論文の概要: Architectural mechanisms of a universal fault-tolerant quantum computer

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.20661v1
• Date: Wed, 25 Jun 2025 17:53:57 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-26 21:00:42.896962
• Title: Architectural mechanisms of a universal fault-tolerant quantum computer
• Title（参考訳）: 普遍的フォールトトレラント量子コンピュータのアーキテクチャ機構
• Authors: Dolev Bluvstein, Alexandra A. Geim, Sophie H. Li, Simon J. Evered, J. Pablo Bonilla Ataides, Gefen Baranes, Andi Gu, Tom Manovitz, Muqing Xu, Marcin Kalinowski, Shayan Majidy, Christian Kokail, Nishad Maskara, Elias C. Trapp, Luke M. Stewart, Simon Hollerith, Hengyun Zhou, Michael J. Gullans, Susanne F. Yelin, Markus Greiner, Vladan Vuletic, Madelyn Cain, Mikhail D. Lukin,
• Abstract要約: 量子誤り訂正(QEC)は、大規模量子コンピュータの実現に不可欠であると考えられている。 ここでは、最大448個の中性原子からなる再構成可能な配列を用いて、普遍的でフォールトトレラントな量子処理アーキテクチャのすべてのキー要素を実装する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 26.089864626892876
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Quantum error correction (QEC) is believed to be essential for the realization of large-scale quantum computers. However, due to the complexity of operating on the encoded `logical' qubits, understanding the physical principles for building fault-tolerant quantum devices and combining them into efficient architectures is an outstanding scientific challenge. Here we utilize reconfigurable arrays of up to 448 neutral atoms to implement all key elements of a universal, fault-tolerant quantum processing architecture and experimentally explore their underlying working mechanisms. We first employ surface codes to study how repeated QEC suppresses errors, demonstrating 2.14(13)x below-threshold performance in a four-round characterization circuit by leveraging atom loss detection and machine learning decoding. We then investigate logical entanglement using transversal gates and lattice surgery, and extend it to universal logic through transversal teleportation with 3D [[15,1,3]] codes, enabling arbitrary-angle synthesis with logarithmic overhead. Finally, we develop mid-circuit qubit re-use, increasing experimental cycle rates by two orders of magnitude and enabling deep-circuit protocols with dozens of logical qubits and hundreds of logical teleportations with [[7,1,3]] and high-rate [[16,6,4]] codes while maintaining constant internal entropy. Our experiments reveal key principles for efficient architecture design, involving the interplay between quantum logic and entropy removal, judiciously using physical entanglement in logic gates and magic state generation, and leveraging teleportations for universality and physical qubit reset. These results establish foundations for scalable, universal error-corrected processing and its practical implementation with neutral atom systems.
• Abstract（参考訳）: 量子誤り訂正(QEC)は、大規模量子コンピュータの実現に不可欠であると考えられている。 しかし、符号化された「論理的」量子ビットの操作の複雑さのため、フォールトトレラントな量子デバイスを構築し、それらを効率的なアーキテクチャに結合する物理原理を理解することは、優れた科学的課題である。 ここでは、最大448個の中性原子からなる再構成可能な配列を用いて、普遍的でフォールトトレラントな量子処理アーキテクチャの鍵となる要素をすべて実装し、基礎となる動作機構を実験的に探索する。 まず, 原子損失検出と機械学習復号を利用した4ラウンドキャラクタリゼーション回路において, 繰り返しQECによる誤差の抑制効果を2.14(13)x以下で示す。 次に,3D[[15,1,3]符号の伝送による論理的絡み合いを解析し,対数的オーバーヘッドを伴う任意の角度合成を可能にする。 最後に, 内部エントロピーを一定に保ちつつ, [[7,1,3] と高レート [[16,6,4]] 符号を用いて, 数十個の論理キュービットと数百個の論理テレポーテーションを持つディープ・サーキットプロトコルを実現する。 実験では,量子論理とエントロピー除去の相互作用,論理ゲートとマジックステート生成の物理的絡み合い,普遍性と物理量子ビットリセットのためのテレポーテーションの活用など,効率的なアーキテクチャ設計の鍵となる原理を明らかにした。 これらの結果は、スケーラブルで普遍的な誤り訂正処理の基礎と、中性原子システムによる実践的実装を確立している。

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