論文の概要: Fault-tolerant quantum computation using large spin cat-codes

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2401.04271v3
• Date: Tue, 16 Jan 2024 18:05:02 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-01-18 19:25:45.039757
• Title: Fault-tolerant quantum computation using large spin cat-codes
• Title（参考訳）: 大型スピン猫符号を用いたフォールトトレラント量子計算
• Authors: Sivaprasad Omanakuttan, Vikas Buchemmavari, Jonathan A. Gross, Ivan H Deutsch and Milad Marvian
• Abstract要約: 本研究では、スピンキャット符号を用いて、大きなスピンキュウトに符号化された量子ビットに基づいて、フォールトトレラントな量子誤り訂正プロトコルを構築する。 我々は、量子制御とライダーベルク封鎖を用いて、ランク保存されたCNOTゲートを含む普遍ゲートセットを生成する方法を示す。 これらの知見は、量子情報処理において、耐障害性、高いしきい値、リソースオーバーヘッドを低減できる可能性を持つ、大きなスピンで量子ビットを符号化する方法を舗装している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.9270089404061789
• License: http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
• Abstract: We construct a fault-tolerant quantum error-correcting protocol based on a qubit encoded in a large spin qudit using a spin-cat code, analogous to the continuous variable cat encoding. With this, we can correct the dominant error sources, namely processes that can be expressed as error operators that are linear or quadratic in the components of angular momentum. Such codes tailored to dominant error sources {can} exhibit superior thresholds and lower resource overheads when compared to those designed for unstructured noise models. To preserve the dominant errors during gate operations, we identify a suitable universal gate set. A key component is the CNOT gate that preserves the rank of spherical tensor operators. Categorizing the dominant errors as phase and amplitude errors, we demonstrate how phase errors, analogous to phase-flip errors for qubits, can be effectively corrected. Furthermore, we propose a measurement-free error correction scheme to address amplitude errors without relying on syndrome measurements. Through an in-depth analysis of logical CNOT gate errors, we establish that the fault-tolerant threshold for error correction in the spin-cat encoding surpasses that of standard qubit-based encodings. We consider a specific implementation based on neutral-atom quantum computing, with qudits encoded in the nuclear spin of $^{87}$Sr, and show how to generate the universal gate set, including the rank-preserving CNOT gate, using quantum control and the Rydberg blockade. These findings pave the way for encoding a qubit in a large spin with the potential to achieve fault tolerance, high threshold, and reduced resource overhead in quantum information processing.
• Abstract（参考訳）: 連続変数cat符号化に類似したスピンキャット符号を用いて、大きなスピンquditで符号化された量子ビットに基づくフォールトトレラント量子誤り訂正プロトコルを構築する。 これにより、支配的な誤差源、すなわち角運動量の成分において線型あるいは二次的な誤差演算子として表現できる過程を補正することができる。 このような符号は、非構造ノイズモデルのために設計された符号に比べて、優れたしきい値と低いリソースオーバーヘッドを示す。 ゲート操作中の支配的エラーを保存するため、適切なユニバーサルゲート集合を同定する。 鍵となる要素は球面テンソル作用素のランクを保存するcnotゲートである。 位相誤差を位相誤差と振幅誤差に分類し、量子ビットの位相誤差に類似した位相誤差を効果的に補正できることを示す。 さらに,シンドローム測定に頼らずに振幅誤差に対処する計測自由誤差補正手法を提案する。 論理cnotゲートエラーの詳細な解析により、スピンキャット符号化における誤り訂正のフォールトトレラントしきい値が、標準のqubitベースのエンコーディングのそれを超えることを証明した。 quditsは$^{87}$srの核スピンで符号化され、量子制御とrydbergブロックを用いてランク保存cnotゲートを含むユニバーサルゲート集合を生成する方法を示す。 これらの結果は、量子情報処理においてフォールトトレランス、高いしきい値、リソースオーバーヘッドを低減できる可能性を秘めた、大きなスピンで量子ビットを符号化する方法を示している。

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