論文の概要: Beyond Monolithic Scaling: Modularity and Heterogeneity as an Architectural Imperative for Utility-Scale Quantum Computing

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2604.24059v1
• Date: Mon, 27 Apr 2026 05:31:39 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-04-28 17:12:07.753992
• Title: Beyond Monolithic Scaling: Modularity and Heterogeneity as an Architectural Imperative for Utility-Scale Quantum Computing
• Title（参考訳）: モノリシックスケーリングを超えて - 実用規模量子コンピューティングのアーキテクチャ的インペラティブとしてのモジュール性と異質性
• Authors: Bo Fan, Renzhou Fang, Yuntao Zhang, Xiaolong Yuan, Dafa Zhao,
• Abstract要約: グローバル・ユニタリーからローカル・オペレーション・アンド・クラシック・コミュニケーションへの構造的移行を定式化する。 階層型セマンティックアーキテクチャとタイムアウェアなReserve--Commitプロトコルを導入する。 我々は、N_c sim 105$--$106$物理量子ビットでクロスオーバースケールを計画する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.9732867569923458
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Scalable quantum computing is fundamentally bottlenecked not by qubit count or fabrication yield, but by a rigid temporal mismatch: macroscopic classical coordination latency ($τ_c$) inevitably grows with system diameter, while microscopic quantum coherence ($τ_q$) remains strictly bounded. Beyond a critical scale, this mismatch breaches the classical control light cone, triggering a superlinear geometric penalty ($ε> 0$) that renders monolithic synchronization physically impossible. We formalize the resulting structural phase transition through a governing scaling law, $1+ε> γ$, which mandates modular decomposition and a shift from global unitaries to Local Operations and Classical Communication (LOCC). To manage the resulting resource contention under strict coherence budgets, we introduce a layered semantic architecture and a time-aware Reserve--Commit protocol. By embedding predictive temporal pre-validation, the protocol acts as an architectural semantic classifier: it preemptively aborts transactions that exceed the causal horizon and explicitly converts scheduling-induced failures into location-known erasure metadata, directly relaxing hardware fidelity thresholds for downstream QEC decoders. Under near-term transduction targets ($η_{\mathrm{trans}} \sim 0.1$), we project a crossover scale at $N_c \sim 10^5$--$10^6$ physical qubits. This threshold marks a profound architectural convergence: the footprint required for modularity aligns precisely with early fault-tolerant utility, establishing time-aware distributed orchestration, rather than monolithic expansion or centralized classical control, as the physical imperative for utility-scale quantum computing.
• Abstract（参考訳）: スケーラブル量子コンピューティングは、基本的には量子ビット数や製造の収量ではなく、厳密な時間的ミスマッチによってボトルネックされる: マクロ古典的調整遅延(τ_c$)はシステム直径とともに必然的に増大するが、微視的量子コヒーレンス(τ_q$)は厳密な拘束力を維持している。 臨界スケールを超えて、このミスマッチは古典的な制御光円錐を破り、モノリシック同期を物理的に不可能にする超線形幾何学的ペナルティ(ε> 0$)を引き起こす。 我々は、モジュラー分解とグローバルユニタリーからLOCC(Local Operations and Classical Communication)への移行を義務付ける1+ε> γ$による構造相遷移を定式化した。 厳密なコヒーレンス予算の下で資源の競合を管理するために,階層型セマンティックアーキテクチャと時間対応型Reserve-Commitプロトコルを導入する。 このプロトコルは、予測的時間的プレバリデーションを組み込むことにより、アーキテクチャ上の意味分類器として機能し、因果的地平線を超えるトランザクションをプリエンプティブに中止し、スケジューリングによって引き起こされる障害を、位置既知の消去メタデータに明示的に変換し、下流QECデコーダのハードウェア忠実度閾値を直接緩和する。 短期的変換対象(η_{\mathrm{trans}} \sim 0.1$)の下では、N_c \sim 10^5$--$10^6$物理量子ビットでのクロスオーバースケールを計画する。 モジュラリティに必要なフットプリントは、初期のフォールトトレラントなユーティリティと正確に整合し、ユーティリティスケールの量子コンピューティングの物理命令として、モノリシックな拡張や中央集権的な古典的制御ではなく、タイムアウェアな分散オーケストレーションを確立する。

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