論文の概要: Entangling logical qubits without physical operations

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.20927v1
• Date: Wed, 28 Jan 2026 19:00:00 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-01-30 16:22:49.384296
• Title: Entangling logical qubits without physical operations
• Title（参考訳）: 物理的操作を伴わない論理量子ビットのエンタング
• Authors: Jin Ming Koh, Anqi Gong, Andrei C. Diaconu, Daniel Bochen Tan, Alexandra A. Geim, Michael J. Gullans, Norman Y. Yao, Mikhail D. Lukin, Shayan Majidy,
• Abstract要約: コードブロック内の全ての論理量子ビット間の絡み合うゲートを実現するファントム符号-量子誤り訂正符号を,コンパイル中の物理量子ビットの組換えにより純粋に導入する。 我々の研究は、高密度局所エンタングリング構造を持つワークロードに対してスケーラブルな利点を持つフォールトトレラント量子計算への実行可能なアーキテクチャ経路としてファントム符号を確立している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 32.39799715470528
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Fault-tolerant logical entangling gates are essential for scalable quantum computing, but are limited by the error rates and overheads of physical two-qubit gates and measurements. To address this limitation, we introduce phantom codes-quantum error-correcting codes that realize entangling gates between all logical qubits in a code block purely through relabelling of physical qubits during compilation, yielding perfect fidelity with no spatial or temporal overhead. We present a systematic study of such codes. First, we identify phantom codes using complementary numerical and analytical approaches. We exhaustively enumerate all $2.71 \times 10^{10}$ inequivalent CSS codes up to $n=14$ and identify additional instances up to $n=21$ via SAT-based methods. We then construct higher-distance phantom-code families using quantum Reed-Muller codes and the binarization of qudit codes. Across all identified codes, we characterize other supported fault-tolerant logical Clifford and non-Clifford operations. Second, through end-to-end noisy simulations with state preparation, full QEC cycles, and realistic physical error rates, we demonstrate scalable advantages of phantom codes over the surface code across multiple tasks. We observe a one-to-two order-of-magnitude reduction in logical infidelity at comparable qubit overhead for GHZ-state preparation and Trotterized many-body simulation tasks, given a modest preselection acceptance rate. Our work establishes phantom codes as a viable architectural route to fault-tolerant quantum computation with scalable benefits for workloads with dense local entangling structure, and introduces general tools for systematically exploring the broader landscape of quantum error-correcting codes.
• Abstract（参考訳）: フォールトトレラントな論理エンタングゲートはスケーラブルな量子コンピューティングには不可欠であるが、物理2ビットゲートと測定値の誤差率とオーバーヘッドによって制限される。 この制限に対処するために,コードブロック内の全ての論理量子ビット間の絡み合うゲートを実現するファントム符号-量子誤り訂正符号を導入する。 このような符号の体系的な研究について述べる。 まず,相補的数値および解析的手法を用いてファントム符号を同定する。 すべての$.71 \times 10^{10}$ 等価なCSSコードを$n=14$まで列挙し、SATベースのメソッドで$n=21$まで追加のインスタンスを識別します。 次に、量子リード・ミュラー符号とキュディ符号の双項化を用いて、高距離ファントム符号群を構築する。 特定されたすべてのコードの中で、サポート対象のフォールトトレラントな論理的Cliffordおよび非Clifford演算を特徴付ける。 第二に、状態準備、完全QECサイクル、現実的な物理的エラー率によるエンドツーエンドノイズシミュレーションを通じて、複数のタスクにわたる表面コードに対するファントム符号のスケーラブルな利点を実証する。 我々は,GHZ状態の準備とトロッタライズされた多体シミュレーションタスクに比較して,論理的不整合の1対2のオーダー・オブ・マグニチュード・オブ・マグニチュードを1ビットのオーバヘッドで観測する。 我々の研究は、高密度な局所エンタングリング構造を持つワークロードに対してスケーラブルな利点を生かし、フォールトトレラントな量子計算への実行可能なアーキテクチャのルートとしてファントム符号を確立し、量子エラー訂正符号のより広い視野を体系的に探索するための一般的なツールを導入している。

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