論文の概要: Fault-tolerant fermionic quantum computing

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2411.08955v2
• Date: Wed, 16 Jul 2025 17:58:47 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-17 19:00:11.003598
• Title: Fault-tolerant fermionic quantum computing
• Title（参考訳）: フォールトトレラントフェルミオン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型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。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 39.58317527488534
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Simulating the dynamics of electrons and other fermionic particles in quantum chemistry, materials 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 fermionic 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. Within a fermionic color code, which corrects for both phase and loss errors, we then realize a universal fermionic gate set, including transversal fermionic Clifford gates. Interfacing with qubit color codes we introduce qubit-fermion fault-tolerant computation, which allows for qubit-controlled fermionic time evolution, a crucial subroutine in state-of-the-art quantum algorithms. As an application, we consider simulating crystalline materials, finding an exponential improvement in circuit depth for a single time step from $\mathcal{O}(N)$ to $\mathcal{O}(\log(N))$ with respect to lattice site number $N$ while retaining a site count of $\tilde{\mathcal{O}}(N)$, implying a linear-in-$N$ end-to-end gate depth for simulating materials, as opposed to quadratic in previous approaches. We also introduce a fermion-inspired qubit algorithm with $O(\mathrm{log}(N)$ depth, but a prohibitive number of additional ancilla qubits. We show how our framework can be implemented in neutral atoms, overcoming the apparent inability of neutral atoms to implement non-number-conserving gates. 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、材料科学、高エネルギー物理学における電子やその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型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。 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内には, 転位フェルミオンクリフォードゲートを含む普遍的なフェルミオンゲートセットが実現される。 量子ビットカラーコードと対向して、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ミオンフォールトトレラント計算を導入し、最先端の量子アルゴリズムにおいて重要なサブルーチンとなる。 応用として, 結晶材料を模擬し, 単一時間ステップにおける回路深さの指数関数的改善を$\mathcal{O}(N)$から$\mathcal{O}(\log(N))$に対して, 格子サイト数$N$に対して$\tilde{\mathcal{O}}(N)$で表す。 また,$O(\mathrm{log}(N)$ depthのフェルミオンにインスパイアされた量子ビットアルゴリズムも導入する。 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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