論文の概要: Fermion-qubit fault-tolerant quantum computing

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2411.08955v1
• Date: Wed, 13 Nov 2024 19:00:02 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-11-15 15:23:18.200673
• Title: Fermion-qubit fault-tolerant quantum computing
• Title（参考訳）: フェルミオン量子ビットフォールトトレラント量子コンピューティング
• Authors: Alexander Schuckert, Eleanor Crane, Alexey V. Gorshkov, Mohammad Hafezi, Michael J. Gullans,
• Abstract要約: 我々は、このオーバーヘッドを完全に除去するフレームワークであるフェルミオン量子ビットフォールトトレラント量子コンピューティングを導入する。 我々は、我々のフレームワークを中性原子でどのように実装できるかを示し、非数保存ゲートを実装するために中性原子が明らかに不可能であることを克服する。 我々のフレームワークは、ネイティブなフェルミオンを持つプラットフォームにおいて、フェルミオン量子ビットのフォールトトレラント量子計算の扉を開く。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 39.58317527488534
• License:
• Abstract: Simulating the dynamics of electrons and other fermionic particles in quantum chemistry, material science, and high-energy physics is one of the most promising applications of fault-tolerant quantum computers. However, the overhead in mapping time evolution under fermionic Hamiltonians to qubit gates renders this endeavor challenging. We introduce fermion-qubit fault-tolerant quantum computing, a framework which removes this overhead altogether. Using native fermionic operations we first construct a repetition code which corrects phase errors only. We then engineer a fermionic color code which corrects for both phase and loss errors. We show how to realize a universal fermionic gate set in this code, including transversal Clifford gates. Interfacing with qubit color codes we realize qubit-fermion fault-tolerant computation, which allows for qubit-controlled fermionic time evolution, a crucial subroutine in state-of-the-art quantum algorithms for simulating fermions. We show how our framework can be implemented in neutral atoms, overcoming the apparent inability of neutral atoms to implement non-number-conserving gates by introducing a neutral-atom braiding gate using photodissociation of bosonic molecules. As an application, we consider the fermionic fast Fourier transform, an important subroutine for simulating crystalline materials, finding an exponential improvement in circuit depth from $\mathcal{O}(N)$ to $\mathcal{O}(\log(N))$ with respect to lattice site number $N$ and a linear improvement from $\mathcal{O}(N^2)$ to $\mathcal{O}(N\log(N))$ in Clifford gate complexity compared to state-of-the-art qubit-only approaches. Our work opens the door to fermion-qubit fault-tolerant quantum computation in platforms with native fermions such as neutral atoms, quantum dots and donors in silicon, with applications in quantum chemistry, material science, and high-energy physics.
• Abstract（参考訳）: 量子化学、物質科学、高エネルギー物理学における電子や他のフェルミオン粒子の力学をシミュレーションすることは、フォールトトレラント量子コンピュータの最も有望な応用の1つである。 しかし、フェルミオンハミルトニアンの下での時間発展のオーバーヘッドは、この試みを困難にしている。 我々は、このオーバーヘッドを完全に除去するフレームワークであるフェルミオン量子ビットフォールトトレラント量子コンピューティングを導入する。 ネイティブのフェルミオン演算を用いて、フェーズエラーのみを修正する反復コードを構築する。 次に、位相誤差と損失誤差の両方を補正するフェルミオンカラーコードを作成します。 この符号に設定された普遍的なフェルミオンゲートを実現する方法を示す。 量子ビットカラーコードと交差して、量子ビット制御されたフェルミオン時間進化を可能にする量子ビット-フェルミオンフォールトトレラント計算を実現し、フェルミオンをシミュレートするための最先端の量子アルゴリズムにおける重要なサブルーチンである。 我々は、中性原子の光解離を用いた中性原子のブレイディングゲートを導入することにより、中性原子が非保存ゲートを実装できないことを克服し、中性原子で我々のフレームワークをどのように実装できるかを示す。 応用として、結晶材料をシミュレートするための重要なサブルーチンであるフェルミオン高速フーリエ変換を考え、格子サイト数$N$から$\mathcal{O}(\log(N))$への回路深さの指数関数的な改善と、最先端の量子ビットのみのアプローチと比較してCliffordゲートの複雑さにおける$\mathcal{O}(N)$への線形改善を見出した。 我々の研究は、中性原子、量子ドット、シリコンのドナーといったネイティブフェルミオンを持つプラットフォームにおけるフェルミオン量子ビットのフォールトトレラント量子計算への扉を開き、量子化学、物質科学、高エネルギー物理学に応用する。

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