論文の概要: Transversal Surface-Code Game Powered by Neutral Atoms

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.18979v1
• Date: Mon, 23 Jun 2025 18:00:02 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-25 19:48:23.323434
• Title: Transversal Surface-Code Game Powered by Neutral Atoms
• Title（参考訳）: ニュートラル原子を動力とするトランスバーサルサーフェスコードゲーム
• Authors: Shinichi Sunami, Akihisa Goban, Hayata Yamasaki,
• Abstract要約: 我々は、中性原子を動力とするフォールトトレラント量子計算の理論と実験を橋渡しする包括的な理論的枠組みを開発する。 我々は中性原子配列のユニークな強度を利用する理論ゲートFTQCの代替的なゲームベースパラダイムを提案する。 我々は,中性原子の物理操作が桁違い遅くても,超伝導量子ビットに対するベースライン格子サージェリーアプローチと時空性能の競合が可能であることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.433758865948252
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Neutral atom technologies have opened the door to novel theoretical advances in surface-code protocols for fault-tolerant quantum computation (FTQC), offering a compelling alternative to lattice surgery by leveraging transversal gates. However, a crucial gap remains between the theory of FTQC and its practical realization on neutral atom systems; most critically, a key theoretical requirement -- that syndrome extraction must be performed frequently enough to keep error accumulation below a threshold constant -- is difficult to satisfy in a scalable manner in conventional zoned approach. In this work, we develop a comprehensive theoretical framework that closes such a gap, bridging theoretical advances in surface-code fault-tolerant protocols with capabilities of neutral atoms. Building on the "game of surface code" framework originally developed for superconducting qubits, we introduce an alternative game-based paradigm for transversal-gate FTQC that harnesses the unique strengths of neutral atom arrays. The game rules are designed to enable syndrome extraction at any intermediate step during logical gate implementation, ensuring compatibility with the threshold theorem. We further present an efficient method for designing resource state factories tailored to transversal-gate FTQC. As an application, our framework offers a systematic methodology and high-level abstraction for resource estimation and optimization, demonstrating that space-time performance competitive with a baseline lattice-surgery-based approach on superconducting qubits is possible, even when physical operations on neutral atoms are orders of magnitude slower. These results establish a solid foundation that bridges the theory and experiment of FTQC powered by neutral atoms, charting a well-founded pathway toward scalable, fault-tolerant quantum computers and setting practical directions for technological development.
• Abstract（参考訳）: ニュートラル原子技術は、フォールトトレラント量子計算(FTQC)のための表面コードプロトコルの新たな理論的進歩への扉を開いた。 しかし、FTQCの理論と中性原子系の実用的実現の間には重要なギャップが残っており、最も重要な理論的な要件は、シンドローム抽出が閾値定数以下でエラーの蓄積を維持するのに十分な頻度で実行される必要があることである。 本研究では、このようなギャップを埋める包括的な理論的枠組みを開発し、中性原子の能力を持つ表面コードフォールトトレラントプロトコルの理論的進歩をブリッジする。 もともと超伝導量子ビット向けに開発された「表面コードゲーム」フレームワークを基盤として,中性原子配列のユニークな強みを生かしたトランスバーサルゲートFTQCのためのゲームベースパラダイムを導入する。 ゲームルールは論理ゲート実装中の任意の中間段階においてシンドローム抽出を可能にし、しきい値定理との整合性を確保するように設計されている。 さらに,トランスバーサルゲートFTQCに適した資源状態工場を設計するための効率的な手法を提案する。 応用として,我々のフレームワークは,中性原子の物理操作が桁違い遅くても,超伝導量子ビットに対するベースライン格子サージェリーアプローチと競合する時空性能が可能であることを示す,資源推定と最適化のための体系的方法論と高レベルの抽象化を提供する。 これらの結果は、中性原子を動力とするFTQCの理論と実験を橋渡しし、スケーラブルでフォールトトレラントな量子コンピュータへの十分に確立された経路をチャート化し、技術開発のための実践的な方向性を定めている。

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