論文の概要: Practical Fidelity Limits of Toffoli Gates in Superconducting Quantum Processors
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.05395v1
- Date: Fri, 05 Sep 2025 12:58:13 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-09-09 14:07:03.49315
- Title: Practical Fidelity Limits of Toffoli Gates in Superconducting Quantum Processors
- Title（参考訳）: 超伝導量子プロセッサにおけるトフォリゲートの実用的忠実度限界
- Authors: M. AbuGhanem,
- Abstract要約: 高忠実度マルチキュービットゲートは、短期量子コンピューティングにとって重要なリソースである。
我々は、IBMの127量子ビット超伝導量子プロセッサ上で、Toffoliゲートのハードウェア対応特性を示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: High-fidelity multi-qubit gates are a critical resource for near-term quantum computing, as they underpin the execution of both quantum algorithms and fault-tolerant protocols. The Toffoli gate (CCNOT), in particular, plays a central role in quantum error correction and quantum arithmetic, yet its efficient implementation on current quantum hardware remains limited by noise and connectivity constraints. In this work, we present a hardware-aware characterization of the Toffoli gate using optimized, connectivity-compliant decompositions executed on IBM's 127-qubit superconducting quantum processors. Our study integrates state preparation, gate synthesis, and quantum state/process tomography (QST/QPT) to evaluate fidelity across three distinct classes of input states: Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ), W, and the uniform superposition of all three-qubit computational basis states -- under noise-free simulation, noise-aware emulation, and real hardware execution. For GHZ states, we report state fidelities of 98.442% (noise-free simulation), 81.470% (noise-aware quantum emulation), and 56.368% (real quantum hardware). For W states, state fidelities are 98.739%, 79.900%, and 63.689%, respectively, and for the uniform superposition state, we observe state fidelities of 99.490%, 85.469%, and 61.161%. Comparative QPT experiments yield process fidelities of 98.976% (noise-free) and 80.160% (noise-aware emulation). Our results empirically characterize state-dependent error patterns in multi-qubit circuits and quantify trade-offs between gate decomposition strategies and native hardware performance, offering practical insights for scalable, hardware-efficient quantum circuit design.
- Abstract（参考訳）: 高忠実度マルチキュービットゲートは、量子アルゴリズムとフォールトトレラントプロトコルの両方の実行を支えるため、短期量子コンピューティングにとって重要なリソースである。
特にトフォリゲート(CCNOT)は、量子エラー補正と量子演算において中心的な役割を果たすが、現在の量子ハードウェアに対する効率的な実装は、ノイズや接続制約によって制限されている。
本稿では,IBMの127量子ビット超伝導量子プロセッサ上で実行される最適化された接続性に適合した分解を用いて,Toffoliゲートのハードウェア対応特性を示す。
本研究は、GHZ(Greenberger-Horne-Zeilinger)、W(W)、および、ノイズフリーシミュレーション、ノイズアウェアエミュレーション、実ハードウェア実行の3つの異なる種類の入力状態の忠実度を評価するために、状態準備、ゲート合成、量子状態/プロセストモグラフィー(QST/QPT)を統合する。
GHZ状態については、98.442%(ノイズフリーシミュレーション)、81.470%(ノイズ対応量子エミュレーション)、56.368%(リアル量子ハードウェア)の状態を報告している。
W州では、それぞれ98.739%、79.900%、63.689%であり、均一な重ね合わせ状態では99.490%、85.469%、61.161%である。
比較QPT実験では98.976%(ノイズフリー)と80.160%(ノイズ対応エミュレーション)のプロセス忠実度が得られる。
本研究は,マルチキュービット回路における状態依存型エラーパターンを実証的に特徴付け,ゲート分解戦略とネイティブハードウェア性能のトレードオフを定量化し,スケーラブルでハードウェア効率の良い量子回路設計のための実用的な洞察を提供する。
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