論文の概要: Spin-Cat Qubit with Biased Noise in an Optical Tweezer Array

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.22883v1
• Date: Thu, 26 Feb 2026 11:22:10 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-02-27 18:41:22.659938
• Title: Spin-Cat Qubit with Biased Noise in an Optical Tweezer Array
• Title（参考訳）: 光ツイーザアレイにおけるバイアス雑音を有するスピンキャット量子ビット
• Authors: Toshi Kusano, Kosuke Shibata, Chih-Han Yeh, Keito Saito, Yuma Nakamura, Rei Yokoyama, Takumi Kashimoto, Tetsushi Takano, Yosuke Takasu, Ryuji Takagi, Yoshiro Takahashi,
• Abstract要約: Bias-tailored quantum error correcting codes (QECC) は、標準QECCよりも高いエラー閾値を提供する。 スピンキャット量子ビット(英: spin-cat qubit)は、大きな核スピン-F$システムでエンコードされ、バイアス調整されたQECCの候補となる。 本研究は, 偏差補正QECCの実現に向けたスピンキャット量子ビットの実現可能性を示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Bias-tailored quantum error correcting codes (QECCs) offer a higher error threshold than standard QECCs and have the potential to achieve lower logical errors with less space overhead. The spin-cat qubit, encoded in a large nuclear spin-$F$ system, is a promising candidate for bias-tailored QECCs. Yet its feasibility is hindered by the difficulty of performing fast covariant SU(2) rotation with arbitrary rotation angles for nuclear spins and by a lack of noise characterization for gate operations in neutral atom platforms. Here we demonstrate single-qubit controls of ${}^{173}\mathrm{Yb}$ spin-cat qubits with nuclear spin $I=5/2$ in an optical tweezer array. We implement a covariant SU(2) rotation and non-linear rotations by optical beams and achieve an averaged single-Clifford gate fidelity of $0.961_{-5}^{+5}$. The measurement of the coherence time and spin relaxation time shows that the idling error becomes increasingly biased toward dephasing errors as the magnitude of the encoded sublevel $|m_F|$ increases. Furthermore, we benchmark the noise bias of rank-preserving gates on spin-cat qubits, demonstrating a finite bias of $18_{-11}^{+132}$, in contrast to the case of the two-level system in ${}^{171}\mathrm{Yb}$, which shows no bias within the experimental uncertainty. Our work demonstrates the feasibility of spin-cat qubits for realizing bias-tailored QECCs, paving the way for achieving hardware-efficient quantum error correction.
• Abstract（参考訳）: Bias-tailored quantum error correcting codes (QECC) は、標準的なQECCよりも高いエラーしきい値を提供し、より少ない空間オーバーヘッドで低い論理誤差を達成することができる。 スピンキャット量子ビット(英: spin-cat qubit)は、大きな核スピン-F$システムでエンコードされ、バイアス調整されたQECCの候補となる。 しかし、核スピンの任意の回転角を持つ高速共変SU(2)回転の実行や、中性原子プラットフォームにおけるゲート操作のノイズ特性の欠如により、その実現可能性の妨げとなる。 ここでは、光ツイーザアレイにおいて、核スピン$I=5/2$で${}^{173}\mathrm{Yb}$ spin-cat qubitsのシングルキュービット制御を実演する。 光ビームによる共変SU(2)回転と非線形回転を実装し、平均的な単一クリフォードゲート忠実度を0.961_{-5}^{+5}$とする。 コヒーレンス時間とスピン緩和時間の測定は、符号化されたサブレベル $|m_F|$ の大きさが大きくなるにつれて、アイドリング誤差がデファーズエラーに偏っていることを示している。 さらに、スピンキャット量子ビット上のランク保存ゲートのノイズバイアスをベンチマークし、実験の不確実性の範囲内でバイアスを示さない${}^{171}\mathrm{Yb}$の2レベルシステムとは対照的に、18_{-11}^{+132}$の有限バイアスを示す。 本研究は, 偏差補正QECCを実現するためのスピンキャット量子ビットの実現可能性を示し, ハードウェア効率のよい量子誤差補正を実現する方法を提案する。

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