5 qubits 미만의 오류 수정 코드가없는 이유는 무엇입니까?


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나는 최근에 9 큐 비트, 7 큐 비트 및 5 큐 비트 오류 수정 코드를 읽었습니다. 그러나 왜 5 큐 비트 미만의 양자 오류 수정 코드가 없을 수 있습니까?

답변:


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최소 5 큐 비트 (또는 qudits)가 필요하다는 증거

다음은 단일 오류 수정 ( 즉, 거리 3) 양자 오류 수정 코드가 5 큐 비트 이상 이라는 증거입니다 . 실제로, 임의 사이즈의 qudits이 일반화된다 d , 및 양자에 대한 오류 정정 사이즈의 하나 이상의 보호기 qudits d .

( Felix Huber가 지적한 바와 같이 , 최소 5 큐 비트가 필요하다는 원래의 증거는 Knill-Laflamme 기사 [ arXiv : quant-ph / 9604034 ] 때문입니다. 다음은 Knill-Laflamme 조건을 설명합니다. 다음은 증명 기술입니다. 요즘 더 일반적으로 사용됩니다.)

수정할 수있는 모든 양자 오류 정정 코드 t 알 수없는 오류도까지 교정 할 수 2t (우리는 단순히 몇 가지 큐 비트를 잃을 경우, 또는 완전히 소극, 또는 유사한된다) 삭제 오류 삭제 된 큐 비트의 위치를 알고있는 경우. [1 초. III A] *. 약간 더 일반적으로, 거리 d 의 양자 에러 정정 코드는 d1 소거 에러를 허용 할 수있다 . 예를 들어 [[4,2,2]] 코드는 본질적으로 오류가 발생했다는 것을 알 수 있지만 어떤 유형의 오류가 발생했는지 알 수 없으므로 동일한 코드가 단일 삭제 오류로부터 보호 할 수 있기 때문에 본질적으로 오류를 전혀 수정할 수 없습니다 가설을 통해이 경우 오류가 발생하는 위치를 정확하게 알 수 있습니다.

하나의 Pauli 오류를 허용 할 수있는 모든 양자 오류 수정 코드는 두 qubits의 손실을 복구 할 수 있습니다. 이제 : n2 큐 비트 의 양자 오류 수정 코드가 있고 단일 큐 비트 오류에 대해 하나의 큐 비트를 인코딩 한다고 가정 합니다. Alice 에게 n2 쿼 비트를, Bob에 2 쿼 비트를 제공한다고 가정하면 Alice가 원래 인코딩 된 상태를 복구 할 수 있어야합니다. 경우 n<5 다음 2n2 , 그래서 밥해야 또한원래의 인코딩 된 상태를 복구하여 Alice 상태의 복제본을 얻을 수 있습니다. 이것은 복제없는 정리 (No Cloning Theorem)에 의해 배제 되었기 때문에, 대신에 우리는 n5 를 가져야 합니다.

삭제 오류 수정시

* 내가 찾은 가장 빠른 참조는

[1] 그라스, 베스, 펠리짜리.
      양자 소거 채널을위한 코드 .
      물리. 개정 A 56 (pp. 33–38), 1997.
      [ arXiv : quant-ph / 9610042 ]

— Knill-Laflamme 조건이 [ arXiv : quant-ph / 9604034 ]에 설명 된 후 그리 멀지 않아 코드 거리와 삭제 오류 간의 연결에 대한 원래의 증거가있을 수 있습니다. 개요는 다음과 같으며 거리 d 의 오류 수정 코드에 적용됩니다 (일반화 된 Pauli 연산자를 사용하여 큐 비트 대신 모든 차원의 큐에 동일하게 적용됨).

  • d1 큐 비트 의 손실은 큐빗이 완전히 탈분극 화되는 채널에 의해 모델링 될 수 있으며, 그 큐비 트는 균일하게 임의의 파울리 에러에 노출되는 큐 비트에 의해 모델링 될 수있다.

  • d1 큐 비트 의 위치를 알 수 없으면 치명적입니다. 그러나 위치가 알려져 있기 때문에, Knill-Laflamme 조건에 호소하여 d1 qubits의 모든 쌍 Pauli 오류를 구별 할 수 있습니다.

  • 따라서 지워진 큐 비트를 최대 혼합 상태의 큐 비트로 대체하고 해당 d1 큐 비트 에 대해 Pauli 오류를 테스트함으로써 (임의의 Pauli 오류를 수정하는 데 사용하는 것과는 다른 수정 절차가 필요합니다.) 원래 상태.


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NB 당신이 내 대답을 공표했다면 , 원래의 증거를 확인한 것에 대해 Felix Huber의 답변 도 공표하는 것을 고려해야합니다 .
Niel de Beaudrap

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우리가 쉽게 증명할 수있는 것은 더 작은 비 퇴화 코드 가 없다는 것 입니다.

비 생성 코드에서는 큐 비트의 2 가지 논리적 상태를 가져야하며 각 논리적 상태를 매핑하려면 가능한 각 오류에 대해 고유 한 상태를 가져야합니다. 그래서,하자 당신이 두 개의 논리 상태로, 5 큐 비트 코드를했다라고 |0L|1L . 가능한 단일 큐 비트 오류 세트는 X1,X2,X5,Y1,Y2,,Y5,Z1,Z2,,Z5 , 그리고 그것은 모든 주

|0L,|1L,X1|0L,X1|1L,X2|0L,
직교 상태로 매핑해야합니다.

이 인수를 일반적으로 적용하면

2+2×(3n)
고유 한 상태 가 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 n 큐 비트의 경우 최대 고유 상태 수는 2n 입니다. 따라서 거리가 3 (즉, 하나 이상의 오류 수정) 이상의 비 변성 오류 수정 코드의 경우
2n2(3n+1).
이것을 Quantum Hamming Bound라고합니다. 모든 n5 대해 이것이 사실인지 쉽게 확인할 수 있지만 n < 5 인 경우에는 그렇지 않습니다n<5. 실제로, n=5 경우, 부등식은 평등이며, 결과적으로 해당 5 큐 비트 코드를 완벽한 코드라고합니다.


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해밍 바운드를 호출하지 않고 코드를 복제하지 않고이를 증명할 수 없습니까?
Norbert Schuch

@NorbertSchuch 복제와 관련하여 알고있는 유일한 증거는 n qubit 코드가 n / 2 이상의 오류를 수정할 수 없다는 것을 보여줍니다. 다른 구조를 알고 있다면 매우 기뻐할 것입니다!
DaftWullie

아, 그것이 @NieldeBeaudrap의 대답의 요점입니다. 쿨 :)
DaftWullie

1
표준 인수했다 생각 : -o
노 베르트 SCHUCH

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다른 답변을 보완하기 위해, 양자 비 변성 오류 수정 코드에 대한 일반적인 양자 해밍 경계를 추가 할 것입니다. 이러한 경계의 수학적 공식은

2nkj=0t(nj)3j,
여기서 n 은 코드 워드를 형성하는 큐 비트 수를 나타냅니다. k 는 인코딩 된 정보 큐 비트 수입니다 (따라서 ) 결 어긋남으로부터 보호되고, t 의 번호 t 코드에 의해 정정 -qubit 오류. 마찬가지로 t 에 의해 거리와 관련 t=d12, 이러한 비 퇴화 양자 코드는[[n,k,d]]양자 오류 정정 코드 일 것이다. 이 경계는 구면 패킹 같은 인수를 사용하여 구해2n차원 힐버트 공간이2n-k로 분할됩니다.2nk각 증후군에 의해 결정된 공간이 측정되므로, 각 증후군에 하나의 에러가 할당되고, 이러한 측정 된 증후군과 관련된 에러를 반전시킴으로써 복구 동작이 수행된다. 이것이 비 변성 양자 코드에 의해 정정 된 총 에러 수가 신드롬 측정에 의한 파티션 수보다 작거나 같아야하는 이유입니다.

그러나, 퇴행성 (degeneracy)은 전송 된 코드 워드에 영향을 줄 수있는 에러들 사이에 등가의 클래스가 있다는 것을 암시하는 양자 에러 정정 코드의 속성이다. 이는 동일한 신드롬을 공유하면서 전송 된 코드 워드에 영향을 미치는 오류가 있음을 의미합니다. 이는 동일한 복구 작업을 통해 이러한 퇴화 오류 클래스가 수정되므로 예상되는 더 많은 오류를 수정할 수 있습니다. 이것이 파티션보다 더 많은 에러가 이런 식으로 정정 될 수 있기 때문에 양자 해밍 바운드가이 퇴행성 에러 정정 코드를 보유하는지 여부가 알려지지 않은 이유입니다. 양자 해밍 바운드 위반에 대한 정보는 이 질문 을 참조하십시오 .


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가장 빠른 참조에 짧은 설명을 추가하고 싶었습니다. 나는 이것이 5.2의 섹션에서 이미 조금 일찍 보여 졌다고 믿는다.

A Theory of Quantum Error-Correcting Codes
Emanuel Knill, Raymond Laflamme 
https://arxiv.org/abs/quant-ph/9604034

구체적인 결과는 다음과 같습니다.

정리 5.1. (2아르 자형,케이) 이자형오류 수정 양자 코드는 만족해야합니다 아르 자형4이자형+로그케이.

여기 (,케이) 코드는 케이차원 부분 공간으로 차원 시스템; 이것은이자형시스템이 큐 비트의 텐서 제품으로 분해되고 코드가 무게 오류를 정정 할 수있는 경우 오류 정정 코드 이자형. 특히(2,2케이) 이자형-error-correcting code is what we would now describe as an [[n,k,2e+1]] code. Theorem 5.1 then allows us to prove that for k1 and an odd integer d3, an [[n,k,d]] code must satisfy

n4d12+log2k4d12+k=2d2+k62+1=5.

(N.B. There is a peculiarity with the dates here: the arxiv submission of above paper is April 1996, a couple of months earlier than Grassl, Beth, and Pellizzari paper submitted in Oct 1996. However, the date below the title in the pdf states a year earlier, April 1995.)

As an alternative proof, I could imagine (but haven't tested yet) that simply solving for a weight distribution that satisfies the Mac-Williams Identities should also suffice. Such a strategy is indeed used

Quantum MacWilliams Identities
Peter Shor, Raymond Laflamme
https://arxiv.org/abs/quant-ph/9610040

to show that no degenerate code on five qubits exists that can correct any single errors.


Excellent reference, thanks! I didn't know the Knill--Laflamme paper well enough to know that the lower bound of 5 was there as well.
Niel de Beaudrap

Thanks for editing! About the lower bound, it seems they don't address that five qubits are needed, but only that such code must necessarily be non-degenerate.
Felix Huber

As a side not, from the quantum Singleton bound also n=5 follows for the smallest code being able to correct any single errors. In this case, no-cloning is not required (as dn/2+1 already), and the bound follows from subadditivity of the von Neumann entropy. C.f. Section 7.8.3 in Preskill's lecture notes, theory.caltech.edu/people/preskill/ph229/notes/chap7.pdf
Felix Huber

Unless I badly misread that Section, it seems to me that they show that no error correcting code exists for r4; it seems clear that this also follows from Theorem 5.1 as well. None of their terminology suggests that their result is special to non-degenerate codes.
Niel de Beaudrap

Sorry for the confusion. My side-comment was referring to the Quantum MacWilliams identity paper: there it was only shown that a single-error correcting five qubit code must be pure/non-degenerate. Section 5.2 in the Knill-Laflamme paper ("a theory of QECC..), as they point out, general.
Felix Huber
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