論文の概要: Single-step high-fidelity three-qubit gates by anisotropic chiral interactions

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2503.12182v1
• Date: Sat, 15 Mar 2025 15:54:00 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-03-18 12:28:43.086925
• Title: Single-step high-fidelity three-qubit gates by anisotropic chiral interactions
• Title（参考訳）: 異方性キラル相互作用による単一ステップ高忠実三ビットゲート
• Authors: Minh T. P. Nguyen, Maximilian Rimbach-Russ, Lieven M. K. Vandersypen, Stefano Bosco,
• Abstract要約: 直接多ビットゲートは、ゲート数と回路深さを減らし、短期デバイスでの量子計算を容易にするために重要である。 ここでは, 高速かつ高忠実な3量子ゲートを, 小さい異方性およびキラルな3量子ビット相互作用を利用することで, 単一ステップで実現できることを実証する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License:
• Abstract: Direct multi-qubit gates are becoming critical to facilitate quantum computations in near-term devices by reducing the gate counts and circuit depth. Here, we demonstrate that fast and high fidelity three-qubit gates can be realized in a single step by leveraging small anisotropic and chiral three-qubit interactions. These ingredients naturally arise in state-of-the-art spin-based quantum hardware through a combination of spin-orbit interactions and orbital magnetic fields. These interactions resolve the key synchronization issues inherent in protocols relying solely on two-qubit couplings, which significantly limit gate fidelity. We confirm with numerical simulations that our single-step three-qubit gate can outperform existing protocols, potentially achieving infidelity $\leq 10^{-4}$ in 80-100 ns under current experimental conditions. To further benchmark its performance, we also propose an alternative composite three-qubit gate sequence based on anisotropic two-qubit interactions with built-in echo sequence and show that the single-step protocol can outperform it, making it highly suitable for near-term quantum processors.
• Abstract（参考訳）: 直接マルチキュービットゲートは、ゲート数と回路深さを減らし、短期デバイスでの量子計算を容易にするために重要になっている。 ここでは, 高速かつ高忠実な3量子ビットゲートを, 異方性およびキラルな3量子ビットの相互作用を利用して, 単一ステップで実現できることを実証する。 これらの成分は、スピン軌道相互作用と軌道磁場の組み合わせによって、最先端のスピンベースの量子ハードウェアに自然に生じる。 これらの相互作用は、2ビット結合のみに依存するプロトコルに固有の重要な同期問題を解決し、ゲートの忠実度を著しく制限する。 シミュレーションにより,我々の単一ステップの3量子ゲートは既存のプロトコルよりも優れており,現在の実験条件下で80-100 nsで不忠実な$\leq 10^{-4}$を達成できる可能性が確認された。 さらに、その性能をベンチマークするために、内蔵エコーシーケンスとの異方性2量子ビット相互作用に基づく代替の3量子ゲートシーケンスを提案し、このシングルステッププロトコルがそれを上回る性能を示し、短期量子プロセッサに非常に適していることを示す。

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