論文の概要: Error-structure-tailored early fault-tolerant quantum computing

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.19983v1
• Date: Tue, 25 Nov 2025 06:51:46 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-11-26 17:37:04.3116
• Title: Error-structure-tailored early fault-tolerant quantum computing
• Title（参考訳）: エラー構造を考慮した早期フォールトトレラント量子コンピューティング
• Authors: Pei Zeng, Guo Zheng, Qian Xu, Liang Jiang,
• Abstract要約: 量子アルゴリズムでは、論理回転ゲート$R_Z_L(varphi)$が必須成分である。 本研究では, 耐故障条件を解析する誤り構造調整耐故障性について考察する。 分散結合ハミルトニアンにより実装された安定符号を用いた1フォールトトレラント連続角回転ゲートを設計する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.824800547988445
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Fault tolerance is widely regarded as indispensable for achieving scalable and reliable quantum computing. However, the spacetime overhead required for fault-tolerant quantum computating remains prohibitively large. A critical challenge arises in many quantum algorithms with Clifford + $\varphi$ compiling, where logical rotation gates $R_{Z_L}(\varphi)$ serve as essential components. The Eastin-Knill theorem prevents their transversal implementation in quantum error correction codes and necessitating resource-intensive workarounds through T-gate compilation combined with magic state distillation and injection. In this work, we consider error-structure-tailored fault tolerance, where fault-tolerance conditions are analyzed by combining perturbative analysis of realistic dissipative noise processes with the structural properties of stabilizer codes. Based on this framework, we design 1-fault-tolerant continuous-angle rotation gates in stabilizer codes, implemented via dispersive-coupling Hamiltonians. Our approach could circumvent the need for T-gate compilation and distillation, offering a hardware-efficient solution that maintains simplicity, minimizes physical footprint, and requires only nearest-neighbor interactions. Integrating with recent small-angle-state preparation techniques, we can suppress the gate error to $91|\varphi| p^2$ for small rotation angle (where p denotes the physical error rate). For current achievable hardware parameters ($p=10^{-3}$), this enables reliable execution of over $10^7$ small-angle rotations when $|\varphi|\approx 10^{-3}$, meeting the requirements of many near-term quantum applications. Compared to the 15-to-1 magic state distillation and magic state cultivation approaches, our method reduces spacetime resource costs by factors of 1337.5 and 43.6, respectively, for a Heisenberg Hamiltonian simulation task under realistic hardware assumptions.
• Abstract（参考訳）: フォールトトレランスは、スケーラブルで信頼性の高い量子コンピューティングを実現するのに不可欠であると考えられている。 しかし、フォールトトレラント量子計算に必要な時空オーバーヘッドは、違法に大きいままである。 多くの量子アルゴリズムにおいて、Clifford + $\varphi$コンパイルでは、論理回転ゲートが$R_{Z_L}(\varphi)$が必須成分として機能する。 Eastin-Knillの定理は、量子エラー訂正符号におけるそれらの超越的な実装を防ぎ、Tゲートコンパイルによるリソース集約的な回避とマジック状態の蒸留と注入を併用する。 本研究では,現実的な消音過程の摂動解析と安定化器符号の構造特性を組み合わせることで,耐故障条件を解析する誤り構造調整耐故障性について考察する。 この枠組みに基づいて,分散結合ハミルトニアンにより実装された安定器符号における1フォールトトレラント連続角回転ゲートを設計する。 我々の手法はTゲートのコンパイルと蒸留の必要性を回避し、単純さを維持し、物理的なフットプリントを最小限に抑え、最寄りの相互作用しか必要としないハードウェア効率のソリューションを提供する。 最近の小角状態生成技術と統合することにより、ゲート誤差を911|\varphi| p^2$に抑えることができる(pは物理誤差率を表す)。 現在の達成可能なハードウェアパラメータ(p=10^{-3}$)では、多くの短期量子アプリケーションの要件を満たすために、$|\varphi|\approx 10^{-3}$で10^7$以上の小角回転の信頼性の高い実行が可能になる。 本手法は15-to-1のマジックステート蒸留法とマジックステート培養法と比較して,現実的なハードウェア仮定の下でのハイゼンベルク・ハミルトンシミュレーションタスクにおいて,時空の資源コストを1337.5と43.6で削減する。

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