Combining hard and soft decoders for hypergraph product codes

Hypergraph product codes are a class of constant-rate quantum low-density parity-check (LDPC) codes equipped with a linear-time decoder called small-set-flip (SSF). This decoder displays sub-optimal performance in practice and requires very large error correcting codes to be effective. In this work, we present new hybrid decoders that combine the belief propagation (BP) algorithm with the SSF decoder. We present the results of numerical simulations when codes are subject to independent bit-flip and phase-flip errors. We provide evidence that the threshold of these codes is roughly 7.5% assuming an ideal syndrome extraction, and remains close to 3% in the presence of syndrome noise. This result subsumes and significantly improves upon an earlier work by Grospellier and Krishna (arXiv:1810.03681). The low-complexity high-performance of these heuristic decoders suggests that decoding should not be a substantial difficulty when moving from zero-rate surface codes to constant-rate LDPC codes and gives a further hint that such codes are well-worth investigating in the context of building large universal quantum computers.Comment: 17 pages, 4 figures. Comments welcom

Improving Scalability and Maintenance of Software for High-Performance Scientific Computing by Combining MDE and Frameworks

International audienceIn recent years, numerical simulation has attracted increasing interest within industry and among academics. Paradoxically, the development and maintenance of high performance scientific computing software has become more complex due to the diversification of hardware architectures and their related programming languages and libraries. In this paper, we share our experience in using model-driven development for numerical simulation software. Our approach called MDE4HPC proposes to tackle development complexity by using a domain specific modeling language to describe abstract views of the software. We present and analyse the results obtained with its implementation when deriving this abstract model to target Arcane, a development framework for 2D and 3D numerical simulation software

Combining hard and soft decoders for hypergraph product codes

International audienceHypergraph product codes are a class of constant-rate quantum low-density parity-check (LDPC) codes equipped with a linear-time decoder called small-set-flip (SSF). This decoder displays sub-optimal performance in practice and requires very large error correcting codes to be effective. In this work, we present new hybrid decoders that combine the belief propagation (BP) algorithm with the SSF decoder. We present the results of numerical simulations when codes are subject to independent bit-flip and phase-flip errors. We provide evidence that the threshold of these codes is roughly 7.5% assuming an ideal syndrome extraction, and remains close to 3% in the presence of syndrome noise. This result subsumes and significantly improves upon an earlier work by Grospellier and Krishna (arXiv:1810.03681). The low-complexity high-performance of these heuristic decoders suggests that decoding should not be a substantial difficulty when moving from zero-rate surface codes to constant-rate LDPC codes and gives a further hint that such codes are well-worth investigating in the context of building large universal quantum computers

MDE in Practice for Computational Science

International audienceThe complex problems that computational science addresses are more and more benefiting from the progress of computing facilities (simulators, librairies, accessible languages,. . .). Nevertheless , the actual solutions call for several improvements. Among those, we address in this paper the needs for leveraging on knowledge and expertise by focusing on Domain-Specific Mod-eling Languages application. In this vision paper we illustrate, through concrete experiments, how the last DSML research help getting closer the problem and implementation spaces

Constant time decoding of quantum expander codes and application to fault-tolerant quantum computation

Le calcul quantique tolérant aux fautes est un ensemble de techniques dont le but est d'effectuer des calculs quantiques de manière fiable en utilisant des composants bruités. Dans ce contexte, l'utilisation de codes correcteurs quantiques maintient le nombre d'erreurs présentes dans le système en dessous d'un seuil tolérable. L'un des principaux problèmes de ce domaine est d'évaluer le coût minimum (en mémoire et en temps) nécessaire pour transformer un calcul quantique idéal en un calcul tolérant aux fautes. Dans cette thèse, nous montrons que la famille des codes expanseurs quantiques associée à l'algorithme de décodage small-set-flip peut être utilisée dans la construction de ref. [arXiv:1310.2984] pour réaliser du calcul quantique tolérant aux fautes avec coût constant en mémoire. La famille de codes correcteurs ainsi que le décodeur que nous étudions ont été introduits dans ref. [arXiv:1504.00822] où un modèle de bruit adverse est considéré. En nous appuyant sur les résultats de cet article, nous analysons le comportement des codes expanseurs quantiques face à un modèle de bruit stochastique qui est pertinent dans le cadre du calcul tolérant aux fautes [arXiv:1711.08351], [arXiv:1808.03821]. De plus, nous montrons que l'algorithme de décodage peut être parallélisé pour fonctionner en temps constant. Cette propriété est essentielle pour éviter que les erreurs ne s'accumulent pendant que l'algorithme est exécuté. Au-delà des résultats théoriques décrits ci-dessus, nous avons effectué une analyse numérique des codes expanseurs quantiques dans le but d'évaluer leurs performances en pratique [arXiv:1810.03681]. Le modèle de bruit choisi pour ces simulations consiste à générer des erreurs de types X et Z de manière indépendante et identiquement distribuée sur les qubits. Les résultats obtenus pour ces codes de rendement constant sont prometteurs puisque nos simulations montrent que leur seuil est décent et que leurs performances à taille finie sont bonnes.Fault tolerant quantum computation is a technique to perform reliable quantum computation using noisy components. In this context, quantum error correcting codes are used to keep the amount of errors under a sustainable threshold. One of the main problems of this field is to determine the minimum cost, in terms of memory and time, which is needed in order to transform an ideal quantum computation into a fault-tolerant one. In this PhD thesis, we show that the family of quantum expander codes and the small-set-flip decoder can be used in the construction of ref. [arXiv:1310.2984] to produce a fault-tolerant quantum circuit with constant space overhead. The error correcting code family and the decoder that we study has been introduced in ref. [arXiv:1504.00822] where an adversarial error model was examined. Based on the results of this article, we analyze quantum expander codes subjected to a stochastic error model which is relevant for fault-tolerant quantum computation [arXiv:1711.08351], [arXiv:1808.03821]. In addition, we show that the decoding algorithm can be parallelized to run in constant time. This is very relevant to prevent errors from accumulating while the decoding algorithm is running. Beyond the theoretical results described above, we perform a numerical analysis of quantum expander codes to measure their performance in practice [arXiv:1810.03681]. The error model used during these simulations generates X and Z type errors on the qubits with an independent and identically distributed probability distribution. Our results are promising because they reveal that these constant rate codes have a decent threshold and good finite length performance

Décodage des codes expanseurs quantiques et application au calcul quantique tolérant aux fautes

Fault tolerant quantum computation is a technique to perform reliable quantum computation using noisy components. In this context, quantum error correcting codes are used to keep the amount of errors under a sustainable threshold. One of the main problems of this field is to determine the minimum cost, in terms of memory and time, which is needed in order to transform an ideal quantum computation into a fault-tolerant one. In this PhD thesis, we show that the family of quantum expander codes and the small-set-flip decoder can be used in the construction of ref. [arXiv:1310.2984] to produce a fault-tolerant quantum circuit with constant space overhead. The error correcting code family and the decoder that we study has been introduced in ref. [arXiv:1504.00822] where an adversarial error model was examined. Based on the results of this article, we analyze quantum expander codes subjected to a stochastic error model which is relevant for fault-tolerant quantum computation [arXiv:1711.08351], [arXiv:1808.03821]. In addition, we show that the decoding algorithm can be parallelized to run in constant time. This is very relevant to prevent errors from accumulating while the decoding algorithm is running. Beyond the theoretical results described above, we perform a numerical analysis of quantum expander codes to measure their performance in practice [arXiv:1810.03681]. The error model used during these simulations generates X and Z type errors on the qubits with an independent and identically distributed probability distribution. Our results are promising because they reveal that these constant rate codes have a decent threshold and good finite length performance.Le calcul quantique tolérant aux fautes est un ensemble de techniques dont le but est d'effectuer des calculs quantiques de manière fiable en utilisant des composants bruités. Dans ce contexte, l'utilisation de codes correcteurs quantiques maintient le nombre d'erreurs présentes dans le système en dessous d'un seuil tolérable. L'un des principaux problèmes de ce domaine est d'évaluer le coût minimum (en mémoire et en temps) nécessaire pour transformer un calcul quantique idéal en un calcul tolérant aux fautes. Dans cette thèse, nous montrons que la famille des codes expanseurs quantiques associée à l'algorithme de décodage small-set-flip peut être utilisée dans la construction de ref. [arXiv:1310.2984] pour réaliser du calcul quantique tolérant aux fautes avec coût constant en mémoire. La famille de codes correcteurs ainsi que le décodeur que nous étudions ont été introduits dans ref. [arXiv:1504.00822] où un modèle de bruit adverse est considéré. En nous appuyant sur les résultats de cet article, nous analysons le comportement des codes expanseurs quantiques face à un modèle de bruit stochastique qui est pertinent dans le cadre du calcul tolérant aux fautes [arXiv:1711.08351], [arXiv:1808.03821]. De plus, nous montrons que l'algorithme de décodage peut être parallélisé pour fonctionner en temps constant. Cette propriété est essentielle pour éviter que les erreurs ne s'accumulent pendant que l'algorithme est exécuté. Au-delà des résultats théoriques décrits ci-dessus, nous avons effectué une analyse numérique des codes expanseurs quantiques dans le but d'évaluer leurs performances en pratique [arXiv:1810.03681]. Le modèle de bruit choisi pour ces simulations consiste à générer des erreurs de types X et Z de manière indépendante et identiquement distribuée sur les qubits. Les résultats obtenus pour ces codes de rendement constant sont prometteurs puisque nos simulations montrent que leur seuil est décent et que leurs performances à taille finie sont bonnes

Décodage des codes expanseurs quantiques et application au calcul quantique tolérant aux fautes

Fault tolerant quantum computation is a technique to perform reliable quantum computation using noisy components. In this context, quantum error correcting codes are used to keep the amount of errors under a sustainable threshold. One of the main problems of this field is to determine the minimum cost, in terms of memory and time, which is needed in order to transform an ideal quantum computation into a fault-tolerant one. In this PhD thesis, we show that the family of quantum expander codes and the small-set-flip decoder can be used in the construction of ref. [arXiv:1310.2984] to produce a fault-tolerant quantum circuit with constant space overhead. The error correcting code family and the decoder that we study has been introduced in ref. [arXiv:1504.00822] where an adversarial error model was examined. Based on the results of this article, we analyze quantum expander codes subjected to a stochastic error model which is relevant for fault-tolerant quantum computation [arXiv:1711.08351], [arXiv:1808.03821]. In addition, we show that the decoding algorithm can be parallelized to run in constant time. This is very relevant to prevent errors from accumulating while the decoding algorithm is running. Beyond the theoretical results described above, we perform a numerical analysis of quantum expander codes to measure their performance in practice [arXiv:1810.03681]. The error model used during these simulations generates X and Z type errors on the qubits with an independent and identically distributed probability distribution. Our results are promising because they reveal that these constant rate codes have a decent threshold and good finite length performance.Le calcul quantique tolérant aux fautes est un ensemble de techniques dont le but est d'effectuer des calculs quantiques de manière fiable en utilisant des composants bruités. Dans ce contexte, l'utilisation de codes correcteurs quantiques maintient le nombre d'erreurs présentes dans le système en dessous d'un seuil tolérable. L'un des principaux problèmes de ce domaine est d'évaluer le coût minimum (en mémoire et en temps) nécessaire pour transformer un calcul quantique idéal en un calcul tolérant aux fautes. Dans cette thèse, nous montrons que la famille des codes expanseurs quantiques associée à l'algorithme de décodage small-set-flip peut être utilisée dans la construction de ref. [arXiv:1310.2984] pour réaliser du calcul quantique tolérant aux fautes avec coût constant en mémoire. La famille de codes correcteurs ainsi que le décodeur que nous étudions ont été introduits dans ref. [arXiv:1504.00822] où un modèle de bruit adverse est considéré. En nous appuyant sur les résultats de cet article, nous analysons le comportement des codes expanseurs quantiques face à un modèle de bruit stochastique qui est pertinent dans le cadre du calcul tolérant aux fautes [arXiv:1711.08351], [arXiv:1808.03821]. De plus, nous montrons que l'algorithme de décodage peut être parallélisé pour fonctionner en temps constant. Cette propriété est essentielle pour éviter que les erreurs ne s'accumulent pendant que l'algorithme est exécuté. Au-delà des résultats théoriques décrits ci-dessus, nous avons effectué une analyse numérique des codes expanseurs quantiques dans le but d'évaluer leurs performances en pratique [arXiv:1810.03681]. Le modèle de bruit choisi pour ces simulations consiste à générer des erreurs de types X et Z de manière indépendante et identiquement distribuée sur les qubits. Les résultats obtenus pour ces codes de rendement constant sont prometteurs puisque nos simulations montrent que leur seuil est décent et que leurs performances à taille finie sont bonnes

Numerical study of hypergraph product codes

10 pages, 2 figuresHypergraph product codes introduced by Tillich and Z\'emor are a class of quantum LDPC codes with constant rate and distance scaling with the square-root of the block size. Quantum expander codes, a subclass of these codes, can be decoded using the linear time small-set- flip algorithm of Leverrier, Tillich and Z\'emor. In this paper, we estimate numerically the performance for the hypergraph product codes under independent bit and phase flip noise. We focus on a family of hypergraph product codes with rate $1/61 \sim 1.6\%$ and report that the threshold is at least $4.5\%$ for the small-set-flip decoder. We also show that for similar rate, the performance of the hypergraph product is better than the performance of the toric code as soon as we deal with more than $1600$ logical qubits and that for $14400$ logical qubits, the logical error rate for the hypergraph product code is several orders of magnitude smaller

Numerical estimate of the threshold for quantum expander codes

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