論文の概要: Numerical Optimization of Two-Qubit Gates in Silicon Flip-Flop Qubit Arrays under Electrical Control

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2607.29123v1
• Date: Fri, 31 Jul 2026 07:52:26 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-08-03 14:29:40.648507
• Title: Numerical Optimization of Two-Qubit Gates in Silicon Flip-Flop Qubit Arrays under Electrical Control
• Title（参考訳）: 電気制御によるシリコンフリップフロップ型量子ビットアレイにおける2量子ゲートの数値最適化
• Abstract要約: シリコンベースのドナーフリップフロップ量子ビットは、スケーラブルでフォールトトレラントな量子コンピューティングへの有望な道を提供する。 このプラットフォームでの高忠実なエンタングリング操作は依然として困難である。 相互作用するフリップフロップ量子ビットのスピン軌道ダイナミクスをモデル化する数値シミュレーションフレームワークFlipFlopQSimを採用している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Silicon-based donor flip-flop qubits offer a promising path toward scalable, fault-tolerant quantum computing by combining the long coherence times of nuclear spins with fast, fully electrical control and long-range dipole-dipole coupling between qubits. However, realizing high-fidelity entangling operations in this platform remains challenging. The entangling interaction is intrinsically coupled to electron orbital dynamics, which can lead to leakage into non-computational states and unwanted phase accumulation. Furthermore, in multi-qubit architectures, residual dipolar couplings from spectator qubits distort the effective interaction landscape. In this work, we employ a numerical simulation framework, FlipFlopQSim, that models the spin-orbital dynamics of interacting flip-flop qubits to extract effective logical operations from realistic electrical control pulses. Using Makhlin invariants, we map the entangling landscape generated by electrically controlled dipole-dipole interactions and identify operating regions locally equivalent to canonical two-qubit gates, such as $\sqrt{iSWAP}$ and $iSWAP$. We then optimize the control parameters of physically realizable, electrically driven $R_z$ rotations to implement the necessary local corrections and maximize composite gate fidelity. Finally, we scale our analysis to multi-qubit registers with various geometries and connectivity patterns to evaluate spectator-induced distortions. Our results demonstrate that high-fidelity entangling operations cannot be optimized in isolation; rather, they require a co-design approach that simultaneously optimizes pulse control, local phase compensation, and physical device geometry. This work provides a robust numerical framework for assessing the scalability of electrically controlled silicon quantum processors and outlines key design principles for robust multi-qubit gate implementation.
• Abstract（参考訳）: シリコンベースのドナーフリップフロップ量子ビットは、核スピンの長いコヒーレンス時間と高速で完全な電気制御と、クォービット間の長距離双極子-双極子結合を組み合わせることによって、スケーラブルでフォールトトレラントな量子コンピューティングへの有望な道を提供する。 しかし、このプラットフォームで高忠実なエンタングリング操作を実現することは依然として困難である。 エンタングリング相互作用は本質的に電子軌道力学と結合しており、非計算状態への漏れと不要な位相蓄積を引き起こす可能性がある。 さらに、マルチキュービットアーキテクチャでは、スペクトル量子ビットからの残留双極子結合は効果的な相互作用の風景を歪ませる。 本研究では,FlipFlopQSimという数値シミュレーションフレームワークを用いて,相互作用するフリップフロップ量子ビットのスピン軌道ダイナミクスをモデル化し,現実的な電気制御パルスから効率的な論理演算を抽出する。 Makhlin不変量を用いて、電気的に制御された双極子-双極子相互作用によって生じる絡み合う風景をマッピングし、$\sqrt{iSWAP}$ や $iSWAP$ のような正準2ビットゲートと同等の動作領域を局所的に同定する。 次に、物理的に実現可能で電気的に駆動される$R_z$回転の制御パラメータを最適化し、必要な局所補正を実装し、複合ゲート忠実度を最大化する。 最後に、解析結果を様々なジオメトリと接続パターンを持つマルチキュービットレジスタに拡張し、オブザーバによる歪みを評価する。 提案手法はパルス制御,局所位相補償,物理デバイス形状を同時に最適化する共設計手法を必要とする。 この研究は、電気制御されたシリコン量子プロセッサのスケーラビリティを評価するためのロバストな数値的枠組みを提供し、ロバストなマルチキュービットゲート実装のための重要な設計原理を概説する。

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