論文の概要: Designing quantum technologies with a quantum computer
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.22091v1
- Date: Thu, 29 Jan 2026 18:26:54 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-01-30 16:22:50.075179
- Title: Designing quantum technologies with a quantum computer
- Title（参考訳）: 量子コンピュータによる量子技術の設計
- Authors: Juan Naranjo, Thi Ha Kyaw, Gaurav Saxena, Kevin Ferreira, Jack S. Baker,
- Abstract要約: 一般電子スピン共鳴ハミルトニアンを用いたデバイスシミュレーションのための量子コンピュータ支援フレームワークを開発した。
このモデルでは、グレーエンコードされたqudit-to-qubitマッピング、qubit-wise commutingアグリゲーション、およびマルチ参照選択量子クリロフ高速フォワードアルゴリズムを組み合わせる。
数値シミュレーションはマイクロ波吸収スペクトルとともに$sim100$nsまでの自己相関関数の計算を実証する。
本フレームワークを古典シミュレーションに対してベンチマークし,ハードウェアコストの固定精度を規定する主要な要因として,sQKFFにおける参照状態の選択を同定する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.4951795042951048
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Interacting spin systems in solids underpin a wide range of quantum technologies, from quantum sensors and single-photon sources to spin-defect-based quantum registers and processors. We develop a quantum-computer-aided framework for simulating such devices using a general electron spin resonance Hamiltonian incorporating zero-field splitting, the Zeeman effect, hyperfine interactions, dipole-dipole spin-spin terms, and electron-phonon decoherence. Within this model, we combine Gray-encoded qudit-to-qubit mappings, qubit-wise commuting aggregation, and a multi-reference selected quantum Krylov fast-forwarding (sQKFF) hybrid algorithm to access long-time dynamics while remaining compatible with NISQ and early fault-tolerant hardware constraints. Numerical simulations demonstrate the computation of autocorrelation functions up to $\sim100$ ns, together with microwave absorption spectra and the $\ell_1$-norm of coherence, achieving 18-30$\%$ reductions in gate counts and circuit depth for Trotterized time-evolution circuits compared to unoptimized implementations. Using the nitrogen vacancy center in diamond as a testbed, we benchmark the framework against classical simulations and identify the reference-state selection in sQKFF as the primary factor governing accuracy at fixed hardware cost. This methodology provides a flexible blueprint for using quantum computers to design, compare, and optimize solid-state spin-qubit technologies under experimentally realistic conditions.
- Abstract（参考訳）: 固体中のスピンシステムは、量子センサーや単一光子源からスピン欠陥ベースの量子レジスタやプロセッサまで、幅広い量子技術を支える。
我々は、ゼロフィールド分割、ゼーマン効果、超微細相互作用、双極子スピンスピン項、電子-フォノンデコヒーレンスを取り入れた一般的な電子スピン共鳴ハミルトニアンを用いて、そのようなデバイスをシミュレーションするための量子コンピュータ支援フレームワークを開発する。
本モデルでは,Gray-encoded qudit-to-qubit maps,qubit-wise commuting aggregates,およびマルチ参照選択量子Krylov fast-forwarding (sQKFF)ハイブリッドアルゴリズムを組み合わせて,NISQと早期フォールトトレラントハードウェア制約との互換性を維持しながら,長時間のダイナミックスにアクセスできる。
数値シミュレーションにより、マイクロ波吸収スペクトルと$\ell_1$-normのコヒーレンスとともに最大$\sim100$nsの自己相関関数の計算を実証し、最適化されていない実装と比較して18-30$\%のゲート数と回路深さを減少させた。
ダイヤモンド中の窒素空孔中心をテストベッドとして,従来のシミュレーションと比較し,sQKFFにおける基準状態の選択を固定ハードウェアコストの精度を規定する主要な要因として同定した。
この手法は、実験的に現実的な条件下で固体スピン量子技術の設計、比較、最適化に量子コンピュータを使用する柔軟な青写真を提供する。
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