論文の概要: Transversal Gates and Magic State Distillation in an Optimally Synthesized Spin-Qubit Shuttling Bus
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.02641v1
- Date: Wed, 02 Sep 2026 14:17:47 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-09-03 17:53:18.409301
- Title: Transversal Gates and Magic State Distillation in an Optimally Synthesized Spin-Qubit Shuttling Bus
- Title（参考訳）: 最適合成スピンクビットシャットリングバスにおけるトランスバーサルゲートとマジックステート蒸留
- Abstract要約: フォールトトレラント量子コンピューティングは、信頼性の高い論理量子ビットストレージとエラー修正量子ビット間の高忠実度論理演算を必要とする。
両要求を同時に扱うマルチキュービットスピンキュービットシャットリングバスアーキテクチャを提案する。
その結果、量子スタックの物理層、誤差補正層、論理計算層を橋渡しする、原則化された共設計フレームワークが確立された。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.62107954358883
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Fault-tolerant quantum computing requires not only reliable logical qubit storage, but also the ability to perform high-fidelity logical operations between error-corrected qubits at scale. While much of the existing literature focuses on optimizing syndrome extraction for a single logical qubit, the co-design of physical architectures that support both robust error correction and efficient logical computation remains an open challenge. In this work, we propose a multi-qubit spin-qubit shuttling bus architecture that addresses both requirements simultaneously. The architecture optimizes the physical qubit layout for syndrome extraction and supports transversal two-qubit logical gates between an arbitrary number of logical qubits, achieving all-to-all logical connectivity through coherent spin shuttling. We further propose an ancilla-sharing scheme that encodes multiple logical qubits within a single logical element, compressing the physical footprint of the processor and improving long-range gate fidelity. Extending the architecture from a one-dimensional bus to a two-dimensional grid of shuttling tracks reduces the inter-qubit distance, yielding consistent improvements in logical error. Finally, we apply the Quantum Reverse Mapping methodology at the logical level to optimize the layout of a \textit{15-to-1} magic state distillation circuit, demonstrating how the transversal capabilities of the proposed architecture can be leveraged for universal fault-tolerant computation. Taken together, these results establish a principled co-design framework that bridges the physical, error-correction, and logical computation layers of the quantum stack, and demonstrate that spin-qubit shuttling architectures are a viable and flexible substrate for scalable fault-tolerant quantum computation.
- Abstract（参考訳）: フォールトトレラント量子コンピューティングは、信頼性の高い論理量子ビットストレージだけでなく、大規模なエラー修正量子ビット間で高忠実な論理演算を行う能力も必要である。
既存の文献の多くは単一の論理量子ビットに対するシンドローム抽出の最適化に重点を置いているが、ロバストな誤り訂正と効率的な論理計算の両方をサポートする物理アーキテクチャの共設計は未解決の課題である。
本研究では,両要求を同時に扱うマルチキュービットスピンキュービットシャットリングバスアーキテクチャを提案する。
このアーキテクチャは、シンドローム抽出のための物理キュービットレイアウトを最適化し、任意の数の論理キュービット間の2キュービット論理ゲートをサポートし、コヒーレントスピンシャットリングによって全ての論理接続を実現する。
さらに,複数の論理キュービットを1つの論理要素にエンコードし,プロセッサの物理フットプリントを圧縮し,長距離ゲート忠実性を向上させるアンシラ共有方式を提案する。
アーキテクチャを1次元バスから2次元のシャットリングトラックグリッドに拡張すると、量子ビット間距離が減少し、論理誤差が一貫した改善をもたらす。
最後に,Quantum Reverse Mapping法を論理レベルで適用して,<textit{15-to-1}マジックステート蒸留回路のレイアウトを最適化する。
これらの結果は、量子スタックの物理層、誤り補正層、論理計算層を橋渡しする原則的共設計の枠組みを確立し、スピン量子ビットシャットリングアーキテクチャがスケーラブルなフォールトトレラント量子計算のための実行可能なフレキシブルな基盤であることを実証する。
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