Entanglement Purification med Quantum LDPC-koder och iterativ avkodning

Entanglement Purification med Quantum LDPC-koder och iterativ avkodning

Källnod: 3083770

Narayanan Rengaswamy1, Nithin Raveendran1, Ankur Raina2och Bane Vasić1

1Institutionen för elektro- och datorteknik, University of Arizona, Tucson, Arizona 85721, USA
2Institutionen för elektroteknik och datavetenskap, Indian Institute of Science Education and Research, Bhopal, Madhya Pradesh 462066, Indien

Hitta det här uppsatsen intressant eller vill diskutera? Scite eller lämna en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Nyligen genomförda konstruktioner av quantum low-density parity-check (QLDPC)-koder ger optimal skalning av antalet logiska qubits och det minsta avståndet i termer av kodlängden, vilket öppnar dörren till feltoleranta kvantsystem med minimal resursoverhead. Men hårdvaruvägen från närmaste anslutningsbaserade topologiska koder till långdistansinteraktionskrävande QLDPC-koder är sannolikt en utmanande sådan. Med tanke på den praktiska svårigheten att bygga en monolitisk arkitektur för kvantsystem, såsom datorer, baserad på optimala QLDPC-koder, är det värt att överväga en distribuerad implementering av sådana koder över ett nätverk av sammankopplade medelstora kvantprocessorer. I en sådan miljö måste alla syndrommätningar och logiska operationer utföras genom användning av delade tillstånd med hög kvalitet mellan bearbetningsnoderna. Eftersom probabilistiska många-till-1-destillationsscheman för att rena intrassling är ineffektiva, undersöker vi kvantfelskorrigering baserad intrasslingsrening i detta arbete. Specifikt använder vi QLDPC-koder för att destillera GHZ-tillstånd, eftersom de resulterande logiska GHZ-tillstånden med hög kvalitet kan interagera direkt med koden som används för att utföra distribuerad kvantberäkning (DQC), t.ex. för feltolerant Steane-syndromextraktion. Detta protokoll är tillämpligt utöver tillämpningen av DQC eftersom intrasslingsdistribution och rening är en avgörande uppgift för alla kvantnätverk. Vi använder den min-summa algoritmen (MSA) baserad iterativ avkodare med ett sekventiellt schema för att destillera $3$-qubit GHZ-tillstånd med användning av en rate $0.118$ familj av lyfta produkt QLDPC-koder och erhåller en ingångstrohetströskel på $ca 0.7974$ under iid single -qubit depolariserande brus. Detta representerar den bästa tröskeln för en avkastning på $0.118$ för alla GHZ-reningsprotokoll. Våra resultat gäller även för större GHZ-tillstånd, där vi utökar vårt tekniska resultat med en mätegenskap på $3$-qubit GHZ-tillstånd för att konstruera ett skalbart GHZ-reningsprotokoll.

Vår mjukvara är tillgänglig github och zenod.

Kvantfelskorrigering är avgörande för att bygga pålitliga och skalbara kvantdatorer. De optimala kvantfelskorrigerande koderna kräver en stor mängd långdistansanslutning mellan qubits i hårdvaran, vilket är svårt att implementera. Med tanke på denna praktiska utmaning blir en distribuerad implementering av dessa koder ett hållbart tillvägagångssätt, där långdistansanslutning kan realiseras via delade högfientliga intrasslade tillstånd som Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) tillstånd. Men i det här fallet behöver man en effektiv mekanism för att rena de brusiga GHZ-tillstånden som genereras i hårdvaran och matcha trohetskraven för den distribuerade implementeringen av de optimala koderna. I det här arbetet utvecklar vi en ny teknisk insikt om GHZ-tillstånd och använder den för att designa ett nytt protokoll för att effektivt destillera högfientliga GHZ-tillstånd med samma optimala koder som skulle användas för att bygga den distribuerade kvantdatorn. Den minsta nödvändiga indatatroheten för vårt protokoll är mycket bättre än något annat protokoll i litteraturen för GHZ-tillstånd. Dessutom kan de destillerade GHZ-tillstånden sömlöst interagera med tillstånden för den distribuerade datorn eftersom de tillhör samma optimala kvantfelskorrigerande kod.

► BibTeX-data

► Referenser

[1] Matthew B Hastings, Jeongwan Haah och Ryan O'Donnell. Fiberpaketkoder: bryter $n^{1/​2}$ polylog-barriären ($n$) för kvant-LDPC-koder. I Proceedings of the 53th Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing, sidorna 1276–1288, 2021. 10.1145/​3406325.3451005. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​2009.03921.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3406325.3451005
arXiv: 2009.03921

[2] Pavel Panteleev och Gleb Kalachev. Quantum LDPC-koder med nästan linjärt minimiavstånd. IEEE Trans. Inf. Teori, sidorna 1–1, 2021. 10.1109/​TIT.2021.3119384. URL http://​arxiv.org/​abs/​2012.04068.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2021.3119384
arXiv: 2012.04068

[3] Nikolas P Breuckmann och Jens N Eberhardt. Balanserade produktkvantkoder. IEEE Transactions on Information Theory, 67 (10): 6653–6674, 2021a. 10.1109/​TIT.2021.3097347. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​2012.09271.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2021.3097347
arXiv: 2012.09271

[4] Nikolas P Breuckmann och Jens Niklas Eberhardt. Quantum low-density paritetskontrollkoder. PRX Quantum, 2 (4): 040101, 2021b. 10.1103/​PRXQuantum.2.040101. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​2103.06309.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040101
arXiv: 2103.06309

[5] Pavel Panteleev och Gleb Kalachev. Asymptotiskt goda kvant- och lokalt testbara klassiska LDPC-koder. I Proc. 54:e årliga ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing, sidorna 375–388, 2022. 10.1145/​3519935.3520017. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​2111.03654v1.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520017
arXiv: 2111.03654v1

[6] Anthony Leverrier och Gilles Zémor. Quantum Tanner-koder. arXiv preprint arXiv:2202.13641, 2022. 10.48550/​arXiv.2202.13641. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​2202.13641.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2202.13641
arXiv: 2202.13641

[7] Nouédyn Baspin och Anirudh Krishna. Anslutning begränsar kvantkoder. Quantum, 6: 711, 2022. 10.22331/​q-2022-05-13-711. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​2106.00765.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-05-13-711
arXiv: 2106.00765

[8] Naomi H. Nickerson, Ying Li och Simon C. Benjamin. Topologisk kvantberäkning med ett mycket brusigt nätverk och lokala felfrekvenser som närmar sig en procent. Nat. Commun., 4 (1): 1–5, apr 2013. 10.1038/​ncomms2773. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​1211.2217.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2773
arXiv: 1211.2217

[9] Stefan Krastanov, Victor V Albert och Liang Jiang. Optimerad intrasslingsrening. Quantum, 3: 123, 2019. 10.22331/​q-2019-02-18-123. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​1712.09762.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-02-18-123
arXiv: 1712.09762

[10] Sébastian de Bone, Runsheng Ouyang, Kenneth Goodenough och David Elkouss. Protokoll för att skapa och destillera flerdelade ghz-tillstånd med klockpar. IEEE Transactions on Quantum Engineering, 1: 1–10, 2020. 10.1109/​TQE.2020.3044179. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​2010.12259.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2020.3044179
arXiv: 2010.12259

[11] Sreraman Muralidharan, Linshu Li, Jungsang Kim, Norbert Lütkenhaus, Mikhail D Lukin och Liang Jiang. Optimala arkitekturer för långdistanskvantkommunikation. Vetenskapliga rapporter, 6 (1): 1–10, 2016. 10.1038/​srep20463. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​1509.08435.
https: / / doi.org/ 10.1038 / srep20463
arXiv: 1509.08435

[12] Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Sandu Popescu, Benjamin Schumacher, John A. Smolin och William K. Wootters. Rening av bullriga förveckling och trogen teleportering via bullriga kanaler. Phys. Rev. Lett., 76 (5): 722, Jan 1996a. 10.1103/​PhysRevLett.76.722. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​quant-ph/​9511027.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.76.722
arXiv: kvant-ph / 9511027

[13] Charles H. Bennett, David P. DiVincenzo, John A. Smolin och William K. Wootters. Mixed-state intrassling och kvantfelskorrigering. Phys. Rev. A, 54 (5): 3824–3851, 1996b. 10.1103/​PhysRevA.54.3824. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​quant-ph/​9604024.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.3824
arXiv: kvant-ph / 9604024

[14] Akimasa Miyake och Hans J. Briegel. Destillation av flerdelad intrassling genom komplementära stabilisatormätningar. Phys. Rev. Lett., 95: 220501, november 2005. 10.1103/​PhysRevLett.95.220501. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​quant-ph/​0506092.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.95.220501
arXiv: kvant-ph / 0506092

[15] W. Dür och Hans J. Briegel. Entanglement rening och quantum error correction. Rep. Prog. Phys., 70 (8): 1381, november 2007. 10.1088/​0034-4885/​70/​8/​R03. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​0705.4165.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​70/​8/​R03
arXiv: 0705.4165

[16] Felix Leditzky, Nilanjana Datta och Graeme Smith. Användbara tillstånd och intrasslingsdestillation. IEEE Transactions on Information Theory, 64 (7): 4689–4708, 2017. 10.1109/​TIT.2017.2776907. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​1701.03081.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2017.2776907
arXiv: 1701.03081

[17] Kun Fang, Xin Wang, Marco Tomamichel och Runyao Duan. Icke-asymptotisk intrasslingsdestillation. IEEE Trans. på Inf. Theory, 65: 6454–6465, november 2019. 10.1109/​TIT.2019.2914688. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​1706.06221.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2019.2914688
arXiv: 1706.06221

[18] Mark M. Wilde, Hari Krovi och Todd A. Brun. Convolutional intrasslingsdestillation. Proc. IEEE Intl. Symp. Inf. Teori, sidorna 2657–2661, juni 2010. 10.1109/​ISIT.2010.5513666. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​0708.3699.
https: / ⠀ </ ⠀ <doi.org/†<10.1109 / ⠀ <ISIT.2010.5513666
arXiv: 0708.3699

[19] Filip Rozpędek, Thomas Schiet, David Elkouss, Andrew C Doherty, Stephanie Wehner, et al. Optimering av praktisk intrasslingsdestillation. Physical Review A, 97 (6): 062333, 2018. 10.1103/​PhysRevA.97.062333. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​1803.10111.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.062333
arXiv: 1803.10111

[20] M. Murao, MB Plenio, S. Popescu, V. Vedral och PL Knight. Protokoll för rening av multipartikelförtrassling. Phys. Rev. A, 57 (6): R4075, juni 1998. 10.1103/​PhysRevA.57.R4075. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​quant-ph/​9712045.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.57.R4075
arXiv: kvant-ph / 9712045

[21] Daniel Gottesman. Stabilisatorkoder och kvantfelskorrigering. Doktorsavhandling, California Institute of Technology, 1997. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​quant-ph/​9705052. https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​9705052.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​9705052
arXiv: kvant-ph / 9705052

[22] R. Calderbank, EM Rains, PW Shor och NJA Sloane. Kvantfelskorrigering via koder över GF(4). IEEE Trans. Inf. Theory, 44 (4): 1369–1387, jul 1998. ISSN 0018-9448. 10.1109/​18.681315. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​quant-ph/​9608006.
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.681315
arXiv: kvant-ph / 9608006

[23] Daniel Gottesman. Heisenbergs representation av kvantdatorer. I Intl. Konf. om gruppteor. Meth. Phys., sidorna 32–43. International Press, Cambridge, MA, 1998. 10.48550/​arXiv.quant-ph/​9807006. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​quant-ph/​9807006.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​9807006
arXiv: kvant-ph / 9807006

[24] Raymond Laflamme, Cesar Miquel, Juan Pablo Paz och Wojciech Hubert Zurek. Perfekt Quantum Error Correcting Code. Phys. Rev. Lett., 77 (1): 198–201, 1996. 10.1103/​PhysRevLett.77.198. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​quant-ph/​9602019.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.77.198
arXiv: kvant-ph / 9602019

[25] Nithin Raveendran, Narayanan Rengaswamy, Filip Rozpędek, Ankur Raina, Liang Jiang och Bane Vasić. Finit rate QLDPC-GKP kodningsschema som överträffar CSS Hamming-gränsen. Quantum, 6: 767, juli 2022a. 10.22331/​q-2022-07-20-767. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​2111.07029.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-20-767
arXiv: 2111.07029

[26] N. Raveendran, N. Rengaswamy, AK Pradhan och B. Vasić. Mjuk syndromavkodning av kvant-LDPC-koder för gemensam korrigering av data och syndromfel. I IEEE Intl. Konf. om Quantum Computing and Engineering (QCE), sidorna 275–281, september 2022b. 10.1109/​QCE53715.2022.00047. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​2205.02341.
https: / / doi.org/ 10.1109 / QCE53715.2022.00047
arXiv: 2205.02341

[27] David Steven Dummit och Richard M Foote. Abstrakt algebra, volym 3. Wiley Hoboken, 2004. ISBN 978-0-471-43334-7.

[28] Narayanan Rengaswamy, Robert Calderbank, Michael Newman och Henry D. Pfister. Om optimaliteten av CSS-koder för transversal $T$. IEEE J. Sel. Områden i Inf. Teori, 1 (2): 499–514, 2020a. 10.1109/​JSAIT.2020.3012914. URL http://​arxiv.org/​abs/​1910.09333.
https: / / doi.org/ 10.1109 / JSAIT.2020.3012914
arXiv: 1910.09333

[29] Narayanan Rengaswamy, Nithin Raveendran, Ankur Raina och Bane Vasic. Rening av GHZ-tillstånd med hjälp av kvant-LDPC-koder, 8 2023. URL https://​/​doi.org/​10.5281/​zenodo.8284903. https://​/​github.com/​nrenga/​ghz_distillation_qec.
https: / / doi.org/ 10.5281 / zenodo.8284903

[30] HF Chau och KH Ho. Praktiskt trasslingsdestillationsschema med användning av återfallsmetod och kvantkontrollkoder för lågdensitetsparitet. Quantum Information Processing, 10: 213–229, 7 2010. ISSN 1573-1332. 10.1007/​S11128-010-0190-1. URL https://​/​link.springer.com/​article/​10.1007/​s11128-010-0190-1.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​S11128-010-0190-1
https:/​/​link.springer.com/​article/​10.1007/​s11128-010-0190-1

[31] E. Berlekamp, ​​R. McEliece och H. van Tilborg. Om den inneboende oförklarligheten hos vissa kodningsproblem (korresp.). IEEE Transactions on Information Theory, 24 (3): 384–386, 1978. 10.1109/​TIT.1978.1055873.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.1978.1055873

[32] J Fang, G Cohen, Philippe Godlewski och Gerard Battail. Om den inneboende oförklarligheten hos mjuk beslutsavkodning av linjära koder. I kodningsteori och tillämpningar: 2nd International Colloquium Cachan-Paris, Frankrike, 24–26 november, 1986 Proceedings 2, sidorna 141–149. Springer, 1988. 10.1007/​3-540-19368-5_15.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​3-540-19368-5_15

[33] Elitza N. Maneva och John A. Smolin. Förbättrade tvåparts- och flerpartsreningsprotokoll. Contemporary Mathematics, 305: 203–212, 3 2002. 10.1090/​conm/​305/​05220. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​quant-ph/​0003099v1.
https: / / doi.org/ 10.1090 / conm / 305 / 05220
arXiv: quant-ph / 0003099v1

[34] KH Ho och HF Chau. Rening av greenberger-horne-zeilinger-tillstånd med hjälp av degenererade kvantkoder. Physical Review A, 78: 042329, 10 2008. ISSN 1050-2947. 10.1103/​PhysRevA.78.042329. URL https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.78.042329.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.042329

[35] Chen-Long Li, Yao Fu, Wen-Bo Liu, Yuan-Mei Xie, Bing-Hong Li, Min-Gang Zhou, Hua-Lei Yin och Zeng-Bing Chen. Helfotonisk kvantrepeater för generering av flera partier. Välja. Lett., 48 (5): 1244–1247, mars 2023. 10.1364/​OL.482287. URL https://​/​opg.optica.org/​ol/​abstract.cfm?URI=ol-48-5-1244.
https: / / doi.org/ 10.1364 / OL.482287
https://​/​opg.optica.org/​ol/​abstract.cfm?URI=ol-48-5-1244

[36] M. Zwerger, HJ Briegel och W. Dür. Robusta hashprotokoll för intrasslingsrening. Physical Review A, 90: 012314, 7 2014. ISSN 10941622. 10.1103/​PhysRevA.90.012314. URL https://​/​doi.org/​pra/​abstract/​10.1103/​PhysRevA.90.012314.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.90.012314

[37] JW Pan, C. Simon, Č Brukner och A. Zeilinger. Entanglement rening för kvantkommunikation. Nature, 410 (6832): 1067–1070, april 2001. 10.1038/​35074041. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​quant-ph/​0012026.
https: / / doi.org/ 10.1038 / 35074041
arXiv: kvant-ph / 0012026

[38] J. Chen, A. Dholakia, E. Eleftheriou, MPC Fossorier och X.-Y. Hu. Avkodning med reducerad komplexitet av LDPC-koder. IEEE Trans. Commun., 53 (8): 1288–1299, augusti 2005. 10.1109/​TCOMM.2005.852852.
https://doi.org/ 10.1109/TCOMM.2005.852852

[39] DE Hocevar. En reducerad komplexitetsavkodningsarkitektur via skiktad avkodning av LDPC -koder. I Proc. IEEE Workshop on Signal Processing Systems, sid 107–112, 2004. 10.1109/SIPS.2004.1363033.
https://doi.org/ 10.1109/SIPS.2004.1363033

[40] Scott Aaronson och Daniel Gottesman. Förbättrad simulering av stabilisatorkretsar. Phys. Rev. A, 70 (5): 052328, 2004. 10.1103/​PhysRevA.70.052328. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​quant-ph/​0406196.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.052328
arXiv: kvant-ph / 0406196

[41] Sergey Bravyi och Jeongwan Haah. Magic-state destillation med låg overhead. Phys. Rev. A, 86 (5): 052329, 2012. 10.1103/​PhysRevA.86.052329. URL http://​arxiv.org/​abs/​1209.2426.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.052329
arXiv: 1209.2426

[42] Anirudh Krishna och Jean-Pierre Tillich. Magisk tillståndsdestillation med punkterade polära koder. arXiv preprint arXiv:1811.03112, 2018. 10.48550/​arXiv.1811.03112. URL http://​arxiv.org/​abs/​1811.03112.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1811.03112
arXiv: 1811.03112

[43] Mark M Wilde. Kvantinformationsteori. Cambridge University Press, 2013. ISBN 9781139525343. 10.1017/​CBO9781139525343.
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139525343

[44] Narayanan Rengaswamy, Robert Calderbank och Henry D. Pfister. Att förena Clifford-hierarkin via symmetriska matriser över ringar. Phys. Rev. A, 100 (2): 022304, 2019. 10.1103/​PhysRevA.100.022304. URL http://​arxiv.org/​abs/​1902.04022.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.022304
arXiv: 1902.04022

[45] Michael A Nielsen och Isaac L Chuang. Kvantberäkning och kvantinformation. Cambridge University Press, 2010. ISBN 9781107002173. 10.1017/​CBO9780511976667.
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[46] Mark M Wilde. Logiska operatorer av kvantkoder. Phys. Rev. A, 79 (6): 062322, 2009. 10.1103/​PhysRevA.79.062322. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​0903.5256.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.79.062322
arXiv: 0903.5256

[47] AR Calderbank och Peter W. Shor. Det finns bra kvantfelskorrigerande koder. Phys. Rev. A, 54: 1098–1105, aug 1996. 10.1103/​PhysRevA.54.1098. URL https://​/​arxiv.org/​abs/​quant-ph/​9512032.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.1098
arXiv: kvant-ph / 9512032

[48] Jeroen Dehaene och Bart De Moor. Clifford-gruppen, stabilisatortillstånd och linjära och kvadratiska operationer över GF(2). Phys. Rev. A, 68 (4): 042318, okt 2003. 10.1103/​PhysRevA.68.042318.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.68.042318

[49] Narayanan Rengaswamy, Robert Calderbank, Swanand Kadhe och Henry D. Pfister. Logisk Clifford-syntes för stabilisatorkoder. IEEE Trans. Quantum Engg., 1, 2020b. 10.1109/​TQE.2020.3023419. URL http://​arxiv.org/​abs/​1907.00310.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2020.3023419
arXiv: 1907.00310

Citerad av

Det gick inte att hämta Crossref citerade data under sista försök 2024-01-25 13:28:57: Det gick inte att hämta citerade data för 10.22331 / q-2024-01-24-1233 från Crossref. Detta är normalt om DOI registrerades nyligen. På SAO / NASA ADS Inga uppgifter om citerande verk hittades (sista försök 2024-01-25 13:28:57).

Tidsstämpel:

Mer från Quantum Journal