論文の概要: Quantum non-demolition measurements as a practical primitive for fault-tolerant computation against biased noise
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.24262v1
- Date: Fri, 22 May 2026 22:27:52 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-05-26 19:50:17.834195
- Title: Quantum non-demolition measurements as a practical primitive for fault-tolerant computation against biased noise
- Title（参考訳）: バイアスノイズに対するフォールトトレラント計算のための実用的プリミティブとしての量子非破壊測定
- Authors: Christophe Vuillot, Diego Ruiz, Jérémie Guillaud, Mazyar Mirrahimi,
- Abstract要約: 高忠実性量子非破壊(QND)マルチキュービットのPauli $Z$測定は、等しく強力だがよりアクセスしやすいプリミティブを提供することを示す。
電子スピンアンシラに結合した固体核スピンと超伝導キャットキュービットの2つのプラットフォームに対して、このプリミティブの具体的物理実装を提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.0499611180329804
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Leveraging noise bias, where phase-flip errors dominate over bit-flips, can drastically reduce the hardware overhead of fault-tolerant quantum computation, but existing approaches require bias-preserving CNOT gates whose implementation remains experimentally challenging and is provably impossible for strictly two-dimensional systems. We show that high-fidelity quantum non-demolition (QND) multi-qubit Pauli $Z$ measurements provide an equally powerful yet more accessible primitive. We demonstrate that such measurements can fully replace bias-preserving CNOT gates for compiling all operations required by bias-tailored error correction, including stabilizer measurements for repetition codes, XZZX surface codes, and LDPC codes. We propose concrete physical implementations of this primitive for two platforms: solid-state nuclear spins coupled to electron spin ancillas, and dissipatively stabilized superconducting cat qubits. Through circuit-level numerical simulations, we show that an asymmetric XZZX surface code implemented with weight-four QND $Z$ measurements achieves a phase-flip threshold of $\sim\!1.25\%$ and provides a qubit overhead reduction of up to $6\times$ compared to a bias-unaware surface code at noise bias $η= 10^4$. In the regime of very large bias, a repetition code with QND $Z$ measurements attains a threshold of $\sim\!2.3\%$ and achieves overhead comparable to that of a bias-preserving CNOT scheme, without requiring such a gate. Our results establish QND multi-$Z$ measurements as a practical and hardware-efficient route to fault-tolerant quantum computation for a broad class of biased-noise platforms.
- Abstract（参考訳）: 位相フリップ誤差がビットフリップよりも大きいノイズバイアスの活用は、フォールトトレラント量子計算のハードウェアオーバーヘッドを大幅に削減するが、既存のアプローチでは、実験的に困難であり、厳密な2次元システムでは証明不可能なバイアス保存CNOTゲートを必要とする。
高忠実性量子非破壊(QND)マルチキュービットのPauli $Z$測定は、等しく強力だがよりアクセスしやすいプリミティブを提供することを示す。
このような測定は、繰り返し符号、XZZX曲面符号、LDPC符号の安定化器測定を含む、バイアス調整誤り訂正に必要な全ての操作をコンパイルするためのバイアス保存CNOTゲートを完全に置き換えることができることを示す。
電子スピンアンシラに結合した固体核スピンと、散逸的に安定化された超伝導キャットキュービットの2つのプラットフォームに対して、このプリミティブの具体的物理実装を提案する。
回路レベルの数値シミュレーションにより、ウェイトフォーQND$Z$で実装された非対称なXZZX曲面符号が位相フリップ閾値を$\sim\!
1.25\%$ とすると、ノイズバイアス$η= 10^4$ のバイアスを意識しないサーフェスコードと比較して、最大6.25\times$ のキュービットオーバーヘッドを削減できる。
非常に大きなバイアスの状態では、QND $Z$測定の繰り返しコードは、$\sim\!
2.3\%$で、そのようなゲートを必要とせず、バイアス保存のCNOTスキームに匹敵するオーバーヘッドを達成する。
以上の結果から,QND multi-$Z$測定は,幅広いバイアス付き雑音プラットフォームに対して,フォールトトレラント量子計算への実用的でハードウェア効率の高い経路として確立された。
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