論文の概要: Synthesis and Optimization of Encoding Circuits for Fault-Tolerant Quantum Computation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.15266v1
• Date: Thu, 14 May 2026 18:00:01 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-18 21:22:26.039785
• Title: Synthesis and Optimization of Encoding Circuits for Fault-Tolerant Quantum Computation
• Title（参考訳）: フォールトトレラント量子計算のための符号化回路の合成と最適化
• Authors: Tom Peham, Matthew Steinberg, Robert Wille, Sascha Heußen,
• Abstract要約: 任意の安定化器符号に対して効率的なエンコーダを合成する手法を開発した。 図形符号やホログラフィック符号のようなモジュラー構造を持つ族に対しては、最適化された局所構成エンコーダからいかに大きなエンコーダを組み立てるかを示す。 2ビットゲート数では最大43%,深さでは最大70%の改善が得られた。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.561664406615985
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Preparing arbitrary logical states is a central primitive for universal fault-tolerant quantum computation and the cost of encoded-state preparation contributes directly to the overall resource overhead. This makes the synthesis of efficient general-state encoding circuits an important problem, particularly with respect to two-qubit gate count and circuit depth. Yet the synthesis of such encoders has been studied less extensively than general Clifford circuit synthesis or the preparation of specific logical Pauli-eigenstates. In this work, we develop methods for synthesizing efficient encoders for arbitrary stabilizer codes. We formulate encoder synthesis as a search over stabilizer tableaus and introduce greedy and rollout-based algorithms that exploit the freedom among stabilizer-equivalent realizations of the same encoding isometry. For code families with a modular structure, such as generalized concatenated and holographic codes, we show how large encoders can be assembled from optimized local constituent encoders, and we use SMT-based exact synthesis to obtain optimal local circuits for small instances. We further evaluate the proposed methods on a broad set of stabilizer codes, including holographic and quantum low-density parity-check (qLDPC) codes, and compare them against recent encoder-synthesis methods and existing constructions from the literature, obtaining improvements of up to 43% in two-qubit gate count and up to 70% in depth. Our results support the optimization of encoded-state preparation in several fault-tolerant quantum-computing schemes, and all methods are openly available as part of the Munich Quantum Toolkit.
• Abstract（参考訳）: 任意の論理状態を用意することは、普遍的なフォールトトレラント量子計算における中心的なプリミティブであり、エンコードされた状態の準備コストは、リソース全体のオーバーヘッドに直接寄与する。 これにより、特に2量子ゲート数と回路深さに関して、効率的な一般状態符号化回路の合成が重要な問題となる。 しかし、そのようなエンコーダの合成は、一般のクリフォード回路合成や特定の論理的パウリ固有状態の合成よりも広く研究されていない。 本研究では、任意の安定化器符号に対して効率的なエンコーダを合成する手法を開発する。 我々は、安定器テーブルーの探索としてエンコーダ合成を定式化し、同じ符号化アイソメトリの安定化器等価な実現の自由を生かした欲求とロールアウトに基づくアルゴリズムを導入する。 一般化連結符号やホログラフィック符号などのモジュラー構造を持つ符号群に対しては,最適化された局所構成エンコーダから大規模なエンコーダを組み立てることが可能であることを示す。 さらに、ホログラフィックおよび量子低密度パリティチェック(qLDPC)コードを含む幅広い安定化器符号について提案手法の評価を行い、最近のエンコーダ合成法と文献からの既存構造との比較を行い、2量子ゲート数で最大43%、深さで最大70%の改善を得た。 本研究は、いくつかのフォールトトレラント量子計算方式における符号化状態準備の最適化をサポートし、すべての手法がミュンヘン量子ツールキットの一部として公開されている。

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