論文の概要: Low-Overhead Transversal Fault Tolerance for Universal Quantum Computation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2406.17653v2
• Date: Mon, 04 Aug 2025 19:01:50 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-06 18:18:55.470683
• Title: Low-Overhead Transversal Fault Tolerance for Universal Quantum Computation
• Title（参考訳）: ユニバーサル量子計算のための低オーバヘッドトランスバースフォールトトレランス
• Authors: Hengyun Zhou, Chen Zhao, Madelyn Cain, Dolev Bluvstein, Nishad Maskara, Casey Duckering, Hong-Ye Hu, Sheng-Tao Wang, Aleksander Kubica, Mikhail D. Lukin,
• Abstract要約: 論理演算は一定回数の抽出ラウンドしか持たず、フォールトトレラントに実行可能であることを示す。 我々の研究は、量子フォールトトレランスの理論に新たな光を当て、実用的なフォールトトレラント量子計算の時空コストを1桁以上削減する可能性を持っている。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 36.3664581543528
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Fast, reliable logical operations are essential for realizing useful quantum computers. By redundantly encoding logical qubits into many physical qubits and using syndrome measurements to detect and correct errors, one can achieve low logical error rates. However, for many practical quantum error correcting (QEC) codes such as the surface code, due to syndrome measurement errors, standard constructions require multiple extraction rounds -- on the order of the code distance $d$ -- for fault-tolerant computation, particularly considering fault-tolerant state preparation. Here, we show that logical operations can be performed fault-tolerantly with only a constant number of extraction rounds for a broad class of QEC codes, including the surface code with magic state inputs and feed-forward, to achieve ``transversal algorithmic fault tolerance". Through the combination of transversal operations and novel strategies for correlated decoding, despite only having access to partial syndrome information, we prove that the deviation from the ideal logical measurement distribution can be made exponentially small in the distance, even if the instantaneous quantum state cannot be made close to a logical codeword due to measurement errors. We supplement this proof with circuit-level simulations in a range of relevant settings, demonstrating the fault tolerance and competitive performance of our approach. Our work sheds new light on the theory of quantum fault tolerance and has the potential to reduce the space-time cost of practical fault-tolerant quantum computation by over an order of magnitude.
• Abstract（参考訳）: 有用な量子コンピュータを実現するためには、高速で信頼性の高い論理演算が不可欠である。 論理量子ビットを多くの物理量子ビットに冗長に符号化し、シンドローム測定を用いて誤りを検出し、修正することにより、低い論理誤り率を得ることができる。 しかし、表面コードのような多くの実用的な量子エラー訂正(QEC)符号では、標準的な構成では、フォールトトレラントな計算、特にフォールトトレラントな状態の準備を考慮して、コード距離$d$の順に複数の抽出ラウンドを必要とする。 そこで本研究では,魔法の状態入力とフィードフォワードを含む多種多様なQEC符号に対して,論理演算を一定数の抽出ラウンドでフォールトトレラントに行うことで,<transversal algorithmic fault tolerance>を達成可能であることを示す。 部分的シンドローム情報のみをアクセスしているにもかかわらず、超越演算と相関復号の新たな戦略を組み合わせることで、測定誤差により瞬時量子状態が論理コードワードに近づかない場合でも、理想的な論理測度分布からの偏差を指数関数的に小さくすることができることを証明した。 この証明を回路レベルシミュレーションで補足し,本手法の耐故障性と競合性能を実証する。 我々の研究は、量子フォールトトレランスの理論に新たな光を当て、実用的なフォールトトレラント量子計算の時空コストを1桁以上削減する可能性を持っている。

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