使用内部和外部误差校正码的魔法态提取制造技术

所公开的示例涉及在量子计算设备上提取魔法态，该魔法态被编码在包括外码的[[n,k,d]]块码中。一个示例提供了一种方法，该方法包括使用数据量子比特制备编码的噪声魔法态，并在数据量子比特上测量克利福德稳定子，从而应用内码。该方法进一步包括初始化输出量子比特，并启动从编码的噪声魔法态导出的提取魔法态向输出量子比特的隐形传送。该方法进一步包括在数据量子比特上测量X稳定子，根据结果进行后选，利用Z稳定子破坏性地测量每个数据量子比特，并对数据量子比特应用一个或多个后选条件，以完成将提取魔法态向输出量子比特的隐形传送。形传送。形传送。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用内部和外部误差校正码的魔法态提取

技术介绍

[0001]量子计算机运用量子态的叠加和纠缠来执行量子计算。量子态提供了可观测的概率分布。量子比特保存关于单个状态的概率分布的信息。量子计算是使用量子比特和在量子比特上逻辑运算的应用来执行的。通用量子计算可以经由高精度的克利福德运算与被称为魔法态的量子态相结合来实现。

技术实现思路

[0002]提供本
技术实现思路
以简化的形式介绍在下文的详细描述中进一步描述的构思的选择。本
技术实现思路
并非旨在标识所要求保护的主题内容的关键特征或必要特征，也并非旨在用于限制所要求保护的主题内容的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决本
技术实现思路
的任何部分中提到的任何或所有缺点的实施。
[0003]所公开的示例涉及在量子计算设备上提取魔法态，该魔法态被编码在包括外码的[[n,k,d]]块码中。一个示例提供了一种方法，该方法包括使用数据量子比特制备编码的噪声魔法态，以及在数据量子比特上测量克利福德稳定子，从而应用内码。该方法进一步包括初始化输出量子比特和启动从编码的噪声魔法态导出的提取魔法态向输出量子比特的隐形传送。该方法进一步包括在数据量子比特上测量X稳定子，基于结果进行后选，利用Z稳定子破坏性地测量每个数据量子比特，并对数据量子比特应用一个或多个后选条件以完成将提取魔法态向输出量子比特的隐形传送。
附图说明
[0004]图1示意性地示出了示例量子计算机。
[0005]图2图示了布洛赫球体，该球体以图形方式表示量子计算机的量子比特的量子态。
[0006]图3示意性地示出了用于将任意状态隐形传送到量子比特以及通过测量注入T态或S态的示例测量序列。
[0007]图4示意性地示出了用于在给定的几何约束条件下将魔法态隐形传送到块码的示例方案。
[0008]图5示意性地示出了[[n,k,d]]块码的示例布局。
[0009]图6示出了用于提取魔法态的示例方法的流程图。
[0010]图7示出了示例计算系统的框图。
具体实施方式
[0011]许多用于量子计算的方案依赖于首先实现一组被称为克利福德运算的高精度的运算。为了实现通用量子计算，有必要实现额外的操作，如T门或CCZ门。不可避免的是，克利福德运算和T门都会有一些误差。大规模的、容错的量子计算机依赖于各种误差校正码。从本质上讲，为了实现容错，误差的校正必须比它们的产生更快。在经由克利福德运算进行通用量子计算的情况下，两种类型的误差校正被执行。误差校正码被用于构建克利福德门，而
且额外的误差校正码被用来产生高精度的T门。
[0012]误差校正在已用冗余编码的量子态上被执行。不是测量单量子比特，而是在跨多个量子比特执行奇偶校验以检测X误差或比特翻转误差或Z误差或相位翻转误差。可以使用稳定子类型的量子误差校正码来执行克利福德操作中的误差的减少，在本文中称为“内码”。为了减少T门中的误差，假设克利福德运算是高度无误差的，可以使用一种称为魔法态提取的方法，该方法也使用误差校正码，在本文中称为“外码”。结合起来，这些误差校正码会给量子计算机带来很大的开销。
[0013]因此，公开了利用最外层码作为全量子误差校正码的魔法态提取的示例。提取码可用于稳定克利福德门，从而减少克利福德门的必要开销。公开了示例提取协议，用于将噪声T态提取成高保真的T态或CCZ魔法态。在一些示例中，该协议是已知抽象误差校正码的定制实现。
[0014]在一些示例中，提取协议是基于测量T态的克利福德(而不是泡利)稳定子的想法(参见，例如，E.Knill，2004，arXiv.quant
‑
ph/0402171v1；E.Knill，2004arXiv:quant
‑
ph/0404104v1，以下简称Knill；P.Aliferis,D.Gottesmann,J.Preskill,Quant.Inf.Comput.6,97
‑
165,2006,arXiv:quant
‑
ph/0504218；以及J.Haah,M.Hastings,D.Poulin,D.Wecker,Quantum 1,31,2017,arXiv:1703.07847v1)。在CCZ提取协议的其他示例中，该协议可以使用三正交编码的一般化(E.T.Campbell和M.Howard，Phys.Rev.A 95，022316，2017，arXiv:1209.2426，以下简称Campbell)(参见，例如，S.Bravyi和J.Haah，“Magic
‑
state distillation with low overhead，”Phys.Rev.A 86，052329，2012，以下简称，Brayvi)。
[0015]在讨论魔法态提取之前，先讨论量子计算机架构的一些方面。图1示出了配置为执行量子逻辑操作的示例量子计算机10的一些方面。量子计算机10包含至少一个包括量子比特14的阵列的量子比特寄存器12。所图示的量子比特寄存器的长度为8个量子比特。可以理解的是，其他示例量子计算机可以包括更长和更短的量子比特寄存器，并且可以包括任何适当长度的两个或更多量子比特寄存器。
[0016]取决于量子计算机10的期望结构，量子比特寄存器12的量子比特14可以采取各种形式。作为示例，每个量子比特可以包括超导约瑟夫森结、俘获离子、耦合到高精细度腔的俘获原子、原子或限制在富勒烯内的分子、限制在主晶格内的离子或中性掺杂原子、表现出离散空间或自旋电子态的量子点、经由静电陷阱夹带的半导体结中的电子空穴、耦合的量子线对、可通过磁共振寻址的原子核、马约拉纳费米子、氦(He)中的自由电子、分子磁体或类金属碳纳米球。通过静电陷阱夹带的半导体结中的电子洞、耦合的量子线对、可通过磁共振寻址的原子核、马约拉纳费米子、氦中的自由电子、分子磁体或类金属碳纳米球。一般来说，每个量子比特14可以包括任何粒子或任何粒子系统，这些粒子或粒子系统可以存在于两个或更多离散的量子态中，这些量子态可以通过实验进行测量和操纵。例如，量子比特可以在对应于通过线性光学元件(如镜子、分束器和移相器)的不同光传播的模式的多个处理状态中实现，也可以在玻色
‑
爱因斯坦凝聚体内积累的状态中实现。量子计算机10可以包括合适的硬件来承载量子比特14。例如，马约拉纳线可以承载马约拉纳费米子。
[0017]量子比特的量子态可以在布洛赫球体200上表示，如图2所描绘。在布洛赫球体表面上的点集包括了量子比特的所有可能的纯态|ψ>，而内部的点对应于所有可能的混合态。
布洛赫球体200的北极和南级分别对应于标准基向量|0>和|1>。例如，这些基向量可以表示电子或其他费米子的上旋状态和下旋状态。混合态是任何可以被描述为纯态混合的状态。混合态可能是退相干引起的，退相干可能是由于与外部自由度的不良耦合而发生的。经由本文所述的量子逻辑门实现的量子操作等效于围绕布洛赫球体的轴的旋转或一系列旋转。例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于在量子计算设备上提取魔法态的方法，所述魔法态被编码在包括外码的[[n,k,d]]块码中，所述方法包括：使用n个数据量子比特制备k个编码的噪声魔法态；在所述n个数据量子比特上测量克利福德稳定子，从而对所述n个数据量子比特应用内部误差校正码；初始化k个输出量子比特；启动从所述k个编码的噪声魔法态导出的k个提取魔法态向所述k个输出量子比特的隐形传送；在所述n个数据量子比特上测量所述X稳定子，并在所有+1的结果上进行后选；利用所述Z稳定子破坏性地测量每个数据量子比特，并对所述n个数据量子比特应用一个或多个后选条件，以完成将所述k个提取魔法态向所述k个输出量子比特的所述隐形传送；以及在量子计算中使用所述k个提取魔法态。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述外码是由[[6,2,2]]表示的二阶正常弱自对偶CSS码，其中n＝6，k＝2，并且d＝2；其中使用n个量子比特制备k个编码的噪声魔法态包括：1)在中初始化6个数据量子比特，并将和放在量子比特阵列的一侧上，2)在所述6个数据量子比特上测量XXXXII和IIXXXX，并在所述6个数据量子比特上应用Z测量以获得包括具有ZIZIZI≈IZIZIZ≈+1的逻辑状态的逻辑量子比特，以及3)经由测量X
t1
X1、X
t2
X2，然后测量Z
t1
、Z
t2
，再对所述逻辑量子比特进行泡利Z校正，将量子比特t1、t2中的状态隐形传送到所述逻辑量子比特中，所述泡利Z校正基于X
t1
X1、X
t2
X2和Z
t1
、Z
t2
的测量，X1和X2是逻辑算子X1＝XIXIXI和X2＝IXIXIX；其中在所述n个数据量子比特上测量克利福德稳定子包括：4)在所述数据量子比特上应用5)在所述数据量子比特上测量两次，并对所有+1的结果进行后选，以及6)在所述数据量子比特上应用其中初始化k个输出量子比特包括：7)在中初始化两个输出量子比特o1、o2；其中启动所述k个编码的魔法态向所述k个输出量子比特的隐形传送包括：8)测量X
o1
X1两次，结果为x1、x
′1；测量X
o2
X2两次，结果为x2、x
′2；对一致的结果x1＝x
′1和x2＝x
′2进行后选，以及如果x1＝
‑
1，应用Z
o1
，以及如果x2＝
‑
1，应用Z
o2
；其中在所述n个数据量子比特上测量所述X稳定子并对所有+1的结果进行后选包括：9)在所述6个数据量子比特上测量XXXXII和IIXXXX，并对所有+1的结果进行后选；其中利用所述Z稳定子破坏性地测量每个数据量子比特并对所述n个数据量子比特应
用一个或多个后选条件以完成将所述k个提取魔法态向所述k个输出量子比特的所述隐形传送包括：10)在所述Z基上破坏性地测量个体数据量子比特，以获得结果z1,
…
z6，并在条件z1z2z3z4＝+1和z3z4z5z6＝+1两者上进行后选，以及如果z1z3z5＝
‑
1，应用X
o1
，以及如果z2z4z6＝
‑
1，应用X
o2
；以及其中所述k个提取魔法态包括2个T态。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述外码是由[[7,1,3]]表示的三阶正常弱自对偶CSS码，其中n＝7，k＝1，并且d＝3；其中使用n个量子比特制备k个编码的噪声魔法态包括：1)在中初始化7个数据量子比特，并将放在量子比特阵列的一侧上，2)在所述7个数据量子比特上测量三个X稳定子XIXIXIX、IXXIIXX和IIIXXXX，并在所述6个数据量子比特上应用Z测量，以获得包括具有ZZZZZZZ≈+1的逻辑状态的逻辑量子比特，以及3)经由测量X
t
X以及然后测量Z
t
，隐形传送到所述码中，测量X是逻辑算子进一步包括：4)测量所述3个X稳定子并对所有+1的结果进行后选；其中在所述n个数据量子比特上测量克里夫德稳定子包括：5)在所述数据量子比特上应用6)在所述数据量子比特上测量两次，并对所有+1的结果进行后选，以及7)在所述数据量子比特上应用其中初始化k个输出量子比特包括：8)在所述状态|0>
o
中初始化输出量子比特；其中启动所述k个编码的魔法态向所述k个输出量子比特的隐形传送包括：9)在所述输出量子比特上测量所述码乘以X算子的3个等效X逻辑算子X
o
(IXIXIXI)、X
o
(XIIXXII)、X
o
(XXXIIII)，结果为x1,x2,x3＝
±
1，在一致的结果x＝x1＝x2＝x3上进行后选，以及如果x＝
‑
1，则应用Z
o
；其中在所述n个数据量子比特上测量所述X稳定子并对所有+1的结果进行后选包括：10)测量所述3个X稳定子并对所有+1的结果进行后选；以及其中利用所述Z稳定子破坏性地测量每个数据量子比特并对所述n个数据量子比特应用一个或多个后选条件以完成所述K个提取魔法态向所述K个输出量子比特的所述隐形传送包括：11)破坏性地测量所述Z基中的所有数据量子比特以获得结果z1，...z7，并在3个条件z1z3z5z7＝+1、z2z3z6z7＝+1和z4z5z6z7＝+1上进行后选，如果z1z3z5＝
‑
1，应用X
o
，以及其中所述k个提取魔法态包括1个T态。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述外码是由[[...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：微软技术许可有限责任公司，
类型：发明
国别省市：