論文の概要: Fast and Parallel High-Rate STAR Architecture for Megaquop Quantum Simulation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2606.25011v1
• Date: Tue, 23 Jun 2026 17:55:45 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-06-25 17:05:30.105521
• Title: Fast and Parallel High-Rate STAR Architecture for Megaquop Quantum Simulation
• Title（参考訳）: Megaquop量子シミュレーションのための高速・並列高速STARアーキテクチャ
• Authors: Refaat Ismail, Milan Kornjača, Hong-Ye Hu, Nishad Maskara, Sheng-Tao Wang, Hengyun Zhou, Chen Zhao,
• Abstract要約: 本稿では,アルゴリズムの対称性駆動共設計,QEC符号,中性原子ハードウェアに基づく局所格子ハミルトンシミュレーションのための高速STARアーキテクチャを提案する。 結合論理代表は、コードブロック内のすべての$k$論理キュービット上でSTARインジェクションを並列に実行することを可能にする。 これらの結果は、高速符号を用いた早期フォールトトレラント量子シミュレーションへの具体的な経路を提供する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 7.286087490326675
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Fault-tolerant quantum simulation is approaching a phase where encoding overhead, logical Clifford operations, magic-state preparation, and rotation synthesis must be optimized together for efficient implementation. Space-Time efficient Analog Rotation (STAR) architectures reduce two of these costs by preparing small-angle rotation magic states directly, and the transversal STAR variant further lowers the Clifford overhead. Existing concrete implementations, however, largely inherit the low $O(1/d^2)$ encoding rate of the surface code, while high-rate codes have not yet been integrated into comparably explicit architectures. Here, we introduce a high-rate STAR architecture for local lattice Hamiltonian simulation based on a symmetry-driven co-design of the algorithm, QEC code, and neutral-atom hardware. Translation symmetries of the target lattice determine the choice of bicycle chain codes, a tunable family of self-dual bivariate bicycle codes that natively implement Clifford gates required for lattice simulation. Disjoint logical representatives allow STAR injections to be performed in parallel on all $k$ logical qubits in a code block, amortizing resource state preparation and enabling practical post-selection rates. On neutral-atom platform, the same translation symmetry compiles the key logical operations into low-depth, hardware-native acousto-optic-deflector shifts. End-to-end estimates show that an $8 \times 8$ transverse-field Ising simulation to $T^* \approx 8 (zJ)^{-1}$ requires $2240$ physical qubits and $\sim 200$ s per shot, a $\sim 5.5\times$ space reduction relative to a surface code STAR baseline at comparable speed; for Fermi-Hubbard dynamics to $T^* \approx 4 (zt)^{-1}$, the corresponding estimates are $\sim 6300$ physical qubits and $\sim 200$ s per shot. These results provide a concrete route toward early fault-tolerant quantum simulation with high-rate codes.
• Abstract（参考訳）: フォールトトレラント量子シミュレーションは、オーバヘッド、論理的クリフォード演算、マジック状態の準備、回転合成を効率的に実装するために一緒に最適化する必要があるフェーズに近づいている。 Space-Time efficient Analog Rotation (STAR) アーキテクチャは、小さな角度の回転マジック状態を直接作成することで、これらのコストを2つ削減する。 しかし、既存の具体的な実装は、表面符号の低O(1/d^2)$エンコーディング率をほとんど継承している。 本稿では,アルゴリズムの対称性駆動設計,QEC符号,中性原子ハードウェアに基づく局所格子ハミルトンシミュレーションのための高速STARアーキテクチャを提案する。 対象格子の翻訳対称性は、格子シミュレーションに必要なクリフォードゲートをネイティブに実装する自己双変数自転車符号のチューナブルなファミリーである自転車チェーン符号の選択を決定する。 相反する論理代表は、コードブロック内のすべての$k$論理キュービットでSTARインジェクションを並列に実行し、リソース状態の準備を償却し、実用的なポストセレクションレートを可能にする。 中立原子プラットフォーム上では、同じ翻訳対称性が鍵論理演算を低深度でハードウェアネイティブなアコースト-光学-ディフレクタシフトにコンパイルする。 端から端までの推定では、$8 \times 8$ transverse-field Ising Simulation to $T^* \approx 8 (zJ)^{-1}$は、2240$ physical qubits and $\sim 200$ s per shot, a $\sim 5.5\times$ space reduction with a surface code STAR baseline at comparable speed; for Fermi-Hubbard dynamics to $T^* \approx 4 (zt)^{-1}$に対して、対応する推定値は$\sim 6300$ physical qubits and $\sim 200$ s per shotである。 これらの結果は、高速符号を用いた早期フォールトトレラント量子シミュレーションへの具体的な経路を提供する。

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