オシレーターをより多くのオシレーターに最適にエンコードする

オシレーターをより多くのオシレーターに最適にエンコードする

呉京1、アンソニー・J・ブレイディ2, チュアン・クンタオ3,1,2

1James C. Wyant College of Optical Sciences、University of Arizona、Tucson、AZ 85721、USA
2アリゾナ大学電気およびコンピュータ工学科、ツーソン、アリゾナ 85721、米国
3Ming Hsieh 電気およびコンピュータ工学部および物理および天文学部、南カリフォルニア大学、ロサンゼルス、カリフォルニア 90089、米国

この論文を興味深いと思うか、議論したいですか? SciRateを引用するかコメントを残す.

抽象

量子情報を調和振動子にボソニックエンコードすることは、戦闘ノイズに対するハードウェア効率の高いアプローチです。 この点において、発振器間符号はボソン符号化にさらなる機会を提供するだけでなく、量子センシングおよび通信において遍在する連続変数状態への誤り訂正の適用可能性も拡張します。 この研究では、均一ノイズに対する Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) スタビライザー コードの一般的なファミリーの中で最適な発振器間コードを導出します。 任意の GKP スタビライザー コードを一般化された GKP 4 モード スクイージング (TMS) コードに還元できることを証明します。 幾何平均誤差を最小限に抑える最適な符号化は、最適化された GKP 格子と TMS ゲインを備えた GKP-TMS コードから構築できます。 シングルモードデータと補助の場合、この最適なコード設計問題は効率的に解決でき、さらに六方晶系 GKP 格子が最適であり、以前に採用された正方格子よりも厳密に優れているという数値的証拠を提供します。 マルチモードの場合、一般的な GKP 格子の最適化は困難です。 4 モード データと付属のケースでは、DXNUMX 格子 (XNUMX 次元の高密度充填格子) が、より低次元の格子の積よりも優れていることがわかります。 副産物として、コード削減により、補助が GKP 状態でない場合でも、ガウス エンコーディングに基づく任意の発振器間コードに対する普遍的な閾値なし定理を証明できるようになります。

量子エラー補正は、ノイズ存在下での堅牢な量子情報処理にとって重要です。 量子情報を調和振動子にボソン符号化することは、量子ビットを符号化する場合の Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) コードや cat コードで例示されるように、量子エラー訂正のためのハードウェア効率の高いアプローチです。 量子ビットを超えて、Noh、Girvin、Jiang は最近、独創的な論文 [Phys. レット牧師。 125、080503 (2020)]。 この点において、発振器間符号はボソン符号化にさらなる機会を提供するだけでなく、量子センシングおよび通信において遍在する連続変数状態への誤り訂正の適用可能性も拡張します。 これらのコードから最大限の利益を得るために、重要な未解決の問題は、そのような GKP スタビライザー コード、特にノイズ抑制の観点からの最適な形式のパフォーマンス限界です。

この研究では、一般化された GKP XNUMX モード スクイーズ コードが最適であることを証明することにより、発振器間の符号化に関するこの重要な未解決の問題を解決します。 シングルモード データと補助については、六方晶格子が最適な GKP 格子であることをさらに示します。 一方、マルチモードの場合、高次元格子を持つマルチモード GKP 状態はシングルモードの低次元 GKP 状態よりも優れたパフォーマンスを発揮できることがわかり、したがって GKP 状態の高次元格子を考慮する必要性が強調されます。 また、有限圧縮を使用したこのようなコードのしきい値なし定理のより簡単な証明も得られます。

提案された最適なコードはさまざまな物理プラットフォームに容易に実装でき、さまざまな種類のノイズの抑制の向上が期待できます。

►BibTeXデータ

►参照

【1] AR カルダーバンクとピーター W. ショール。 「優れた量子誤り訂正符号が存在する」. 物理。 Rev. A 54、1098–1105 (1996)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.1098

【2] アンドリュー・スティーン。 「複数粒子干渉と量子誤り訂正」。 ロンドン王立協会紀要。 シリーズA:数学的、物理的および工学的科学452、2551–2577(1996)。
https:/ / doi.org/ 10.1098 / rspa.1996.0136

【3] ダニエル・ゴッテスマン、アレクセイ・キタエフ、ジョン・プレスキル。 「発振器で量子ビットをエンコードする」。 物理。 Rev. A 64, 012310 (2001)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.012310

【4] A. ロマネンコ、R. ピリペンコ、S. ゾルゼッティ、D. フロロフ、M. アウィダ、S. ベロメストニフ、S. ポーゼン、A. グラッセリーノ。 「$t<20$ mk、${tau}=2$ sまでの光子の寿命を持つ三次元超伝導共振器」。 物理学。 Rev. Applied 13、034032 (2020)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.13.034032

【5] ニッシム・オフェク、アンドレイ・ペトレンコ、ライナー・ヒエール、フィリップ・ラインホールド、ザキ・レグタス、ブライアン・ヴラスタキス、イェハン・リュー、ルイージ・フルンツィオ、SM・ガービン、リャン・ジャン 他「超伝導回路における誤り訂正による量子ビットの寿命の延長」。 ネイチャー 536、441–445 (2016)。
https:/ / doi.org/ 10.1038 / nature18949

【6] VV シヴァク、A アイクブッシュ、B ロイヤー、S ​​シン、I ツィオウシオス、S ガンジャム、A ミアーノ、BL ブロック、AZ ディン、L フルンツィオ、他。 「損益分岐点を超えるリアルタイム量子誤り訂正」 (2022)。
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-023-05782-6
arXiv:2211.09116

【7] ニシン・ラヴェンドラン、ナラヤナン・レンガスワミ、フィリップ・ロズペンデク、アンクル・ライナ、リャン・ジャン、バネ・ヴァシッチ。 「CSS ハミング限界を超える有限レート QLDPC-GKP コーディング スキーム」。 クォンタム 6、767 (2022)。
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-20-767

【8] フィリップ・ロズペンデク、ノ・ギョンジュ、銭徐、サイカット・グハ、梁江。 「連結されたボソン符号と離散変数量子符号に基づく量子中継器」。 npj量子情報7、1–12 (2021)。
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-021-00438-7

【9] クリストファー・チェンバーランド、ノ・ギョンジュ、パトリシオ・アランゴイス=アリオラ、アール・T・キャンベル、コナー・T・ハン、ジョセフ・アイバーソン、ハラルド・パターマン、トーマス・C・ボダノヴィッツ、スティーブン・T・フラミア、アンドリュー・ケラー 他「連結された Cat コードを使用したフォールトトレラントな量子コンピューターの構築」。 PRX クアンタム 3、010329 (2022)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010329

【10] ノ・ギョンジュ、SM・ガービン、リャン・ジャン。 「2019 つのオシレーターを多数のオシレーターにエンコードする」(1903.12615)。 arXiv:XNUMX。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.080503
arXiv:1903.12615

【11] ノ・ギョンジュ、SM・ガービン、リャン・ジャン。 「125 つのオシレーターを多数のオシレーターにエンコードする」。 物理学。 レット牧師。 080503、2020 (XNUMX)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.080503

【12] リサ・ハングリとロベルト・ケーニッヒ。 「オシレーター間のコードにはしきい値がありません」。 IEEEトランス。 情報理論 68、1068–1084 (2021)。
https:/ / doi.org/ 10.1109 / TIT.2021.3126881

【13] Yijia Xu、Yixu Wang、En-Jui Kuo、Victor V Albert。 「量子ビットとオシレーターの連結コード: 形式主義の解読とコードの比較」。 PRX クアンタム 4、020342 (2023)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.4.020342

【14] 荘量桃、ジョン・プレスキル、梁江。 「連続変数誤差補正によって強化された分散量子センシング」。 New Journal of Physics 22、022001 (2020)。
https:/ / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ab7257

【15] 周博裕、アンソニー・J・ブレイディ、荘量桃。 「不完全な誤り訂正による分散センシングの強化」。 物理学。 Rev. A 106、012404 (2022)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.106.012404

【16] ボー・ハン・ウー、ジェシェン・チャン、クンタオ・チュアン。 「ボソン音誤り訂正とテレポーテーションに基づく連続可変量子中継器: アーキテクチャとアプリケーション」。 量子科学技術 7、025018 (2022)。
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ac4f6b

【17] バティスト・ロイヤー、シュラッダ・シン、SM・ガービン。 「マルチモードグリッド状態での量子ビットのエンコード」。 PRX クアンタム 3、010335 (2022)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010335

【18] ジョナサン・コンラッド、イェンス・アイザート、フランチェスコ・アルザーニ。 「Gottesman-Kitaev-Preskill コード: 格子の視点」。 クォンタム 6、648 (2022)。
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-10-648

【19] ジュリアン・ニセト、ヤロミール・フィウラーシェク、ニコラス・J・サーフ。 「ガウス量子誤り訂正のためのNo-Go定理」。 物理学。 レット牧師。 102、120501 (2009)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.120501

【20] ジン・ウーとクンタオ・チュアン。 「一般的なガウスノイズに対する連続変数誤差補正」。 物理学。 Rev. Applied 15、034073 (2021)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.15.034073

【21] アロンソ・ボテロとベニ・レズニク。 「ガウス状態のモードワイズもつれ」。 物理学。 Rev. A 67、052311 (2003)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.67.052311

【22] ベン・Q・バラジョーラ、ジャコモ・パンタレオーニ、ラファエル・N・アレクサンダー、アンジェラ・カランジャイ、ニコラス・C・メニクッチ。 「Gottesman-Kitaev-Preskill コードによる全ガウスの普遍性とフォールト トレランス」。 物理学。 レット牧師。 123、200502 (2019)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.200502

【23] トーマス・M・カバーとジョイ・A・トーマス。 「情報理論の要素」。 ジョン・ワイリー&サンズ。 (2006年)。 2版。

【24] カスパー・ダイフェンフォールデン、バーバラ・M・ターハル、ダニエル・ウェイガンド。 「シングルモード変位センサ」。 物理学。 Rev. A 95、012305 (2017)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.012305

【25] ノ・ギョンジュ、ヴィクター・V・アルバート、リャン・ジャン。 「ガウス熱損失チャネルの量子容量限界と Gottesman-Kitaev-Preskill コードで達成可能なレート」。 IEEE 情報理論トランザクション 65、2563–2582 (2018)。
https:/ / doi.org/ 10.1109 / TIT.2018.2873764

【26] マイケル・M・ウルフ。 「通常ではないモードの分解」。 物理学。 レット牧師。 100、070505 (2008)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.070505

【27] フィリッポ・カルーソ、イェンス・アイザート、ヴィットリオ・ジョヴァネッティ、アレクサンダー・S・ホレヴォ。 「マルチモードボソニックガウスチャネル」。 新しい J. Phys. 10、083030 (2008)。
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​10/​8/​083030

【28] ノ・ギョンジュとクリストファー・チェンバーランド。 「surface-gottesman-kitaev-preskill コードによるフォールトトレラントなボソン量子エラー修正」。 物理学。 Rev. A 101、012316 (2020)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.012316

【29] バティスト・ロイヤー、シュラッダ・シン、SM・ガービン。 「有限エネルギーのゴッツマン・キタエフ・プレスキル状態の安定化」。 物理学。 レット牧師。 125、260509 (2020)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.260509

【30] サミュエル・L・ブラウンスタイン。 「還元不可能な資源として搾り出す」。 物理学。 Rev. A 71、055801 (2005)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.71.055801

【31] マイケル・レック、アントン・ツァリンガー、ハーバート・J・バーンスタイン、フィリップ・ベルターニ。 「任意の離散ユニタリー演算子の実験的実現」。 物理学。 レット牧師。 73、58 (1994)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

【32] アレッシオ・セラフィーニ。 「量子連続変数: 理論的手法の入門」。 CRCプレス。 (2017年)。

【33] クリスチャン ウィードブルック、ステファノ ピランドラ、ラウル ガルシア パトロン、ニコラス J. サーフ、ティモシー C. ラルフ、ジェフリー H. シャピロ、セス ロイド。 「ガウス量子情報」。 Rev.Mod. 物理。 84、621–669(2012)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.84.621

【34] アレクサンダー・S・ホレヴォ。 「ワンモード量子ガウスチャネル: 構造と量子容量」。 問題。 情報トランスミット。 43、1–11 (2007)。
https:/ / doi.org/ 10.1134 / S0032946007010012

【35] ヘラルド・アデッソ。 「ガウス状態のもつれ」(2007)。 arXiv:quant-ph/0702069。
arXiv:quant-ph / 0702069

【36] アレッシオ・セラフィーニ、ヘラルド・アデッソ、ファブリツィオ・イルミナティ。 「ガウス状態の一元的に局所化可能なもつれ」。 物理学。 Rev. A 71、032349 (2005)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.71.032349

【37] ジム・ハリントンとジョン・プレスキル。 「ガウス量子チャネルの達成可能なレート」。 物理学。 Rev. A 64、062301 (2001)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.062301

【38] リサ・ハングリ、マルグレット・ハインツェ、ロベルト・ケーニッヒ。 「表面のノイズ耐性の強化 – 設計されたバイアスによる Gottesman-Kitaev-Preskill コード」。 物理学。 Rev. A 102、052408 (2020)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.052408

【39] ブレイニー・W・ウォルシュ、ベン・Q・バラジオラ、ラファエル・N・アレクサンダー、ニコラス・C・メニクッチ。 「連続可変ゲートテレポーテーションとボソンコードエラー修正」。 物理学。 Rev. A 102、062411 (2020)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.062411

【40] フランク・シュミットとピーター・ファン・ルック。 「より高度な Gottesman-Kitaev-Preskill コードによる量子エラー補正: 最小限の測定と線形光学」。 物理学。 Rev. A 105、042427 (2022)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.105.042427

【41] ベンジャミン・シューマッハとMA・ニールセン。 「量子データ処理と誤り訂正」。 物理学。 Rev. A 54、2629–2635 (1996)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.2629

【42] セス・ロイド。 「ノイズの多い量子チャネルの容量」。 物理学。 Rev. A 55、1613–1622 (1997)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.55.1613

【43] イゴール・デヴェタク。 「量子チャネルのプライベート古典容量と量子容量」。 IEEE 情報理論トランザクション、51、44–55 (2005)。
https:/ / doi.org/ 10.1109 / TIT.2004.839515

【44] マイケル・M・ウルフ、ゲザ・ギドケ、J・イグナシオ・シラク。 「ガウス量子状態の極限性」。 物理学。 レット牧師。 96、080502 (2006)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.96.080502

【45] AS ホレヴォとRF ヴェルナー。 「ボソン音ガウスチャネルの容量の評価」。 物理学。 Rev. A 63、032312 (2001)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.032312

によって引用

[1] Anthony J. Brady、Alec Eickbusch、Shraddha Singh、Jing Wu、および Quntao Zhuang、「Gottesman-Kitaev-Preskill コードによるボソン量子誤り訂正の進歩: 理論、エンジニアリング、およびアプリケーション」、 arXiv:2308.02913, (2023).

[2] Zheshen Zhang、Chenglong You、Omar S. Magaña-Loaiza、Robert Fickler、Roberto de J. León-Montiel、Juan P. Torres、Travis Humble、Shuai Liu、Yi Xia、Quntao Zhuang、「Endanglement-Based Quantum」情報技術"、 arXiv:2308.01416, (2023).

[3] Yijia Xu、Yixu Wang、En-Jui Kuo、Victor V. Albert、「Qubit-Oscillator Concatenated Codes: Decoding Formalism and Code Comparison」、 PRX Quantum 4 2、020342(2023).

上記の引用は SAO / NASA ADS (最後に正常に更新された2023-08-18 10:08:49)。 すべての出版社が適切で完全な引用データを提供するわけではないため、リストは不完全な場合があります。

On Crossrefの被引用サービス 作品の引用に関するデータは見つかりませんでした(最後の試行2023-08-18 10:08:48)。

タイムスタンプ:

より多くの 量子ジャーナル