QuFI：一种用于测量量子比特与量子电路可靠性的量子故障注入器

量子计算是一项有望在未来几年革新计算范式的新技术。量子比特利用量子物理特性提升计算的并行性与速度。遗憾的是，除了固有的噪声外，量子比特还被证明极易受外部故障源（如电离辐射）影响。最新发现凸显了量子比特比传统晶体管高得多的辐射敏感性，并识别出比比特翻转复杂得多的故障模型。我们提出一个框架，用于识别量子电路对辐射诱发故障的敏感性，以及量子比特中故障传播至输出的概率。基于最新研究与在真实量子机器上进行的辐射实验，我们将量子比特中的瞬态故障建模为具有参数化幅度的相移。此外，我们的框架可注入多量子比特故障，并根据量子比特与粒子撞击位置的邻近程度调整相移幅度。如文中所示，所提故障注入器高度灵活，可用于量子电路模拟器与真实量子机器。我们报告了在 Qiskit 模拟器上超过 2.85 亿次注入及在真实 IBM 机器上 5.3 万次注入的发现。我们考虑了三种量子算法，并识别出更可能影响输出的故障与量子比特。我们还考虑了故障传播对电路规模的依赖性，表明某些量子算法的可靠性剖面具有规模依赖性，随着量子比特数增加，辐射诱发故障的影响增大。最后，我们还考虑了多量子比特故障，表明其比单故障关键得多。本文所呈现的故障注入器与数据已置于公共仓库以供进一步分析。