論文の概要: Quantum-classical crossover in fault-tolerant quantum dynamics simulation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2607.16116v1
• Date: Fri, 17 Jul 2026 16:54:25 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-07-20 17:56:52.910915
• Title: Quantum-classical crossover in fault-tolerant quantum dynamics simulation
• Title（参考訳）: フォールトトレラント量子力学シミュレーションにおける量子-古典的交叉
• Authors: Jinzhao Sun, Bozhen Zhou, Jue Xu, Yuan Yao, Zhenyu Du, Zixu Zhang, Yuntian Gu, Junxiang Huang, Shuo Zhou, Ziruo Wang, Alexander Yosifov, Wenzheng Dong, Yiming Huang, Daniel Serrano, Xinzhao Wang, Tianfeng Feng, Shreyas Sadugol, Wenjun Yu, Zhou You, Dayue Qin, Xiao-Ming Zhang, Yantao Wu, Aditya Iyer, You Zhou, Tongyang Li, Ying Li, Xiongfeng Ma, Qi Zhao, Pei Zeng, Pan Zhang, Xiao Yuan,
• Abstract要約: 我々は、コヒーレントな観測可能推定と非クリフォード回転の時空間効率実装を組み合わせたスケーラブルなフォールトトレラントフレームワークを提案する。 最先端テンソルネットワークと変分モンテカルロアルゴリズムに対するベンチマークでは、混合場イジングダイナミクスのための具体的なクロスオーバーが明らかにされている。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 56.198154828333685
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: While quantum computers promise to solve classically intractable problems, identifying the point at which fault-tolerant quantum computation outperforms the best classical algorithms for practical applications remains an outstanding challenge. Here we establish a concrete quantum-classical crossover for quantum many-body dynamics under realistic hardware conditions. We introduce a scalable fault-tolerant framework that combines coherent observable estimation with a space-time-efficient implementation of non-Clifford rotations, suppressing the residual logical errors that limit existing partially fault-tolerant approaches. A benchmark against state-of-the-art tensor-network and variational Monte Carlo algorithms reveals a concrete crossover for mixed-field Ising dynamics at modest system sizes. For a physical error rate of $p=10^{-3}$, fault-tolerant simulation requires approximately 2 hours and $3.7 \times 10^5$ physical qubits for a 100-site 1D system, whereas tensor network approaches would require about 100 years. For 2D models, where rapid entanglement growth limits the classical evolution time, we project quantum runtimes within minutes. A physical error rate of $p=10^{-4}$ leads to at least an order of magnitude reduction in qubit count ($3.1 \times 10^4$ physical qubits) and runtime (minutes for 1D and seconds for 2D). The reduction in quantum runtime arises from our improved rotation-state injection and co-design of quantum error correction and observable-estimation protocols, which jointly suppress logical-error accumulation and reduce sampling overhead. Our results establish a scalable route towards practical quantum advantage and identify quantitative engineering targets for future fault-tolerant architectures.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピュータは古典的に難解な問題を解くことを約束するが、フォールトトレラントな量子計算が実用上最も優れた古典的アルゴリズムより優れている点を特定することは、依然として顕著な課題である。 ここでは、現実的なハードウェア条件下での量子多体ダイナミクスのための具体的な量子古典的クロスオーバーを確立する。 我々は、コヒーレントな観測可能推定と非クリフォード回転の時空効率な実装を組み合わせたスケーラブルなフォールトトレラントフレームワークを導入し、既存の部分的フォールトトレラントアプローチを制限する残差論理誤差を抑える。 最先端テンソルネットワークと変分モンテカルロアルゴリズムに対するベンチマークでは、モデストシステムサイズでの混合場イジングダイナミクスの具体的な交叉が明らかにされている。 物理エラーレートが$p=10^{-3}$の場合、フォールトトレラントシミュレーションには約2時間と3.7時間の10^5$の物理量子ビットが必要であり、テンソルネットワークのアプローチにはおよそ100年を要する。 急速に絡み合う成長が古典的な進化時間を制限する2次元モデルの場合、我々は数分以内に量子ランタイムを計画する。 物理誤差率$p=10^{-4}$は、少なくとも1桁の量子ビットカウント(3.1 \times 10^4$ physical qubits)とランタイム(1Dで数分、2Dで秒)を減少させる。 量子ランタイムの削減は、我々の改良された回転状態注入と量子エラー補正と観測可能推定プロトコルの共設計から生じ、これは論理エラーの蓄積を共同的に抑制し、サンプリングオーバーヘッドを削減する。 本研究は,実用的な量子優位性に向けたスケーラブルな経路を確立し,将来的なフォールトトレラントアーキテクチャの定量的工学的目標を同定する。

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