論文の概要: Unitary fault-tolerant encoding of Pauli states in surface codes

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.05113v1
• Date: Thu, 08 Jan 2026 17:00:25 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-01-09 17:01:53.29353
• Title: Unitary fault-tolerant encoding of Pauli states in surface codes
• Title（参考訳）: 表面符号におけるパウリ状態のユニタリフォールトトレラント符号化
• Authors: Luis Colmenarez, Remmy Zen, Jan Olle, Florian Marquardt, Markus Müller,
• Abstract要約: 表面符号におけるパウリ固有状態を作成するための一元的かつスケーラブルで、距離保存可能な符号化方式を提案する。 我々の研究は、表面コード状態の計測ベースとユニタリエンコーディングのギャップを埋める。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.8314040122511801
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: In fault-tolerant quantum computation, the preparation of logical states is a ubiquitous subroutine, yet significant challenges persist even for the simplest states required. In the present work, we present a unitary, scalable, distance-preserving encoding scheme for preparing Pauli eigenstates in surface codes. Unlike previous unitary approaches whose fault-distance remains constant with increasing code distance, our scheme ensures that the protection offered by the code is preserved during state preparation. Building on strategies discovered by reinforcement learning for the surface-17 code, we generalize the construction to arbitrary code distances and both rotated and unrotated surface codes. The proposed encoding relies only on geometrically local gates, and is therefore fully compatible with planar 2D qubit connectivity, and it achieves circuit depth scaling as $\mathcal{O}(d)$, consistent with fundamental entanglement-generation bounds. We design explicit stabilizer-expanding circuits with and without ancilla-mediated connectivity and analyze their error-propagation behavior. Numerical simulations under depolarizing noise show that our unitary encoding without ancillas outperforms standard stabilizer-measurement-based schemes, reducing logical error rates by up to an order of magnitude. These results make the scheme particularly relevant for platforms such as trapped ions and neutral atoms, where measurements are costly relative to gates and idling noise is considerably weaker than gate noise. Our work bridges the gap between measurement-based and unitary encodings of surface-code states and opens new directions for distance-preserving state preparation in fault-tolerant quantum computation.
• Abstract（参考訳）: フォールトトレラント量子計算では、論理状態の生成はユビキタスなサブルーチンであるが、最も単純な状態であっても大きな課題が続く。 本研究では,表面符号中のパウリ固有状態を作成するための一元的かつスケーラブルな距離保存符号化方式を提案する。 コード距離の増加に伴ってフォールト距離が一定である従来のユニタリアプローチとは異なり、コードによって提供される保護が状態準備中に保持されることを保証する。 表面17符号の強化学習によって発見された戦略に基づいて、任意の符号距離と回転および回転しない曲面符号の両方に構築を一般化する。 提案した符号化は幾何学的局所ゲートのみに依存しており、したがって平面2次元量子ビット接続と完全互換であり、基本エンタングルメント生成境界と整合した$\mathcal{O}(d)$の回路深さスケーリングを実現する。 我々は、アンシラ経由の接続と不要な接続により、明確な安定化回路を設計し、それらのエラー伝搬挙動を解析する。 偏極雑音下での数値シミュレーションにより, アンシラのないユニタリ符号化は標準安定化器測定方式より優れており, 論理誤差率を最大1桁まで低減できることがわかった。 これらの結果から, 閉じ込められたイオンや中性原子などのプラットフォームにおいて, 測定コストがゲートに比例し, アイドリングノイズがゲートノイズよりもかなり弱いため, 本手法は特に重要となる。 我々の研究は、表面コード状態の計測ベースとユニタリエンコーディングのギャップを埋め、フォールトトレラント量子計算における距離保存状態の準備のための新しい方向を開く。

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