論文の概要: Optimizing Superconducting Three-Qubit Gates for Surface-Code Error Correction

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.09028v1
• Date: Tue, 10 Jun 2025 17:54:22 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-11 15:11:43.059424
• Title: Optimizing Superconducting Three-Qubit Gates for Surface-Code Error Correction
• Title（参考訳）: 表面符号誤差補正のための超電導三ビットゲートの最適化
• Authors: Stephan Tasler, Josias Old, Lukas Heunisch, Verena Feulner, Timo Eckstein, Markus Müller, Michael J. Hartmann,
• Abstract要約: 我々は、2つのデータ量子ビットのパリティを1ステップで1つの測定量子ビットにマッピングするトランスモン量子ビットを超伝導する3量子CZZゲートを設計する。 本研究では,マイクロゲートシミュレーションから得られた誤差モデルを用いて,特にQECプロトコルに有害なパウリ誤差を系統的に抑制する。 回転曲面符号に対して、CZZゲートの実装により、約50%の誤差閾値が$approx 1.2,%に増加し、実験系における論理誤差率を最大1桁まで減少させることがわかった。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.1323522905584675
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
• Abstract: Quantum error correction (QEC) is one of the crucial building blocks for developing quantum computers that have significant potential for reaching a quantum advantage in applications. Prominent candidates for QEC are stabilizer codes for which periodic readout of stabilizer operators is typically implemented via successive two-qubit entangling gates, and is repeated many times during a computation. To improve QEC performance, it is thus beneficial to make the stabilizer readout faster and less prone to fault-tolerance-breaking errors. Here we design a 3-qubit CZZ gate for superconducting transmon qubits that maps the parity of two data qubits onto one measurement qubit in a single step. We find that the gate can be executed in a duration of $35\,$ns with a fidelity of F$=99.96 \, \%$. To optimize the gate, we use an error model obtained from the microscopic gate simulation to systematically suppress Pauli errors that are particularly harmful to the QEC protocol. Using this error model, we investigate the implementation of this 3-qubit gate in a surface code syndrome readout schedule. We find that for the rotated surface code, the implementation of CZZ gates increases the error threshold by nearly 50\% to $\approx 1.2\,\%$ and decreases the logical error rate, in the experimental relevant regime, by up to one order of magnitude, compared to the standard CZ readout protocol. We also show that for the unrotated surface code, strictly fault-tolerant readout schedules can be found. This opens a new perspective for below-threshold surface-code error correction, where it can be advantageous to use multi-qubit gates instead of two-qubit gates to obtain a better QEC performance.
• Abstract（参考訳）: 量子誤り訂正(QEC)は、アプリケーションにおいて量子優位に達する大きな可能性を持つ量子コンピュータを開発するための重要な構成要素の1つである。 QECの有力候補は安定化器符号であり、安定器演算子の周期的な読み出しは、通常連続する2ビットエンタングゲートを介して実装され、計算中に何度も繰り返される。 これにより、QEC性能を向上させるため、安定化器の読み出しを高速化し、耐故障性破壊誤差を低減できる。 ここでは、2つのデータ量子ビットのパリティを1ステップで1つの測定量子ビットにマッピングするトランスモン量子ビットを超伝導する3量子CZZゲートを設計する。 ゲートは、F$=99.96 \, \%$の忠実度で35\,$nsの期間で実行できる。 ゲートを最適化するために、マイクロゲートシミュレーションから得られた誤差モデルを用いて、特にQECプロトコルに有害なパウリ誤差を体系的に抑制する。 このエラーモデルを用いて,表面コード症候群の読み出しスケジュールにおける3ビットゲートの実装について検討する。 回転曲面符号に対して、CZZゲートの実装は、標準のCZ読み出しプロトコルと比較して、約50\%の誤差閾値を$\approx 1.2\,\%$に増加し、実験系において論理誤差率を最大1桁減少させる。 また、回転しない表面コードに対して、厳密にフォールトトレラントな読み出しスケジュールを見つけることができることを示す。 これにより、より優れたQEC性能を得るために、2キュービットゲートの代わりに複数キュービットゲートを使用するのが有利である。

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