論文の概要: Need One Bell-pair Only (NOBOL) for Low-Overhead Fault-Tolerant Quantum Computing

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.01901v1
• Date: Tue, 01 Sep 2026 22:02:03 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-09-03 17:53:17.9906
• Title: Need One Bell-pair Only (NOBOL) for Low-Overhead Fault-Tolerant Quantum Computing
• Title（参考訳）: 低オーバヘッドフォールトトレラント量子コンピューティングのための1つのベルペアのみ(NOBOL)
• Authors: Sean Grzenda, Shahram Babaie, Chunming Qiao,
• Abstract要約: 任意のCSSコードで符号化された2つの遠いキュービット上で論理的CNOT演算を行うために,ベルペアを1つだけ必要とする新しいアプローチNOBOLを提案する。 論理演算子の大きさの対数深度を持つ深さ最適回路を含むNOBOLの様々な回路実現について述べる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 18.543220644724755
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Fault-tolerant quantum computation fundamentally relies on encoding a logical qubit into a structured block of physical qubits, typically in the tens to hundreds. As a trade-off for improved fault-tolerance, logical gate operations will incur a linear overhead in terms of both the amount of time and quantum resources than before. For example, in monolithic quantum computing, performing a gate operation on two distant logical qubits will first require using a linear number of SWAP operations in order to move the logical qubits next to each other; while in distributed quantum computing, doing so will first require a linear number of ancilla qubits in order to form entanglement connections (or a logical Bell pair). In this paper, we focus on significantly reducing the overhead involved in logical CNOT operations, a fundamental primitive. We propose NOBOL, a novel approach that requires only one Bell pair to perform a logical CNOT operation on two distant qubits encoded in arbitrary CSS codes. More importantly, NOBOL only requires performing gate operations on the logical X or Z operator subsets of the logical qubits. For many CSS codes, such as the surface code, these subsets are significantly smaller than the size of the code itself. In this paper, we describe various circuit realizations of NOBOL, including a depth-optimal circuit with logarithmic depth in terms of the size of the logical operators. Finally, we propose effective methods to contain error propagation without incurring much additional overhead. Since NOBOL can be effectively applied to a wide range of quantum error-correcting (QEC) codes and, in addition, is agnostic to qubit modalities and effective for various architectures, including those based on either a monolithic QPU or distributed QPUs.
• Abstract（参考訳）: フォールトトレラント量子計算は、論理量子ビットを物理量子ビットの構造ブロック(典型的には数十から数百)に符号化することに基本的に依存する。 フォールトトレランスの改善のためのトレードオフとして、論理ゲート演算は、以前よりも時間と量子リソースの両方の量で線形オーバーヘッドを発生させる。 例えば、モノリシック量子コンピューティングでは、2つの遠い論理量子ビット上でゲート演算を実行するには、まず論理量子ビットを隣り合うように移動させるために、線形数のSWAP演算を使う必要があり、一方、分散量子コンピューティングでは、絡み合う接続(または論理ベルペア)を形成するために、まず線形数のアンシラ量子ビットを必要とする。 本稿では,基本的なプリミティブである論理的CNOT演算のオーバーヘッドを大幅に削減することに焦点を当てる。 任意のCSSコードで符号化された2つの遠いキュービット上で論理的CNOT演算を行うために,ベルペアを1つだけ必要とする新しいアプローチNOBOLを提案する。 さらに重要なことは、NOBOLは論理量子ビットの論理 X または Z 演算子部分集合上でのみゲート演算を実行する必要がある。 サーフェスコードのような多くのCSSコードの場合、これらのサブセットはコードのサイズよりもかなり小さい。 本稿では,論理演算子の大きさから,対数深さの深さ最適回路を含むNOBOLの様々な回路実現について述べる。 最後に,過度にオーバヘッドを発生させることなく,エラーの伝搬を効果的に抑える手法を提案する。 NOBOLは、広範囲の量子誤り訂正(QEC)符号に適用でき、また、量子ビットのモダリティには依存せず、モノリシックQPUや分散QPUをベースとしたアーキテクチャにも有効である。

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