論文の概要: OAM-Induced Lattice Rotation Reveals a Fractional Optimum in Fault-Tolerant GKP Quantum Sensing

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.13271v1
• Date: Wed, 13 May 2026 09:49:16 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-14 23:30:27.958164
• Title: OAM-Induced Lattice Rotation Reveals a Fractional Optimum in Fault-Tolerant GKP Quantum Sensing
• Title（参考訳）: 耐故障性GKP量子センシングにおけるOAM誘起格子回転の最適解像
• Authors: Simanshu Kumar, Nandan S Bisht,
• Abstract要約: 軌道角モメンタム符号化とGottesman-Kitaev-Preskill(GKP)格子幾何学が構造的に結合していることを確立する。 終端から終端までの微分可能なStrawberry Fields--TensorFlow回路を用いて、$ell$、格子アスペクト比$r$、および有限エネルギーエンベロープ$$を共に最適化し、量子フィッシャー情報を最大化する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Photon loss and dephasing rapidly degrade the sensitivity of quantum sensors, yet systematic methods for designing error-correcting codes whose geometry is simultaneously adapted to the sensing task and the noise channel do not exist. Here we establish that orbital-angular-momentum (OAM) encoding and Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) lattice geometry are structurally coupled: an OAM mode of topological charge $\ell$ induces a phase-space rotation $θ_\ell=\ellπ/\ell_{\max}$, corresponding to a family of twisted GKP stabilizer lattices. Using an end-to-end differentiable Strawberry Fields--TensorFlow circuit, we jointly optimise $\ell$, the lattice aspect ratio $r$, and the finite-energy envelope $ε$ to maximise quantum Fisher information subject to $P_{\rm err}\leq10^{-3}$. The optimum occurs at the fractional charge $\ell=1.5$ ($θ=67.5^\circ$), implementable with a half-integer spiral phase plate, which reduces $P_{\rm err}$ by $23.9\times$ relative to the square-lattice baseline while leaving $\mathcal{F}_Q$ unchanged to within $0.2\%$. This surpasses the best integer value ($\ell=2$, $15.7\times$) and arises from an exact $180^\circ$ periodicity of the $P_{\rm err}(θ)$ landscape, confirmed analytically and numerically. We derive a transcendental balance equation for the optimal angle $θ^*(η,γ,r)$ and prove that it decreases with both $γ$ and $η$. A Shannon-inspired metrological capacity $\mathcal{C}=\mathcal{F}_Q\cdot(-\ln P_{\rm err})$, maximised at $\ell=1.5$ with a $41\%$ gain over the square lattice, quantifies the joint sensitivity--fault-tolerance resource. These results establish a geometric design principle for noise-adaptive quantum sensors and a fully open-source differentiable template extensible to other bosonic code families.
• Abstract（参考訳）: 量子センサの感度は急速に低下するが、幾何が検知タスクとノイズチャネルに同時に適応した誤り訂正符号を設計するための体系的な手法は存在しない。 ここでは、軌道角運動量(OAM)エンコーディングとゴットマン・キタエフ・プレスキル(GKP)格子幾何学が構造的に結合していることを確立する: 位相電荷のOAMモード$\ell$は、ねじれたGKP安定化格子の族に対応する位相空間回転$θ_\ell=\ellπ/\ell_{\max}$を誘導する。 終端から終端までの微分可能なStrawberry Fields--TensorFlow回路を用いて、$$$ell$、格子アスペクト比$r$、および、$P_{\rm err}\leq10^{-3}$の量子フィッシャー情報を最大化する有限エネルギーエンベロープ$ε$を最適化する。 P_{\rm err}$を2,3.9\times$とし、$\mathcal{F}_Q$は0.2\%$以内となる。 これは最高の整数値($2$, $115.7\times$)を超え、解析的および数値的に確認された$P_{\rm err}(θ)$スケープの正確な180^\circ$周期性から生じる。 最適角 $θ^*(η,γ,r)$ に対して超越収支方程式を導出し、$γ$ と $η$ の両方で減少することを示す。 シャノンにインスパイアされたメロジカルキャパシティ $\mathcal{C}=\mathcal{F}_Q\cdot(-\ln P_{\rm err})$, maximized at $\ell=1.5$ with a $41\% $ gain over the square lattice, and quantified the joint sensitivity-fault-tolerance resource。 これらの結果は、ノイズ適応型量子センサの幾何学的設計原理と、他のボソニックコードファミリに拡張可能な完全にオープンソースで微分可能なテンプレートを確立する。

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