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Capacité quantique et codes pour le canal de déphasage des pertes bosoniques

Pierre Léviant1, Qian Xu2, Liang Jiang2, et Serge Rosenblum1

1Département de physique de la matière condensée, Institut Weizmann des sciences, Rehovot 76100, Israël
2Pritzker School of Molecular Engineering, Université de Chicago, Chicago, Illinois 60637, États-Unis

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Abstract

Les qubits bosoniques codés dans des systèmes à variable continue offrent une alternative prometteuse aux qubits à deux niveaux pour le calcul et la communication quantiques. Jusqu'à présent, la perte de photons a été la principale source d'erreurs dans les qubits bosoniques, mais la réduction significative de la perte de photons dans les récentes expériences sur les qubits bosoniques suggère que les erreurs de déphasage devraient également être prises en compte. Cependant, une compréhension détaillée de la perte combinée de photons et du canal de déphasage fait défaut. Ici, nous montrons que, contrairement à ses éléments constitutifs, le canal combiné perte-déphasage est non dégradable, pointant vers une structure plus riche de ce canal. Nous fournissons des limites pour la capacité du canal de déphasage des pertes et utilisons l'optimisation numérique pour trouver des codes monomodes optimaux pour une large gamme de taux d'erreur.

Dans cet article, nous mettons en lumière les propriétés des qubits bosoniques (photoniques) subissant des erreurs de perte de photons et des erreurs de déphasage. Ce scénario est particulièrement pertinent dans les systèmes quantiques actuels, où la perte et le déphasage se produisent souvent simultanément et nécessitent une correction d'erreur active. Nous montrons que la structure du canal d'erreur combiné est beaucoup plus complexe que ses éléments constitutifs. Néanmoins, nous pouvons fournir des limites sur la façon dont les informations peuvent être stockées en présence d'erreurs de perte et de déphasage. Nous utilisons ensuite des méthodes d'optimisation numérique pour trouver des codes correcteurs d'erreurs optimaux. Une découverte clé est que les qubits bosoniques codés ont un nombre de photons moyen optimal pour une large gamme de taux d'erreur de perte et de déphasage. Ceci est en contraste frappant avec les erreurs de perte pure ou de déphasage pur, dans lesquelles plus de photons conduisent toujours à de meilleures performances de code.

► Données BibTeX

► Références

Peter W. Shor "Schéma pour réduire la décohérence dans la mémoire de l'ordinateur quantique" Physical Review A 52, R2493 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.52.R2493

Mark M. Wilde "Théorie de l'information quantique" Cambridge University Press (2013).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139525343
https:/​/​www.cambridge.org/​core/​books/​quantum-information-theory/​9DC2CA59F45636D4F0F30D971B677623

Seth Lloyd "Capacity of the noise quantum channel" Physical Review A 55, 1613 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.55.1613

Nissim Ofek, Andrei Petrenko, Reinier Heeres, Philip Reinhold, Zaki Leghtas, Brian Vlastakis, Yehan Liu, Luigi Frunzio, SM Girvin, L. Jiang, Mazyar Mirrahimi, MH Devoret et RJ Schoelkopf, "Extending the life of a quantum bit with correction d'erreurs dans les circuits supraconducteurs » Nature 536, 441–445 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature18949
https: / / www.nature.com/ articles / nature18949

Victor V. Albert, Kyungjoo Noh, Kasper Duivenvoorden, Dylan J. Young, RT Brierley, Philip Reinhold, Christophe Vuillot, Linshu Li, Chao Shen, SM Girvin, Barbara M. Terhal et Liang Jiang, « Performance and structure of single- codes bosoniques en mode » Physical Review A 97, 032346 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.032346

Kyungjoo Nohand Christopher Chamberland "Correction d'erreurs quantiques bosoniques tolérantes aux pannes avec le code surface-Gottesman-Kitaev-Preskill" Physical Review A 101, 012316 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.012316

Kyungjoo Noh « Calcul quantique et communication dans les systèmes bosoniques » (2020).

Daniel Gottesman, Alexei Kitaev et John Preskill, "Encoding a qubit in an oscillator" Physical Review A 64, 012310 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.012310

P. Campagne-Ibarcq, A. Eickbusch, S. Touzard, E. Zalys-Geller, NE Frattini, VV Sivak, P. Reinhold, S. Puri, S. Shankar, RJ Schoelkopf, L. Frunzio, M. Mirrahimi, et MH Devoret, "Correction d'erreur quantique d'un qubit codé dans les états de grille d'un oscillateur" Nature 584, 368–372 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-020-2603-3

A. Romanenko, R. Pilipenko, S. Zorzetti, D. Frolov, M. Awida, S. Belomestnykh, S. Posen et A. Grassellino, «Résonateurs supraconducteurs tridimensionnels à T <20 mK avec des durées de vie des photons jusqu'à $ tau $=2 s'' Physical Review Applied 13, 34032 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.13.034032

Matthew Reagor, Wolfgang Pfaff, Christopher Axline, Reinier W. Heeres, Nissim Ofek, Katrina Sliwa, Eric Holland, Chen Wang, Jacob Blumoff, Kevin Chou, Michael J. Hatridge, Luigi Frunzio, Michel H. Devoret, Liang Jiang et Robert J. Schoelkopf, "Mémoire quantique avec cohérence milliseconde dans le circuit QED" Physical Review B 94, 014506 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.94.014506

S. Rosenblum, P. Reinhold, M. Mirrahimi, Liang Jiang, L. Frunzio et RJ Schoelkopf, "Détection tolérante aux pannes d'une erreur quantique" Science 361, 266-270 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1126/​science.aat3996
http://​/​science.sciencemag.org/​

AP Sears, A. Petrenko, G. Catelani, L. Sun, Hanhee Paik, G. Kirchmair, L. Frunzio, LI Glazman, SM Girvin et RJ Schoelkopf, « Photon shot noise dephasing in the strong-dispersive limit of circuit QED » Examen physique B 86, 180504 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.86.180504

Arne L. Grimsmo, Joshua Combes et Ben Q. Baragiola, «Quantum Computing with Rotation-Symmetric Bosonic Codes» Physical Review X 10, 011058 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.011058

Yingkai Ouyangand Earl T. Campbell « Compromis sur la résilience du nombre et du déphasage dans les codes quantiques bosoniques » Transactions IEEE sur la théorie de l'information 67, 6644–6652 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2021.3102873

Felix Leditzky, Debbie Leung et Graeme Smith, «Dephrasure Channel and Superaddiivity of Coherent Information» Physical Review Letters 121, 160501 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PHYSREVLETT.121.160501
https: / / journals.aps.org/ prl / abstract / 10.1103 / PhysRevLett.121.160501

Robert L. Kosut et Daniel A. Lidar "Correction d'erreur quantique via l'optimisation convexe" Traitement de l'information quantique 8, 443–459 (2009).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​S11128-009-0120-2
https:/​/​link.springer.com/​article/​10.1007/​s11128-009-0120-2

Kyungjoo Noh, Victor V. Albert et Liang Jiang, « Limites de capacité quantique des canaux de perte thermique gaussiens et taux réalisables avec les codes Gottesman-Kitaev-Preskill », IEEE Transactions on Information Theory 65, 2563–2582 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2018.2873764

Marios H. Michael, Matti Silveri, RT Brierley, Victor V. Albert, Juha Salmilehto, Liang Jiang et SM Girvin, "Nouvelle classe de codes de correction d'erreur quantique pour un mode bosonique" Physical Review X 6, 031006 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.031006

Mazyar Mirrahimi, Zaki Leghtas, Victor V. Albert, Steven Touzard, Robert J. Schoelkopf, Liang Jiang et Michel H. Devoret, "Cat-qubits protégés dynamiquement : un nouveau paradigme pour le calcul quantique universel" New Journal of Physics 16, 045014 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​16/​4/​045014

Amir Arqand, Laleh Memarzadeh et Stefano Mancini, "Capacité quantique d'un canal de déphasage bosonique" Physical Review A 102, 42413 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.042413

Andreas Winter "Norme de diamant à contrainte énergétique avec applications à la continuité uniforme des capacités de canal variables continues" arXiv: 1712.10267 [quant-ph] (2017).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1712.10267

Michael M. Wolf, David Pérez-García et Geza Giedke, "Capacités quantiques des canaux bosoniques" Physical Review Letters 98, 130501 (2007).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PHYSREVLETT.98.130501
https: / / journals.aps.org/ prl / abstract / 10.1103 / PhysRevLett.98.130501

Christian Weedbrook, Stefano Pirandola, Raúl García-Patrón, Nicolas J. Cerf, Timothy C. Ralph, Jeffrey H. Shapiro et Seth Lloyd, "Gaussian quantum information" Reviews of Modern Physics 84, 621–669 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.84.621

Mark M. Wilde et Haoyu Qi « Capacités privées et quantiques à contraintes énergétiques des canaux quantiques » IEEE Transactions on Information Theory 64, 7802–7827 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2018.2854766

Ludovico Lamiand Mark M. Wilde "Solution exacte pour les capacités quantiques et privées des canaux de déphasage bosonique" arXiv:2205.05736 [quant-ph] (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arxiv.2205.05736
https://​/​arxiv.org/​abs/​2205.05736v1

Vikesh Siddhuand Robert B. Griffiths « Positivité et non-additivité des capacités quantiques à l'aide de canaux d'effacement généralisés » IEEE Transactions on Information Theory 67, 4533–4545 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2021.3080819

Atharv Joshi, Kyungjoo Noh et Yvonne Y Gao, "Traitement de l'information quantique avec des qubits bosoniques dans le circuit QED" Quantum Science and Technology 6, 033001 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ABE989
https:/​/​iopscience.iop.org/​article/​10.1088/​2058-9565/​abe989%20https:/​/​iopscience.iop.org/​article/​10.1088/​2058-9565/​abe989/​meta

David S. Schlegel, Fabrizio Minganti et Vincenzo Savona, «Correction d'erreur quantique à l'aide d'états de chat de Schrödinger comprimés» arXiv: 2201.02570 [quant-ph] (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2201.02570
https://​/​arxiv.org/​abs/​2201.02570v1

A. Grimm, NE Frattini, S. Puri, SO Mundhada, S. Touzard, M. Mirrahimi, SM Girvin, S. Shankar et MH Devoret, "Stabilisation et fonctionnement d'un qubit Kerr-cat" Nature 584, 205-209 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-020-2587-z
https://​/​www.nature.com/​articles/​s41586-020-2587-z

C. Berdou, A. Murani, U. Reglade, WC Smith, M. Villiers, J. Palomo, M. Rosticher, A. Denis, P. Morfin, M. Delbecq, T. Kontos, N. Pankratova, F. Rautschke , T. Peronnin, L.-A. Sellem, P. Rouchon, A. Sarlette, M. Mirrahimi, P. Campagne-Ibarcq, S. Jezouin, R. Lescanne et Z. Leghtas, « Temps de retournement de bit de cent secondes dans un oscillateur dissipatif à deux photons » arXiv :2204.09128 [quant-ph] (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arxiv.2204.09128
https://​/​arxiv.org/​abs/​2204.09128v1

Raphaël Lescanne, Marius Villiers, Théau Peronnin, Alain Sarlette, Matthieu Delbecq, Benjamin Huard, Takis Kontos, Mazyar Mirrahimi et Zaki Leghtas, « Suppression exponentielle des retournements de bits dans un qubit codé dans un oscillateur » Nature Physics 16, 509–513 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-020-0824-x

Linshu Li, Dylan J. Young, Victor V. Albert, Kyungjoo Noh, Chang Ling Zou et Liang Jiang, « Phase-engineering bosonic quantum codes » Physical Review A 103, 062427 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.062427

Igor Devetakand Andreas Winter "Distillation de clé secrète et intrication à partir d'états quantiques" Actes de la Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 461, 207–235 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2004.1372

Johannes Bauschand Felix Leditzky "Codes quantiques des réseaux de neurones" Nouveau Journal de physique 22, 023005 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab6cdd

Cité par

[1] Ludovico Lami et Mark M. Wilde, "Solution exacte pour les capacités quantiques et privées des canaux de déphasage bosonique", arXiv: 2205.05736.

Les citations ci-dessus proviennent de SAO / NASA ADS (dernière mise à jour réussie 2022-09-29 12:24:49). La liste peut être incomplète car tous les éditeurs ne fournissent pas de données de citation appropriées et complètes.

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