックと異なる。これにより、計算の広い範囲にわたってエラーを監視できる。また、特に量子ビット間の接続が限られたデバイスで回路の深さを増加させる可能性がある、高重み演算子の測定に伴うコストの一部を回避できる。
すべてのチェックが同じ程度に有用であるとは限らない。各チェックは追加のノイズを生み出す可能性のある操作を加えるためである。そのため、qiskit-pauliceパッケージは、デバイスのノイズモデルと接続制約を用いて、有効で低重みかつエラー検出に効果的なチェックを選択する。IBMによれば、この自動化された処理により、量子ビット数と回路の深さにかかるコストを抑えながら、検出能力を高められる。
実際の利用で可能になること
回路の実行後、シンドローム情報はさまざまな方法で利用できる。最も単純な方法は、エラーが検出されなかった実行結果を保持し、エラーの兆候が現れた実行結果を破棄することである。この処理によって、Pauliceはポストセレクション型エラー訂正（postselected error correction）の一形態となる。また、シンドローム情報を他のエラー緩和またはエラー訂正手法と組み合わせることもできる。
このツールは、特にClifford回路およびCliffordが支配的な回路をサポートしている。例えば、Hadamard、Phase、CNOTゲートに基づく回路である。これらの回路は、その振る舞いを数学的に理解でき、従来型コンピューター上で効率的にシミュレーションできるため、エラー対処方法の開発とテストに適している。
この拡張機能には、12量子ビットとエンタングリングゲート4層からなるClifford回路を構築し、デバイスの接続性に応じてデータ量子ビットと補助量子ビットを特定し、プラットフォームのデータからノイズモデルを作成する学習パスが含まれている。資料の例では、このツールは回路に7つのチェックを追加した。その後のチュートリアルでは、チェック付き回路の実行、サンプリング、シンドロームの検査、エラーのないサンプルの選別、エラー検出前後における結果の精度の比較について説明している。
提供状況と今後の開発
Qiskit Pauliceのドキュメントとチュートリアルに加えて、オープンソースの拡張機能をダウンロードするためのGitHubリポジトリも提供されている。IBMによれば、チームはCliffordに属さない系への対応、ポストセレクション後のノイズチャネルの分析、チェック選択時におけるアイドルノイズへの対応の改善を計画している。また、資料では、大規模なランダムグラフ状態のサンプリングに関連して、IBMとシカゴ大学による実験で時空間チェックの概念が使用されたことにも触れている。