論文の概要: Fast Native Three-Qubit Gates and Fault-Tolerant Quantum Error Correction with Trapped Rydberg Ions
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.16641v1
- Date: Thu, 18 Dec 2025 15:14:37 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-12-19 18:10:32.117371
- Title: Fast Native Three-Qubit Gates and Fault-Tolerant Quantum Error Correction with Trapped Rydberg Ions
- Title（参考訳）: トリプドベルクイオンを用いた高速3量子ゲートとフォールトトレラント量子誤差補正
- Authors: Katrin Bolsmann, Thiago L. M. Guedes, Weibin Li, Joseph W. P. Wilkinson, Igor Lesanovsky, Markus Müller,
- Abstract要約: マイクロ波配向Rydbergイオンを用いたネイティブ制御Zゲートを提案する。
その結果、ゲートは標準分解を1ビットと2ビットのゲートに上回る。
線形リドバーグイオン鎖上で完全にフォールトトレラントな量子誤差補正を行うことができることを示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.4561065827816844
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Trapped ions as one of the most promising quantum-information-processing platforms, yet conventional entangling gates mediated by collective motion remain slow and difficult to scale. Exciting trapped ions to high-lying electronic Rydberg states provides a promising route to overcome these limitations by enabling strong, long-range dipole-dipole interactions that support much faster multi-qubit operations. Here, we introduce the first scheme for implementing a native controlled-controlled-Z gate with microwave-dressed Rydberg ions by optimizing a single-pulse protocol that accounts for the finite Rydberg-state lifetime. The resulting gate outperforms standard decompositions into one- and two-qubit gates by achieving fidelities above 97% under realistic conditions, with execution times of about 2 microseconds at cryogenic temperatures. To explore the potential of trapped Rydberg ions for fault-tolerant quantum error correction, and to illustrate the utility of three-qubit Rydberg-ion gates in this context, we develop and analyze a proposal for fault-tolerant, measurement-free quantum error correction using the nine-qubit Bacon-Shor code. Our simulations confirm that quantum error correction can be performed in a fully fault-tolerant manner on a linear Rydberg-ion chain despite its limited qubit connectivity. These results establish native multiqubit Rydberg-ion gates as a valuable resource for fast, high-fidelity quantum computing and highlight their potential for fault-tolerant quantum error correction.
- Abstract（参考訳）: 最も有望な量子情報処理プラットフォームの1つであるトラップイオンは、集合運動によって媒介される従来のエンタングリングゲートは遅く、スケールが難しいままである。
閉じ込められたイオンを高密度電子状態に励起することで、より高速なマルチキュービット演算をサポートする強力な長距離双極子-双極子相互作用を可能にすることにより、これらの制限を克服する有望な経路を提供する。
ここでは、リドベルク状態の有限寿命を考慮に入れた単一パルスプロトコルを最適化することにより、マイクロ波配向Rydbergイオンを用いたネイティブ制御Zゲートを実装するための最初のスキームを紹介する。
結果として生じるゲートは、現実的な条件下で97%以上の忠実度を達成し、低温で約2マイクロ秒実行することで、標準の1ビットと2ビットのゲートへの分解よりも優れる。
フォールトトレラントな量子誤り訂正のためのトラップRydbergイオンの可能性を探究し、この文脈における3量子ビットRydbergイオンゲートの有用性を説明するため、9量子ビットBacon-Shor符号を用いたフォールトトレラントな無測定量子誤り訂正の提案と解析を行った。
シミュレーションにより、量子誤り訂正は、量子ビット接続が限られているにもかかわらず、線形リドバーグイオン鎖上で完全にフォールトトレラントな方法で行うことができることを確認した。
これらの結果は、高速で高忠実な量子コンピューティングのための貴重なリソースとして、ネイティブなマルチキュービットのRydberg-ionゲートを確立し、フォールトトレラントな量子誤り訂正の可能性を強調している。
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