[en] EFFICIENT SIMULATION OF ERRORS IN FUSION BASED QUANTUM MEMORY

[pt] SIMULAÇÃO EFICIENTE DE ERROS EM MEMÓRIA QUÂNTICA BASEADA EM FUSÃO

[pt] IVAN SEMENOVICH OGLOBLIN

[pt] COMPUTACAO QUANTICA BASEADA EM FUSAO

[pt] QUADRO DE PAULI

[pt] MEMORIA QUANTICA

[pt] QUBIT LOGICO

[pt] FORMALISMO ESTABILIZADOR

[en] FUSION BASED QUANTUM COMPUTING

[en] PAULI FRAME

[en] QUANTUM MEMORY

[en] LOGICAL QUBIT

[en] STABILIZING FORMALISMO

[pt] Esta tese investiga memória quântica tolerante a falhas em uma arquitetura fotônica baseada em fusões (Fusion-Based Quantum Computing, FBQC). Partimos do formalismo de estabilizadores para descrever estados-recurso e mostramos como uma rede de fusões de seis anéis pode implementar, de forma fault-tolerant, a porta identidade - o elemento central de uma memória quântica. Em seguida, incorporamos um código de superfície rotacionado para definir qubits lógicos e operadores lógicos, conectando a geometria do código à topologia das fusões por meio de superfícies de correlação e técnicas análogas à lattice surgery. Modelamos erros no processo de fusão e medição, adotando um canal ruidoso após cada projeção (com ênfase em flips de resultados) e realizamos a decodificação inteiramente no lado clássico via atualizações de Pauli frame. Para avaliar o desempenho, simulamos circuitos somente-Clifford com o algoritmo de Pauli frames, permitindo amostragem eficiente de taxas de erro lógicas em diferentes tamanhos de rede e profundidades de memória. As curvas de erro lógico resultantes apresentam uma região de cruzamento que indica um limiar para o modelo estudado entre 0,7 Os resultados fornecem evidência teórica e numérica de que uma memória quântica fotônica baseada em FBQC pode atingir tolerância a falhas sob hipóteses realistas de ruído. Discutimos, ainda, direções para trabalhos futuros: incorporação de modelos de ruído mais fiéis ao hardware, exploração de variações do código (e decodificadores mais potentes) e extensões além da identidade para compor um conjunto de portas lógicas em larga escala.

[en] This thesis studies fault-tolerant quantum memory in a photonic Fusion-Based Quantum Computing (FBQC) architecture. Using the stabilizer formalism, we specify small entangled resource states and show how a layered six-ring fusion network implements the identity gate as a memory primitive. We embed a rotated surface code to define logical qubits and operators, linking code geometry to the fusion topology through correlation surfaces and surgery-style constructions that preserve the encoded state across layers. We model imperfections as noisy channels applied after each fusion/measurement, focusing on outcome-flip errors, and perform purely classical decoding via Pauli-frame updates. To assess performance, we simulate Clifford-only circuits with the Pauli-frame algorithm, efficiently sampling logical error rates across network sizes and memory depths. The resulting finite-size scaling exhibits a crossing region, indicating a threshold for the studied model between 0.007 and 0.01 fusion-error probability. The results provide theoretical and numerical evidence that a photonic FBQC memory can achieve fault tolerance under realistic noise assumptions. We outline next steps toward experimental relevance and scalability: incorporating more hardware-faithful noise processes, exploring code variants and stronger decoders, and extending beyond the identity operation to assemble a practical logical-gate set.

BOYAN SLAVCHEV SIRAKOV

SERGEY BORISOVICH TIKHOMIROV

THIAGO BARBOSA DOS SANTOS GUERREIRO

ROBERTO IMBUZEIRO MORAES FELINTO DE OLIVEIRA

BOYAN SLAVCHEV SIRAKOV

SERGEY BORISOVICH TIKHOMIROV

SERGEY SYSOEV

2026-03-13

2025-11-21

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https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=75632@1

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.75632