Surface code error correction offers a highly promising pathway to achieve scalable fault-tolerant quantum computing. When operated as stabiliser codes, surface code computations consist of a syndrome decoding step where measured stabiliser operators are used to determine appropriate corrections for errors in physical qubits. Decoding algorithms have undergone substantial development, with recent work incorporating machine learning (ML) techniques. Despite promising initial results, the ML-based syndrome decoders are still limited to small scale demonstrations with low latency and are incapable of handling surface codes with boundary conditions and various shapes needed for lattice surgery and braiding. Here, we report the development of an artificial neural network (ANN) based scalable and fast syndrome decoder capable of decoding surface codes of arbitrary shape and size with data qubits suffering from a variety of noise models including depolarising errors, biased noise, and spatially inhomogeneous noise. Based on rigorous training over 50 million random quantum error instances, our ANN decoder is shown to work with code distances exceeding 1000 (more than 4 million physical qubits), which is the largest ML-based decoder demonstration to-date. The established ANN decoder demonstrates an execution time in principle independent of code distance, implying that its implementation on dedicated hardware could potentially offer surface code decoding times of O($\mu$sec), commensurate with the experimentally realisable qubit coherence times. With the anticipated scale-up of quantum processors within the next decade, their augmentation with a fast and scalable syndrome decoder such as developed in our work is expected to play a decisive role towards experimental implementation of fault-tolerant quantum information processing.


翻译:表面代码错误校正提供了非常有希望的实现可缩放的防错量计算的途径。 当以稳定码代码操作时, 表面代码的计算包含一个综合解码步骤, 使用测量的稳定化操作员来确定物理平方块错误的适当校正。 解码算法经历了重大的发展, 最近的工作包括机器学习技术。 尽管初步结果令人充满希望, 以 ML 为基础的综合解码器仍然局限于小规模的显示, 且不能够用边界条件和各种形状处理表面代码。 在这里, 我们报告一个基于可缩放的快速解码操作员的人工神经网络( ANN) 的开发, 能够解码任意形状和尺寸的表面代码。 解码算算算算算算算算算算算算算算法, 包括解波纹错误、 有偏差的噪音和空间不相容的噪音。 通过严格训练, 超过5,000万个随机量误差的内, 我们的货币计算器显示其代码在下一个距离超过1000个( 超过400万个物理比值) 的快速解码解码, 快速解码解码解解码解码解码的系统, 显示其直径的直径值的直径比值是直径的直径直径的直径的直径的操作的操作的操作的操作, 。

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Surface 是微软公司( Microsoft)旗下一系列使用 Windows 10(早期为 Windows 8.X)操作系统的电脑产品,目前有 Surface、Surface Pro 和 Surface Book 三个系列。 2012 年 6 月 18 日,初代 Surface Pro/RT 由时任微软 CEO 史蒂夫·鲍尔默发布于在洛杉矶举行的记者会,2012 年 10 月 26 日上市销售。
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