論文の概要: Lower overhead fault-tolerant building blocks for noisy quantum computers

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.12385v1
• Date: Tue, 12 May 2026 16:47:51 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-13 21:48:57.028994
• Title: Lower overhead fault-tolerant building blocks for noisy quantum computers
• Title（参考訳）: 雑音量子コンピュータのための低オーバーヘッド耐故障構造ブロック
• Authors: Prithviraj Prabhu,
• Abstract要約: 現在の量子デバイスにおける高頻度ノイズは、基本的なアルゴリズムの正確な実行を妨げる。 これは量子誤り訂正符号で量子情報を保護することで修正できる。 6つの論理量子ビットを符号化した距離4の符号は、物理量子ビットの10分の1を用いて、距離5の曲面符号と同様に情報を保護する。
• 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: Quantum computation holds the promise of solving certain complex problems exponentially faster than classical computers. However, the high prevalent noise in current quantum devices impedes the accurate execution of even basic algorithms. This can be remedied by protecting quantum information with a quantum error-correcting code, where the logical information of an algorithmic qubit is spread across multiple physical qubits. Individual quantum errors are then located and corrected by the fault-tolerant measurement of multi-qubit stabilizer operators (parity checks). Unfortunately, error correction and fault tolerance both impose large demands on the qubit overhead: hundreds to thousands of physical qubits per logical qubit. We reduce the spacetime cost of fault tolerance by redesigning key building blocks of an error-corrected quantum computer. First, we develop a combinatorial proof with flag fault tolerance that exponentially reduces the extra qubits needed to measure a stabilizer of any size, while tolerating one fault. We leverage these proofs to then design state preparation circuits for the Steane and Golay codes with 100% yield. Next, we improve error correction on a planar layout by showing that a distance-four code encoding six logical qubits protects information as well as the distance-five surface code, using one-tenth as many physical qubits. Finally, we optimize the time overhead of logical gates in surface code quantum computers by protecting measurement results with a classical code, cutting computation time by a factor of two to six. Our hardware-agnostic optimizations of fault tolerance overheads thus suggest new routes to advance the timeline of error-free quantum computing.
• Abstract（参考訳）: 量子計算は、ある種の複雑な問題を古典的コンピュータよりも指数関数的に高速に解くという約束を果たす。 しかし、現在の量子デバイスにおける高頻度ノイズは、基本的なアルゴリズムの正確な実行を妨げる。 これは、量子情報を量子誤り訂正符号で保護することにより、アルゴリズム量子ビットの論理情報が複数の物理量子ビットに分散されるようにすることで改善することができる。 個々の量子誤差は、マルチキュービット安定化作用素(パリティチェック)のフォールトトレラント測定によって位置および補正される。 残念なことに、エラー訂正とフォールトトレランスはどちらも、論理量子ビット当たり数百から数千の物理量子ビットという、量子ビットのオーバーヘッドに大きな要求を課している。 我々は,誤り訂正量子コンピュータのキービルディングブロックを再設計することにより,耐故障性の時空コストを削減する。 まず, フラッグフォールトトレランスを持つ組合せ証明を開発し, 任意の大きさの安定化器の測定に必要な余分なキュービットを指数関数的に削減し, 一つの故障を許容する。 これらの証明を利用して、100%の収率でSteaneおよびGolay符号の状態準備回路を設計する。 次に,6つの論理量子ビットを符号化した4つの距離符号が,物理量子ビットの10分の1を用いて情報と5つの距離曲面符号を保護していることを示すことにより,平面配置の誤差補正を改善する。 最後に,古典符号を用いて測定結果を保護し,計算時間を2～6倍に短縮することで,曲面符号量子コンピュータにおける論理ゲートの時間オーバーヘッドを最適化する。 ハードウェアに依存しないフォールトトレランスオーバーヘッドの最適化により、エラーのない量子コンピューティングのタイムラインを前進させる新たなルートが提案される。

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