論文の概要: STAR-Magic Mutation: Even More Efficient Analog Rotation Gates for Early Fault-Tolerant Quantum Computer

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.22891v1
• Date: Tue, 24 Mar 2026 07:39:39 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-03-25 19:53:37.361067
• Title: STAR-Magic Mutation: Even More Efficient Analog Rotation Gates for Early Fault-Tolerant Quantum Computer
• Title（参考訳）: STAR-Magic Mutation:早期フォールトトレラント量子コンピュータのためのより効率的なアナログ回転ゲート
• Authors: Riki Toshio, Shota Kanasugi, Jun Fujisaki, Hirotaka Oshima, Shintaro Sato, Keisuke Fujii,
• Abstract要約: 本稿では,フォールトトレラント量子コンピュータ上で論理回転ゲートを実装するための効率的なプロトコルSTAR-magic mutationを紹介する。 また,STAR ver.3 と呼ばれる早期フォールトトレラント量子コンピュータ向けに設計された新しい量子コンピューティングアーキテクチャを提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.370310454459195
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: We introduce STAR-magic mutation, an efficient protocol for implementing logical rotation gates on early fault-tolerant quantum computers. This protocol judiciously combines two of the latest state preparation protocols: transversal multi-rotation protocol and magic state cultivation. It achieves a logical rotation gate with a favorable error scaling of $\mathcal{O}(θ_L^{2(1-Θ(1/d))}p_{\text{ph}})$, while requiring only the ancillary space of a single surface code patch. Here, $θ_L$ is the logical rotation angle, $p_{\text{ph}}$ is the physical error rate, and $d$ is the code distance. This scaling marks a significant improvement over the previous state-of-the-art, $\mathcal{O}(θ_L p_{\text{ph}})$, making our protocol particularly powerful for implementing a sequence of small-angle rotation gates, like Trotter-based circuits. Notably, for $θ_L \lesssim 10^{-5}$, our protocol achieves a two-order-of-magnitude reduction in both the execution time and the error rate of analog rotation gates compared to the standard $T$-gate synthesis using cultivated magic states. Building upon this protocol, we also propose a novel quantum computing architecture designed for early fault-tolerant quantum computers, dubbed ``STAR ver.~3". It employs a refined circuit compilation strategy based on Clifford+$T$+$φ$ gate set, rather than the conventional Clifford+$T$ or Clifford+$φ$ gate sets. We establish a theoretical bound on the feasible circuit size on this architecture and illustrate its capabilities by analyzing the spacetime costs for simulating the dynamics of quantum many-body systems. Specifically, we demonstrate that our architecture can simulate biologically-relevant molecules or lattice models at scales beyond the reach of exact classical simulation, with only a few hundred thousand physical qubits, even assuming a realistic error rate of $p_{\text{ph}}=10^{-3}$.
• Abstract（参考訳）: 本稿では,早期のフォールトトレラント量子コンピュータ上で論理回転ゲートを実装するための効率的なプロトコルSTAR-magic mutationを紹介する。 このプロトコルは、トランスバーサルマルチローテーションプロトコルとマジックステート培養という、最新の状態準備プロトコルの2つを巧みに組み合わせている。 論理回転ゲートは$\mathcal{O}(θ_L^{2(1->(1/d))}p_{\text{ph}})$で、単一の表面コードパッチの補助空間のみを必要とする。 ここで、$θ_L$は論理回転角、$p_{\text{ph}}$は物理誤差率、$d$は符号距離である。 このスケーリングは、以前の最先端である$\mathcal{O}(θ_L p_{\text{ph}})$よりも大幅に改善され、Trotterベースの回路のような小角回転ゲートのシーケンスを実装する上で、我々のプロトコルは特に強力である。 特に、$θ_L \lesssim 10^{-5}$の場合、我々のプロトコルは、栽培されたマジック状態を用いた標準的な$T$-gate合成と比較して、実行時間とアナログ回転ゲートの誤差率の両方において、2次の減少を達成する。 また,このプロトコルを基盤として,早期フォールトトレラントな量子コンピュータのための新しい量子コンピューティングアーキテクチャである ``STAR ver を提案する。 3』。 Clifford+$T$+$φ$ゲートセットではなく、Clifford+$T$+$φ$ゲートセットに基づく洗練された回路コンパイル戦略を採用している。 このアーキテクチャ上で実現可能な回路サイズに理論的拘束力を確立し、量子多体系の力学をシミュレートするための時空コストを解析してその能力を説明する。 具体的には, 実測誤差が$p_{\text{ph}}=10^{-3}$と仮定しても, 数万の物理量子ビットしか持たない, 正確な古典シミュレーションの範囲を超えて, 生体関連分子や格子模型をシミュレーションできることを実証する。

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