論文の概要: A fault-tolerant encoding for qubit-controlled collective spins

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.15760v1
• Date: Mon, 16 Mar 2026 18:00:24 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-03-18 17:42:06.926378
• Title: A fault-tolerant encoding for qubit-controlled collective spins
• Title（参考訳）: 量子ビット制御された集合スピンのフォールトトレラント符号化
• Authors: Charlotte Franke, Dorian A. Gangloff,
• Abstract要約: スピンコヒーレント状態の重ね合わせにおいて量子ビットを符号化し、ボソニックキャット符号を置換対称スピンアンサンブルのモジュラ部分空間に一般化するスピン-N-Cat符号を導入する。 また、量子ドットのような中心スピン系において、符号化、復号化、万能、フォールトトレラント、およびバイアス保存ゲートセットを一階の相互作用のみを用いて実装する効率的な物理実現法を提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.05729426778193398
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum error correction (QEC) is indispensable for scalable quantum computing, but implementing it with minimal hardware overhead remains a central challenge. Large spin systems with collective degrees of freedom offer a promising route to reducing the control complexity of qubit architectures while retaining a large Hilbert space for fault-tolerant encoding. However, existing proposals for logical gates and QEC in spin ensembles generally rely on inefficient higher-order interactions. Here we introduce spin-N-Cat codes, which encode logical qubits in superpositions of spin-coherent states and generalize bosonic Cat codes to the modular subspaces of permutationally symmetric spin ensembles. The code corrects collective and individual dephasing, excitation, and decay errors. We also present an efficient physical realization in central-spin systems, such as a quantum dot, where encoding, decoding, and a universal, fault-tolerant, and bias-preserving gate set are implemented using only first-order interactions. Numerical simulations demonstrate high logical fidelity under dephasing and excitation-decay noise, independent of noise bias, and that full QEC cycles are feasible with realistic microscopic parameters. For the large collective spins available in quantum dots, this translates into a substantial extension of coherence time. Our results establish spin-N-Cat codes as a scalable, hardware-efficient approach to QEC in spin-based quantum architectures.
• Abstract（参考訳）: 量子エラー補正(QEC)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、ハードウェアオーバーヘッドを最小限に抑えた実装は依然として中心的な課題である。 集合的自由度を持つ大きなスピン系は、フォールトトレラント符号化のための大きなヒルベルト空間を保持しながら、キュービットアーキテクチャの制御複雑性を減少させる有望な経路を提供する。 しかし、スピンアンサンブルにおける論理ゲートとQECの既存の提案は一般に非効率な高次相互作用に依存している。 ここではスピン-N-Cat符号を導入し、スピンコヒーレント状態の重ね合わせにおける論理量子ビットを符号化し、ボソニックキャット符号を置換対称スピンアンサンブルのモジュラ部分空間に一般化する。 このコードは、集団的および個人的嫌悪、興奮、腐敗の誤りを訂正する。 また、量子ドットのような中心スピン系において、符号化、復号化、万能、フォールトトレラント、およびバイアス保存ゲートセットを一階の相互作用のみを用いて実装する効率的な物理実現法を提案する。 数値シミュレーションにより, 騒音バイアスによらず, 減音・励振デカイ雑音下では高い論理的忠実度を示し, 完全なQECサイクルが現実的な微視的パラメータで実現可能であることを示す。 量子ドットで利用可能な大きな集合スピンの場合、これはコヒーレンス時間を大幅に延長する。 我々はスピンベース量子アーキテクチャにおけるQECに対するスケーラブルでハードウェア効率のよいアプローチとしてスピン-N-Cat符号を確立した。

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