論文の概要: Jenga-Krotov algorithm: Efficient compilation of multi-qubit gates for exchange-only qubits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.12448v1
• Date: Wed, 16 Jul 2025 17:40:58 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-17 19:00:11.502986
• Title: Jenga-Krotov algorithm: Efficient compilation of multi-qubit gates for exchange-only qubits
• Title（参考訳）: Jenga-Krotovアルゴリズム:交換専用キュービットに対するマルチキュービットゲートの効率的なコンパイル
• Authors: Jiahao Wu, Guanjie He, Wenyuan Zhuo, Quan Fu, Xin Wang,
• Abstract要約: Exchange-only (EO) 量子ビットは、スケーラブルな半導体ベースの量子コンピューティングのための魅力的なプラットフォームを提供する。 高忠実なシングルキュービットゲートと2キュービットゲートが実証されているが、効率的なマルチキュービット演算の合成は依然として重要なボトルネックである。 本稿では, 勾配に基づく最適化アルゴリズムであるJenga-Krotov (JK)を導入し, コンパクトで高忠実なEOゲート列を探索する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.308887545323882
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Exchange-only (EO) qubits, implemented in triple-quantum-dot systems, offer a compelling platform for scalable semiconductor-based quantum computing by enabling universal control through purely exchange interactions. While high-fidelity single- and two-qubit gates have been demonstrated, the synthesis of efficient multi-qubit operations -- such as the Toffoli gate -- remains a key bottleneck. Conventional gate decompositions into elementary operations lead to prohibitively long and error-prone pulse sequences, limiting practical deployment. In this work, we introduce a gradient-based optimization algorithm, Jenga-Krotov (JK), tailored to discover compact, high-fidelity EO gate sequences. Applying JK to the Toffoli gate, we reduce the number of required exchange unitaries from 216 (in standard decomposition) to 92, and compress the time steps required from 162 to 50, all while maintaining target fidelity. Under realistic noise, the accumulated gate error from our optimized sequence is an order of magnitude lower than that of conventional approaches. These results demonstrate that the JK algorithm is a general and scalable strategy for multi-qubit gate synthesis in EO architectures, potentially facilitating realization of multi-qubit algorithms on semiconductor platforms.
• Abstract（参考訳）: トリプル量子ドットシステムで実装された交換専用量子ビット(EO)は、純粋に交換相互作用を通じて普遍的な制御を可能にすることにより、スケーラブルな半導体ベースの量子コンピューティングのための魅力的なプラットフォームを提供する。 高忠実なシングルキュービットゲートと2キュービットゲートが実証されているが、Toffoliゲートのような効率的なマルチキュービット演算の合成は依然として重要なボトルネックとなっている。 従来のゲートの分解を基本動作にすると、非常に長く、エラーを起こしやすいパルスシーケンスが生まれ、実際の展開が制限される。 本研究では, 勾配に基づく最適化アルゴリズムであるJenga-Krotov (JK)を導入し, コンパクトで高忠実なEOゲート列を探索する。 JK を Toffoli ゲートに適用することにより、必要な交換ユニタリ数を 216 から 92 に減らし、162 から 50 までの時間ステップを圧縮する。 現実的な雑音下では、最適化シーケンスからの累積ゲート誤差は従来の手法よりも桁違いに小さい。 これらの結果から,JKアルゴリズムはEOアーキテクチャにおけるマルチキュービットゲート合成の汎用的かつスケーラブルな戦略であり,半導体プラットフォーム上でのマルチキュービットアルゴリズムの実現を促進する可能性が示唆された。

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