Generative Datenintelligenz

Stabilisatorformalismus für die Quantenfehlerkorrektur der Operatoralgebra

Datum:

Guillaume Dauphinais1, David W. Kribs1,2, und Michael Vasmer1,3,4

1Xanadu, Toronto, ON M5G 2C8, Kanada
2Abteilung für Mathematik und Statistik, University of Guelph, Guelph, ON N1G 2W1, Kanada
3Perimeter-Institut für Theoretische Physik, Waterloo, ON N2L 2Y5, Kanada
4Institut für Quantencomputer, Universität Waterloo, Waterloo, ON N2L 3G1, Kanada

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Abstrakt

Wir führen einen Stabilisatorformalismus für das allgemeine Quantenfehlerkorrektur-Framework namens Operatoralgebra Quantenfehlerkorrektur (OAQEC) ein, der Gottesmans Formulierung für traditionelle Quantenfehlerkorrekturcodes (QEC) und Poulins für Operatorquantenfehlerkorrektur und Subsystemcodes (OQEC) verallgemeinert. Die Konstruktion erzeugt hybride klassische Quantenstabilisatorcodes und wir formulieren einen Satz, der die Pauli-Fehler, die für einen bestimmten Code korrigierbar sind, vollständig charakterisiert und die grundlegenden Theoreme für die QEC- und OQEC-Stabilisatorformalismen verallgemeinert. Wir entdecken hybride Versionen der Codes des Bacon-Shor-Subsystems, die durch den Formalismus motiviert sind, und wenden den Satz an, um ein Ergebnis abzuleiten, das die Entfernung solcher Codes angibt. Wir zeigen, wie einige neuere Hybrid-Subraum-Codekonstruktionen vom Formalismus erfasst werden, und wir zeigen auch, wie er sich auf Qudits erstreckt.

Die Quantenfehlerkorrektur ist ein zentrales Thema bei der Entwicklung neuer Quantentechnologien. Die Ursprünge als eigenständiges Forschungsgebiet reichen fast drei Jahrzehnte zurück und berühren heute nahezu jeden Aspekt der Quanteninformationswissenschaft. Zu den neueren Entwicklungen gehörte die Einführung eines Frameworks namens „Operator Algebra Quantum Error Correction“ (OAQEC), das frühere Ansätze verallgemeinerte, gleichzeitig aber auch Erweiterungen zur vollständigen unendlichdimensionalen Fehlerkorrektur ermöglichte und ein Fehlerkorrektur-Framework für Hybridcodes bereitstellte, die für die Simultanverarbeitung verwendet werden Kodierung klassischer und Quanteninformation. In den letzten Jahren ist das Interesse an OAQEC aus verschiedenen Richtungen deutlich gestiegen, darunter aus der hybriden klassischen Quantenkodierungstheorie, dem experimentellen Quantencomputing und, etwas unerwartet, aus der Theorie der Schwarzen Löcher.

Der „Stabilisatorformalismus“ ist ein Grundpfeiler der Quantenfehlerkorrektur. Mit seiner ursprünglichen Formulierung, die in den Anfängen des Fachgebiets eingeführt wurde, und einer anschließenden Verallgemeinerung für wichtige „Subsystemcodes“ stellt es einen Werkzeugkasten für die Konstruktion und Charakterisierung von Codes für die zentrale Klasse der Pauli-Fehlermodelle bereit. In diesem Artikel stellen wir einen Stabilisatorformalismus für endlichdimensionale OAQEC vor, der die vorherigen Formulierungen verallgemeinert. Die resultierenden konstruierten Codes umfassen hybride klassische Quantenstabilisatorcodes, und motiviert dadurch entdecken wir hybride Versionen einer wichtigen Klasse von Subsystemcodes. Wir beweisen einen Satz, der die Fehlermengen, die für einen gegebenen Stabilisatorcode korrigierbar sind, vollständig charakterisiert und dabei die grundlegenden Sätze aus früheren Einstellungen verallgemeinert. Wir präsentieren auch mehrere Beispiele und zeigen, wie einige neuere hybride Codekonstruktionen vom Formalismus erfasst werden.

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[59] Geoffrey Penington. Rekonstruktion des Verschränkungskeils und das Informationsparadoxon. JHEP, 2020(9):2, 2020. doi:10.1007/​JHEP09(2020)002.
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[60] Lukas Postler, Sascha Heußen, Ivan Pogorelov, Manuel Rispler, Thomas Feldker, Michael Meth, Christian D. Marciniak, Roman Stricker, Martin Ringbauer, Rainer Blatt, Philipp Schindler, Markus Müller und Thomas Monz. Demonstration fehlertoleranter universeller Quantengatteroperationen. Nature, 605(7911):675–680, 2022. doi:10.1038/​s41586-022-04721-1.
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[61] David Poulin. Stabilisatorformalismus für die Operator-Quantenfehlerkorrektur. Physik. Rev. Lett., 95:230504, 2005. doi:10.1103/​PhysRevLett.95.230504.
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[62] John Preskill. Quantencomputing in der NISQ-Ära und darüber hinaus. Quantum, 2:79, 2018. doi:10.22331/​q-2018-08-06-79.
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[63] Mark de Wild Propitius und Alexander F. Bais. Diskrete Eichtheorien. arXiv-Vorabdruck, 1995. doi:10.48550/​axiv.hep-th/​9511201.
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[64] Peter W. Shor. Schema zur Reduzierung der Dekohärenz im Quantencomputerspeicher. Physik. Rev. A, 52:R2493–R2496, 1995. doi:10.1103/​PhysRevA.52.R2493.
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[65] Peter W. Shor. Fehlertolerante Quantenberechnung. In Proceedings of 37th Conference on Foundations of Computer Science, Seiten 56–65, 1996. doi:10.1109/​SFCS.1996.548464.
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[66] Andrew Steane. Mehrteilcheninterferenz und Quantenfehlerkorrektur. Tagungsband der Royal Society of London. Serie A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 452(1954):2551–2577, 1996. doi:10.1098/​rspa.1996.0136.
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[67] Thomas Unden, Priya Balasubramanian, Daniel Louzon, Yuval Vinkler, Martin B. Plenio, Matthew Markham, Daniel Twitchen, Alastair Stacey, Igor Lovchinsky, Alexander O. Sushkov, Mikhail D. Lukin, Alex Retzker, Boris Naydenov, Liam P. McGuinness, und Fedor Jelezko. Quantenmetrologie verbessert durch wiederholte Quantenfehlerkorrektur. Physik. Rev. Lett., 116:230502, 2016. doi:10.1103/​PhysRevLett.116.230502.
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[68] Erik Verlinde und Herman Verlinde. Verschränkung Schwarzer Löcher und Quantenfehlerkorrektur. JHEP, 2013(10):107, 2013. doi:10.1007/​JHEP10(2013)107.
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[69] W. Wang, ZJ Chen, X. Liu, W. Cai, Y. Ma, X. Mu, X. Pan, Z. Hua, L. Hu, Y. Xu, H. Wang, YP Song, XB Zou, CL Zou und L. Sun. Quantenverstärkte Radiometrie durch ungefähre Quantenfehlerkorrektur. Nat. Commun., 13(1):3214, 2022. doi:10.1038/​s41467-022-30410-8.
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[70] Quntao Zhuang, John Preskill und Liang Jiang. Verteilte Quantenerkennung, verbessert durch Fehlerkorrektur mit kontinuierlicher Variable. New J. Phys., 22(2):022001, 2020. doi:10.1088/​1367-2630/​ab7257.
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Zitiert von

[1] Michael Liaofan Liu, Nathanan Tantivasadakarn und Victor V. Albert, „Subsystem-CSS-Codes, eine engere Zuordnung von Stabilisator zu CSS und Goursats Lemma“, arXiv: 2311.18003, (2023).

[2] ChunJun Cao, „Stabilizer Codes Have Trivial Area Operators“, arXiv: 2306.14996, (2023).

[3] Abhijeet Alase, Kevin D. Stubbs, Barry C. Sanders und David L. Feder, „Exponentielle Unterdrückung von Pauli-Fehlern in Majorana-Qubits durch Quasiteilchenerkennung“, arXiv: 2307.08896, (2023).

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