論文の概要: Efficient Multi-Controlled Gate Implementation in Trapped-Ion Systems
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.04654v1
- Date: Wed, 06 May 2026 08:59:52 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-05-07 18:41:07.737918
- Title: Efficient Multi-Controlled Gate Implementation in Trapped-Ion Systems
- Title（参考訳）: トラップイオンシステムにおける効率的なマルチ制御ゲート実装
- Abstract要約: 本研究では,Cirac-Zoller 方式を用いて,トラップイオン系におけるマルチコントロールゲートの効率的なパルスレベル実装を開発する。
選択演算子のRSBパルスコストは$mathcalO(Llog L)$から$mathcalO(L)$に削減でき、LCUベースの量子回路の効率とスケーラビリティを向上させることができる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.004435041831339
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Multi-controlled gates are essential primitives in quantum algorithms, yet implementing them via standard gate-level decompositions remains resource-intensive. We develop efficient pulse-level implementations of multi-controlled gates in trapped-ion systems using the Cirac-Zoller scheme. We first show that the Cirac-Zoller construction admits a freedom in the sign choice of red-sideband (RSB) pulses, which leaves the logical operation invariant up to a local Pauli-$Z$ correction. By exploiting this freedom, we construct equivalent realizations of multi-controlled gates and develop pulse cancellation for more efficient implementations of successive gates. We perform numerical simulations and show that pulse cancellation reduces the gate time and improves the state fidelity. Furthermore, we propose ancilla-free circuits for general $N$-controlled gates that use a single-controlled gate primitive and $\mathcal{O}(N)$ RSB pulses. As a key application, we apply our pulse cancellation to the linear combination of unitaries (LCU) method for block encoding. We show that the RSB-pulse cost of the select operator over $L$ unitaries can be reduced from $\mathcal{O}(L\log L)$ to $\mathcal{O}(L)$, which improves the efficiency and scalability of LCU-based quantum circuits.
- Abstract（参考訳）: マルチコントロールゲートは量子アルゴリズムにおいて必須のプリミティブであるが、標準ゲートレベルの分解による実装は資源集約型のままである。
本研究では,Cirac-Zoller 方式を用いて,トラップイオン系におけるマルチコントロールゲートの効率的なパルスレベル実装を開発する。
最初に、Cirac-Zoller構造は赤側バンドパルス(RSB)の符号選択の自由を認め、論理演算は局所的なPauli-$Z$補正に不変であることを示す。
この自由を生かして、多重制御ゲートの等価な実現を構築し、逐次ゲートのより効率的な実装のためのパルスキャンセルを開発する。
数値シミュレーションを行い、パルスキャンセルによりゲート時間を短縮し、状態忠実度を向上させることを示す。
さらに,単一制御ゲートプリミティブと$\mathcal{O}(N)$ RSBパルスを用いた一般の$N$制御ゲートに対するアンシラフリー回路を提案する。
鍵となる応用として、ブロック符号化のためのユニタリ法(LCU)の線形結合にパルスキャンセルを適用する。
選択演算子のRSBパルスコストが$L$のユニタリに対して$\mathcal{O}(L\log L)$から$\mathcal{O}(L)$に削減できることを示し、LCUベースの量子回路の効率性とスケーラビリティを向上させる。
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