論文の概要: Noise-Resilient Quantum Evolution in Open Systems through Error-Correcting Frameworks

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.10206v1
• Date: Thu, 15 Jan 2026 09:11:33 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-01-16 19:43:19.073532
• Title: Noise-Resilient Quantum Evolution in Open Systems through Error-Correcting Frameworks
• Title（参考訳）: 誤り補正フレームワークによるオープンシステムの耐雑音性量子進化
• Authors: Nirupam Basak, Goutam Paul, Pritam Chattopadhyay,
• Abstract要約: 我々は、量子誤り訂正(QEC)符号を顕微鏡システムバスモデルに埋め込んだオープン量子系の量子状態保存を解析する。 結合強度, 浴槽温度, 補正サイクル数などの関数として, 論理量子ビットの状態忠実度を計算する。 2量子Werner状態の場合、QECが忠実さを向上しないまでの臨界進化時間を特定し、この時間は絡み合いが増大するにつれて増加する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.1415249818332813
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: We analyze quantum state preservation in open quantum systems using quantum error-correcting (QEC) codes that are explicitly embedded into microscopic system-bath models. Instead of abstract quantum channels, we consider multi-qubit registers coupled to bosonic thermal environments, derive a second-order master equation for the reduced dynamics, and use it to benchmark the five-qubit, Steane, and toric codes under local and collective noise. We compute state fidelities for logical qubits as functions of coupling strength, bath temperature, and the number of correction cycles. In the low-temperature regime, we find that repeated error-correction with the five-qubit code strongly suppresses decoherence and relaxation, while in the high-temperature regime, thermal excitations dominate the dynamics and reduce the benefit of all codes, though the five-qubit code still outperforms the Steane and toric codes. For two-qubit Werner states, we identify a critical evolution time before which QEC does not improve fidelity, and this time increases as entanglement grows. After this critical time, QEC does improve fidelity. Comparative analysis further reveals that the five-qubit code (the smallest perfect code) offers consistently higher fidelities than topological and concatenated architectures in these open-system settings. These findings establish a quantitative framework for evaluating QEC under realistic noise environments and provide guidance for developing noise-resilient quantum architectures in near-term quantum technologies.
• Abstract（参考訳）: 量子誤り訂正(QEC)符号を顕微鏡システムバスモデルに明示的に組み込んだオープン量子系の量子状態保存を解析する。 抽象量子チャネルの代わりに、ボソニック熱環境に結合したマルチキュービットレジスタを考慮し、還元力学の2階マスター方程式を導出し、局所的および集合的雑音下での5量子ビット、ステーン、トーリック符号のベンチマークに使用する。 結合強度, 浴槽温度, 補正サイクル数などの関数として, 論理量子ビットの状態忠実度を計算する。 低温状態では, 5量子ビット符号の繰り返し誤り訂正はデコヒーレンスや緩和を強く抑制するが, 高温状態では熱励起がダイナミクスを支配し, 全ての符号の利点を低下させるが, 5量子ビット符号はステアーン符号やトーリック符号よりも優れている。 2量子Werner状態の場合、QECが忠実さを向上しないまでの臨界進化時間を特定し、この時間は絡み合いが増大するにつれて増加する。 この臨界時間後、QECは忠実性を改善する。 比較分析により、5ビットのコード(最小の完全コード)は、これらのオープンシステム設定におけるトポロジ的および連結的アーキテクチャよりも一貫して高い忠実性を提供することが明らかになった。 これらの知見は,現実的な雑音環境下でのQEC評価のための定量的枠組みを確立し,短期量子技術における雑音耐性量子アーキテクチャ開発のためのガイダンスを提供する。

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