論文の概要: Efficient circuit compression by multi-qudit entangling gates in linear optical quantum computation
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.08394v1
- Date: Mon, 09 Feb 2026 08:52:41 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-02-10 20:26:25.13486
- Title: Efficient circuit compression by multi-qudit entangling gates in linear optical quantum computation
- Title（参考訳）: 線形光量子計算における多量子エンタングルゲートによる効率的な回路圧縮
- Authors: Apurav, Jaskaran Singh,
- Abstract要約: LOQCの複数モードで符号化されたキューディットに対するマルチレベル制御ent-Zゲートの存在を示す。
このような演算を実現するための明確な線形光学スキームを提案する。
この結果から,LOQCアーキテクチャのスケーラビリティの限界が大幅に改善され,性能が大幅に向上した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.9157770789584179
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
- Abstract: Linear optical quantum computation (LOQC) offers a promising platform for scalable quantum information processing, but its scalability is fundamentally constrained by the probabilistic nature of non-local entangling gates. Qudit circuit compression schemes mitigate this issue by encoding multiple qubits onto qudits. However, these schemes become inefficient when only a subset of the encoded qubits is required to participate in the non-local entangling gate, leading to an exponential increase in the number of non-local gates. In this Letter, we address this bottleneck by demonstrating the existence of multi-level control-Z (CZ) gates for qudits encoded in multiple spatial modes in LOQC. Unlike conventional two-level CZ gates, which act only on a single pair of modes, multi-level CZ gates impart a conditional phase shift for an arbitrarily chosen subset of the spatial modes. We present two explicit linear optical schemes that realize such operations, illustrating a fundamental trade-off between prior information about the input quantum state and the physical resources required. The first scheme is realized with a constant success probability of $1/8$ independent of the qudit dimension using a single non-local entangling gate, at the cost of state dependence, which is significantly better than the current success probability of $1/9$. Our second scheme provides a fully state independent realization reducing the number of non-local gates to $\mathcal{O}(2^{r_1}+2^{r_2})$ as compared to the existing bound of $\mathcal{O}(2^{r_1+r_2})$ where $r_1$ and $r_2$ are the number of qubits to be removed as control in the qudits. The success probability of the realization is $\frac{1}{2} \left(\frac{1}{8}\right)^{2^{r_1}+2^{r_2}}$. When combined with qudit circuit compression schemes, our results improve upon a key scalability limitation and significantly improve the efficiency of LOQC architectures.
- Abstract（参考訳）: 線形光量子計算(LOQC)はスケーラブルな量子情報処理のための有望なプラットフォームを提供するが、そのスケーラビリティは非局所エンタングリングゲートの確率的性質によって根本的に制約されている。
量子回路圧縮スキームは、複数の量子ビットを量子ビットに符号化することでこの問題を軽減する。
しかし、これらのスキームは非局所エンタングゲートに参加するために符号化された量子ビットのサブセットだけを必要とすると非効率になり、非局所ゲートの数が指数関数的に増加する。
本稿では、LOQCにおける複数の空間モードで符号化されたキューディットのためのマルチレベル制御-Z(CZ)ゲートの存在を示すことで、このボトルネックに対処する。
従来の2レベルCZゲートは1組のモードのみで動作するが、マルチレベルCZゲートは任意の選択された空間モードのサブセットに対して条件相シフトを与える。
本稿では、入力量子状態と必要な物理資源の事前情報との基本的なトレードオフを図り、そのような演算を実現するための2つの明示的な線形光学スキームを提案する。
最初のスキームは、1つの非局所エンタングゲートを用いて、クーディ次元から独立して1/8$の一定の成功確率で実現され、これは現在の成功確率1/9$よりもはるかに良い。
我々の第二のスキームは、非局所ゲートの数を$\mathcal{O}(2^{r_1}+2^{r_2})$に減らし、既存の$\mathcal{O}(2^{r_1+r_2})$に対して$r_1$と$r_2$は、クォーディットの制御として取り除かれるキュービットの数である。
実現の確率は$\frac{1}{2} \left(\frac{1}{8}\right)^{2^{r_1}+2^{r_2}}$である。
Qudit回路の圧縮方式と組み合わせることで,鍵となる拡張性限界が向上し,LOQCアーキテクチャの効率が大幅に向上する。
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