論文の概要: Transversal STAR architecture for megaquop-scale quantum simulation with neutral atoms

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.18294v1
• Date: Mon, 22 Sep 2025 18:23:28 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-24 20:41:27.520128
• Title: Transversal STAR architecture for megaquop-scale quantum simulation with neutral atoms
• Title（参考訳）: 中性原子を用いたメガクオップスケール量子シミュレーションのための超並列STARアーキテクチャ
• Authors: Refaat Ismail, I-Chi Chen, Chen Zhao, Ronen Weiss, Fangli Liu, Hengyun Zhou, Sheng-Tao Wang, Andrew Sornborger, Milan Kornjača,
• Abstract要約: 本研究では,時空効率的なアナログ回転(STAR)に基づく部分フォールトトレラントアーキテクチャを提案する。 表面符号を用いたSTARガジェットの論理ノイズモデルを作成し,その構成性を検証する。 STARアーキテクチャはその限界において、局所ハミルトンを600以上のシミュレーションボリュームで効率的にシミュレートすることができる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 6.966005206503614
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Quantum computing experiments have made remarkable progress in demonstrating key components of quantum error correction, a prerequisite for scalable quantum computation. While we anticipate the arrival of early fault-tolerant quantum hardware capable of a million reliable quantum operations, the cost of preparing low-noise `magic resource states' presents a formidable challenge. The recently proposed partially-fault-tolerant architecture based on a space-time efficient analog rotation (STAR) approach attempts to address this challenge by using post-selection to prepare low-noise, small-angle magic states. Its proposed physical implementation, however, assumes fixed qubit connectivity, resulting in implementation costs closer to leading fully-fault-tolerant approaches. Here, we propose the transversal STAR architecture and co-design it with neutral-atom quantum hardware, deriving significant savings in logical layout, time, and space overhead. Through circuit-level simulations, we derive the logical noise model for surface-code-based transversal STAR gadgets and verify their composability. At its limit, the transversal STAR architecture can efficiently simulate local Hamiltonians with a total simulation volume exceeding 600. Achieving this limit would require approximately 10,000 physical qubits at a physical error rate of $10^{-3}$. This is equivalent to a fully-fault-tolerant computation requiring over $10^6$-$10^7$ $T$ gates. Finally, we extend the transversal STAR architecture to high-rate quantum codes, demonstrating how a limited set of highly parallel transversal Clifford gates and generalized small-angle magic injection can be utilized for effective quantum simulation. We anticipate that the co-designed transversal STAR architecture could substantially reduce the physical resources necessary for early-fault-tolerant quantum simulation at the megaquop scale.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピューティング実験は、スケーラブルな量子計算の前提条件である量子エラー補正の鍵となる要素を実証する際、顕著な進歩を遂げた。 我々は、100万の信頼性を持つ量子演算が可能な早期フォールトトレラント量子ハードウェアの登場を期待するが、低ノイズの「魔法の資源状態」を作成するコストは深刻な課題である。 最近提案された、時空効率的なアナログ回転(STAR)アプローチに基づく部分フォールトトレラントアーキテクチャは、ポストセレクションを用いて低ノイズで小さな角度のマジック状態を作成することでこの問題に対処しようとするものである。 提案した物理実装は固定量子ビット接続を前提としており、実装コストは完全フォールトトレラントなアプローチに近づいた。 本稿では,超越的STARアーキテクチャを提案し,中立原子量子ハードウェアと共同設計し,論理的レイアウト,時間,空間的オーバーヘッドの大幅な削減を図った。 回路レベルのシミュレーションにより,表面符号を用いた変換STARガジェットの論理ノイズモデルを導出し,その構成性を検証する。 その限界において、超越STARアーキテクチャは、局所ハミルトンを600を超える総シミュレーションボリュームで効率的にシミュレートすることができる。 この限界を達成するには、物理誤差率10^{-3}$で約10,000の物理量子ビットが必要となる。 これは10^6$-$10^7$$T$ゲート以上の完全フォールトトレラント計算と同値である。 最後に,超並列なクリフォードゲートと一般化された小角マジックインジェクションの限られたセットを有効量子シミュレーションに利用できることを実証し,超並列STARアーキテクチャを高速量子コードに拡張する。 我々は,共同設計したトランスバーサルSTARアーキテクチャが,メガクオップスケールでの早期フォールト耐性量子シミュレーションに必要な物理資源を大幅に削減できると予想した。

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