QuEra ComputingとLos Alamos National Laboratoryは、transversal STAR（Space-Time Efficient Analog Rotation）と名付けられた共同設計の量子コンピューティングアーキテクチャを発表した。PRX Quantumに掲載されたこのフレームワークは、初期の耐障害性量子シミュレーションに必要な物理量子ビットのオーバーヘッドとゲート合成クロックサイクルを削減する。中性原子ハードウェアアレイ専用に設計されたこのアーキテクチャは、材料科学、物性物理学、非平衡多体ダイナミクスにおける計算を最適化し、実行速度を「メガクォップ」領域に近づける。これは、エラー訂正システムが100万回の信頼性の高い論理演算を完了するマイルストーンである。
従来の耐障害性量子コンピューティングでは、非クリフォード演算を実行するために、「マジック状態」と呼ばれる特殊なリソース状態の生成、蒸留、消費が必要である。ハミルトニアンシミュレーションに適用する場合、分子進化に固有の連続的な小角度回転は、Solovay-Kitaevアルゴリズムのような数学的近似ルーチンを介して、離散的なハードウェア許容ゲートセットから合成する必要がある。この多層プロセスは、必要な回路深度を10倍から50倍に増加させ、膨大な計算ボトルネックを生み出す。
transversal STARアーキテクチャは、ポストセレクションベースのトランスバーサル注入プロトコルを介して小角度マジック状態を直接準備することで、このオーバーヘッドを回避する。大規模動作並列性や原子シャトリング接続性といった中性原子プラットフォームの自然な物理的特性を使用することで、離散ゲート合成パスを完全に排除する。クリフォードゲートは再構成可能なアレイ全体でトランスバーサルに実行され、アナログ回転のタイムラインと一致し、以前の固定接続モデルを制限していた平面ルーティング制約を取り除く。
システムのスケーラビリティを評価するため、エンジニアリングチームは、デフェージング、リュードベリ媒介ゲート障害、輸送誘起デコヒーレンス、原子損失を考慮したハードウェア由来の物理ノイズモデルを使用して回路レベルシミュレーションを実行した。相関マルチ量子ビットエラーを解決するMinimum Weight Parity Factor（MWPF）デコーダーによって制御され、transversal STARの表面コード実装は、2量子ビットゲートエラー率10^-3で10,000物理量子ビットを使用し、600を超えるシミュレーションボリュームで局所ハミルトニアンのシミュレーションに成功した。この構成は、以前の固定接続設計と比較して20倍から40倍の時空間ボリューム削減を表している。
著者らは、[[32, 2, 4]]トーリック変種などの高レート量子低密度パリティ検査（qLDPC）コードを統合することでアーキテクチャを拡張した。ハミルトニアン格子の並進対称性をパッチ並列ゲートセットの内部コード自己同型と直接整合させることで、qLDPC統合版transversal STARは必要な物理フットプリントを約1,500から3,000量子ビットまで削減し、従来の代替手段に対して250倍の実行速度優位性を維持する。
論理ノイズモデル、ハイパーグラフレイアウトパラメータ、およびコード共同設計構造を詳述した完全な査読済み研究論文は、PRX Quantum Publication JournalおよびQuEra Newsroom Briefingで確認できる。
2026年6月24日
