論文の概要: Efficient three-qubit gates with giant atoms

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.04545v1
• Date: Mon, 06 Oct 2025 07:22:16 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-07 16:52:59.724929
• Title: Efficient three-qubit gates with giant atoms
• Title（参考訳）: 巨大原子を持つ効率の良い3量子ゲート
• Authors: Guangze Chen, Anton Frisk Kockum,
• Abstract要約: 本稿では,巨大原子と導波路を用いた高速で高忠実な3ビットゲートの実装と解析を行う。 99.5%を超える忠実度は超伝導回路の現在の実験パラメータで達成可能であることを示す。 本研究は, 高温量子コンピュータと量子シミュレータにおいて, タングル状態の準備と低深さ量子回路設計のための有望なプラットフォームとして, 巨大原子系を位置づけたものである。
• 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: Three-qubit gates are highly beneficial operations in quantum computing, enabling compact implementations of quantum algorithms and efficient generation of multipartite entangled states. However, realizing such gates with high fidelity remains challenging due to crosstalk, complex control requirements, and the overhead of parametric or tunable couplers. In this work, we propose and analyze the implementation of fast, high-fidelity three-qubit gates using giant atoms--artificial atoms coupled to a waveguide at multiple spatially separated points. By leveraging interference effects intrinsic to the giant-atom architecture, we demonstrate that native three-qubit gates, such as the controlled-CZ-SWAP (CCZS) and the dual-iSWAP (DIV), can be realized through simple frequency tuning, without the need for complex pulse shaping or additional hardware. We evaluate gate performance under realistic decoherence and show that fidelities exceeding 99.5% are achievable with current experimental parameters in superconducting circuits. As an application, we present a scalable protocol for preparing three- and five-qubit GHZ states using minimal gate depth, achieving high state fidelity within sub-300ns timescales. Our results position giant-atom systems as a promising platform for entangled-state preparation and low-depth quantum circuit design in near-term quantum computers and quantum simulators.
• Abstract（参考訳）: 3量子ビットゲートは量子コンピューティングにおいて非常に有用な演算であり、量子アルゴリズムのコンパクトな実装と多部交絡状態の効率的な生成を可能にしている。 しかし、クロストークや複雑な制御要件、パラメトリックまたはチューナブルなカウンタのオーバーヘッドなどにより、高い忠実度でそのようなゲートを実現することは依然として困難である。 本研究では,複数の空間的分離点において導波路に結合した巨大原子-人工原子を用いた高速で高忠実な3ビットゲートの実装を提案し,解析する。 巨大原子アーキテクチャに固有の干渉効果を利用することで、複雑なパルス整形やハードウェアを必要とせずに、単純な周波数調整により、制御型CZ-SWAP(CCZS)やデュアルiSWAP(DIV)のようなネイティブな3ビットゲートが実現可能であることを示す。 我々は,現実的なデコヒーレンス下でのゲート性能を評価し,超伝導回路における現在の実験パラメータと99.5%以上の忠実度が達成可能であることを示す。 アプリケーションとして,3ビットおよび5ビットのGHZ状態を最小のゲート深さで作成し,300ns以下の時間スケールで高い状態忠実度を実現するためのスケーラブルなプロトコルを提案する。 本研究は, 高温量子コンピュータと量子シミュレータにおいて, タングル状態の準備と低深さ量子回路設計のための有望なプラットフォームとして, 巨大原子系を位置づけたものである。

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