論文の概要: Time-optimal quantum gates with bang-bang control in multilevel systems
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2608.16702v1
- Date: Mon, 17 Aug 2026 15:20:52 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-08-18 19:59:03.776849
- Title: Time-optimal quantum gates with bang-bang control in multilevel systems
- Title（参考訳）: マルチレベルシステムにおけるバンバン制御による時最適量子ゲート
- Abstract要約: 我々は高忠実で高速な単一量子ビットゲートを実装するための最適量子演算プロトコルを決定する。
時間-最適パルス列は、正あるいは負の最大振幅または0の離散パルスのバンバン'配列であることを示す。
開系シミュレーションにより、これらの配列は様々なフラクソニウム系における共振パルススキームよりも優れていたことが示される。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: We determine the optimal quantum manipulation protocols for implementing high-fidelity, fast single-qubit gates. We demonstrate that the time-optimal pulse sequence is a ``bang-bang'' sequence: discrete pulses of either positive or negative maximum amplitude or zero. The non-adiabatic bang-bang pulse sequence minimizes gate duration providing a speedup for low-frequency architectures. We first derive the protocol for a transversally driven two-level system, extracting exact analytic expressions for minimum gate times. We then extend this framework to general multilevel architectures, identifying conditions that enable the coherent suppression of leakage errors. Using the fluxonium circuit as a representative case study, we optimize $X/2$ and $Y/2$ gates through a combination of discrete bang sequences and continuous waveform smoothing. This approach preserves near-optimal execution speeds while mitigating transitions outside the computational subspace. Open-system simulations demonstrate that these sequences outperform commensurate and resonant pulse schemes across different fluxonium regimes, achieving low-error manipulation significantly faster than standard resonant control, even in the presence of $1/f$ flux noise and dissipation.
- Abstract（参考訳）: 我々は高忠実で高速な単一量子ビットゲートを実装するための最適量子演算プロトコルを決定する。
時間-最適パルス列は、正あるいは負の最大振幅または0の離散パルスである ``bang-bang''' 配列であることを示す。
非断熱バンガンパルスシーケンスは、低周波アーキテクチャの高速化を提供するゲート持続時間を最小化する。
まず,極小ゲート時間に対する正確な解析式を抽出し,トランスバース駆動型2レベルシステムのプロトコルを導出する。
次に、このフレームワークを一般的なマルチレベルアーキテクチャに拡張し、リークエラーのコヒーレントな抑制を可能にする条件を特定します。
代表的なケーススタディとしてフラキソニウム回路を用い、離散バングシーケンスと連続波形平滑化の組み合わせにより、$X/2$および$Y/2$ゲートを最適化する。
このアプローチは、計算部分空間外の遷移を緩和しながら、ほぼ最適実行速度を保存する。
オープンシステムシミュレーションにより、これらの配列は様々なフラキソニウム系で共振パルスと共振パルスのスキームより優れており、1/f$のフラキソニックノイズや消音がある場合でも、標準共振制御よりもはるかに高速な低エラー操作を実現することが示されている。
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