論文の概要: Full programmable quantum computing with trapped-ions using semi-global fields

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.14331v1
• Date: Wed, 17 Sep 2025 18:01:37 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-19 17:26:52.933719
• Title: Full programmable quantum computing with trapped-ions using semi-global fields
• Title（参考訳）: 半球場を用いたトラップイオンによる完全プログラマブル量子コンピューティング
• Authors: Yakov Solomons, Yotam Kadish, Lee Peleg, Jonathan Nemirovsky, Amit Ben Kish, Yotam Shapira,
• Abstract要約: トラップイオン量子コンピューティングは、複数の量子ビットを同時に絡めるために、イオン結晶の全ての運動モードを利用することができる。 単一ビットのフリップと組み合わされたグローバルおよび半グローバルなドライブを探索し、これらがマルチビットゲートの完全な集合を再現可能であることを示す。 本研究は,大規模トラップイオン量子システムにおける量子アルゴリズムの効率的な実装の道を開くものである。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Trapped-ion quantum computing can utilize all motional modes of the ion-crystal, to entangle multiple qubits simultaneously, enabling universal computation with multi-qubit gates supplemented by single-qubit rotations. Using multiple tones to drive each ion individually induces Ising-type interactions, forming a multi-qubit gate, where the coupling matrix of all ion pairs is fully controllable. This reduces the total gate count while maintaining high fidelity, as opposed to traditional methods that rely on a single type of two-qubit gate, such as the well-known M{\o}lmer-S{\o}rensen gate. However, scaling to large ion chains, individual addressing can be technically challenging in terms of optical delivery and signal generation. We explore global and semi-global drives combined with single-qubit flips and show that these can reproduce the full set of multi-qubit gates. Although optimizing the combination of single-qubit flips is a computationally hard problem, we propose an efficient scheme to implement any desired couplings in large ion chains, yielding a concatenation scheme that uses at most $N/2$ multi-qubit gates, with $N$ being the number of ions. In addition, we show that by using $B<N$ independent semi-global fields, each driving a set of $N/B$ ions, the number of maximal multi-qubit gates is reduced to approximately $\frac{N^2}{B^2 (N-1)}$. We show how to design the driving fields that support these schemes and investigate their properties. Our results pave the way for efficient implementations of quantum algorithms in large-scale trapped-ion quantum systems.
• Abstract（参考訳）: トラップイオン量子コンピューティングは、イオン結晶の全ての運動モードを利用して複数の量子ビットを同時に絡み合わせることができ、単一の量子ビット回転で補う多重量子ビットゲートによる普遍的な計算を可能にする。 複数のトーンを用いて各イオンを個別に駆動し、Ising型相互作用を誘導し、全てのイオン対のカップリング行列を完全に制御可能なマルチキュービットゲートを形成する。 これにより、M{\o}lmer-S{\o}rensenゲートのような単一のタイプの2ビットゲートに依存する従来の手法とは対照的に、高い忠実性を維持しながら総ゲート数を削減できる。 しかし、大きなイオン鎖へのスケーリングでは、光学的デリバリーと信号生成の点で技術的に困難である。 単一ビットのフリップと組み合わされたグローバルおよび半グローバルなドライブを探索し、これらがマルチビットゲートの完全な集合を再現可能であることを示す。 単一量子フリップの組み合わせを最適化することは計算学的に難しい問題であるが、我々は大きなイオン鎖に任意の所望のカップリングを実装するための効率的なスキームを提案し、最小でN/2$の多重量子ゲートを使い、N$はイオンの数である。 さらに、$B<N$独立半球体を用いて、それぞれが$N/B$イオンの集合を駆動することにより、最大マルチキュービットゲートの数はおよそ$\frac{N^2}{B^2 (N-1)}$に削減されることを示す。 これらのスキームをサポートする駆動場を設計し,その特性について検討する。 本研究は,大規模トラップイオン量子システムにおける量子アルゴリズムの効率的な実装の道を開くものである。

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