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JP4176728B2 - Quantum circuit, quantum error correction apparatus, and quantum error correction method - Google Patents
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Quantum circuit, quantum error correction apparatus, and quantum error correction method Download PDF

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入力される量子状態に対してユニタリ作用素を施して状態遷移を起こし、その出力結果の量子状態を得る量子コンピュータにおいて、送信語情報である量子状態をスタビライザ符号によって符号化した符号キュービット群を、前記送信語情報を表すキュービットと複数の基底の重ね合わせ状態にあるキュービットとのテンソル積で表される状態に変換する量子回路、この量子回路を備え、量子状態を符号化した符号語の誤り訂正を行って復号化して元の量子状態に回復する量子誤り訂正装置、および量子誤り訂正方法に関する。   In a quantum computer that applies a unitary operator to an input quantum state to cause a state transition and obtains a quantum state as an output result thereof, a code qubit group in which a quantum state that is transmission word information is encoded by a stabilizer code, Quantum circuit for converting to a state represented by a tensor product of a qubit representing the transmitted word information and a qubit in a superposition state of a plurality of bases. The present invention relates to a quantum error correction apparatus and a quantum error correction method that perform error correction and decode to recover the original quantum state.

入力される量子状態にユニタリ作用素を施して状態を遷移させ、その結果として出力データを得る量子コンピュータや量子暗号においては、量子状態の操作が必要となってくる。一般に、操作したい量子状態(操作系)は意図的には操作できない量子状態(環境系)と結合しており、操作系は環境系から影響を受け乱れを生じる。非特許文献3に示されているように、任意のユニタリ作用素は幾つかの基本的な量子ゲートの組み合わせ(ユニバーサル集合)として構成できることがわかっている。   In a quantum computer or quantum cryptography that applies a unitary operator to an input quantum state to change the state and obtain output data as a result, manipulation of the quantum state is required. In general, a quantum state (operation system) to be operated is coupled with a quantum state (environment system) that cannot be intentionally operated, and the operation system is affected by the environment system and causes disturbance. As shown in Non-Patent Document 3, it is known that an arbitrary unitary operator can be configured as a combination (universal set) of some basic quantum gates.

量子状態を安定的に操作するための手法として量子誤り訂正技術がある。一般に、量子誤り訂正は以下のように行われる。まず、量子状態を符号化する。符号化した量子状態は時間の経過とともに誤りの影響を受ける。誤りの影響を受けた後の量子状態に対して、もし誤りが起きたら量子状態にどのような誤りが起きたかがわかるある関係式を施した出力であるシンドロームから誤りを推定し誤り訂正を行う。誤りが訂正可能な範囲内のものである場合には、訂正後の状態は符号化された量子状態となり、符号化された状態を復号回路に通過させて符号化前の量子状態に回復する。このような量子誤り訂正符号としては、非特許文献1に記述されているスタビライザ符号が用いられる。スタビライザ符号の符号語は、誤り群の可換部分群の固有空間の要素である。誤り群とはパウリ作用素のテンソル積によって構成される作用素で同じ次元を持つものの集合がなす群である。   There is a quantum error correction technique as a technique for stably manipulating the quantum state. In general, quantum error correction is performed as follows. First, the quantum state is encoded. The encoded quantum state is affected by errors over time. For the quantum state after the influence of the error, if an error occurs, the error is estimated from a syndrome which is an output obtained by applying a certain relational expression to know what kind of error has occurred in the quantum state, and error correction is performed. If the error is within a correctable range, the corrected state becomes an encoded quantum state, and the encoded state is passed through a decoding circuit to recover the quantum state before encoding. As such a quantum error correction code, a stabilizer code described in Non-Patent Document 1 is used. The codeword of the stabilizer code is an eigenspace element of the commutative subgroup of the error group. An error group is a group formed by a set of operators having the same dimensions, which are constituted by tensor products of Pauli operators.

具体的には、まず、量子状態の送信語が符号化された符号語には例え誤りが発生してもその誤りが一定の訂正可能な範囲内にあるならば誤りを訂正することができ、もとの符号語を回復することができ、この場合誤り訂正が終了後の符号語は復号されて送信語に戻る。ここで、量子誤り訂正においては、復号が完了した状態とは送信語が格納されているキュービットが他のキュービットとエンタングルメント解消されている状態を表す。   Specifically, first, even if an error occurs in the code word in which the transmission word in the quantum state is encoded, the error can be corrected if the error is within a certain correctable range, The original codeword can be recovered. In this case, the codeword after error correction is decoded and returned to the transmission word. Here, in the quantum error correction, the state in which decoding is completed represents a state in which the qubit in which the transmission word is stored is entangled with other qubits.

ところで、量子状態を長い間放置することは量子状態に発生するノイズを増加させる原因となる。このため、量子状態に対する操作に要する時間はできるだけ短いことが好ましい。符号化された量子状態に対して量子誤り訂正を行って符号化前の量子状態に戻す場合にも、できるだけ量子状態に対する操作に要する時間は短いことが好ましい。   By the way, leaving the quantum state for a long time increases the noise generated in the quantum state. For this reason, it is preferable that the time required for the operation on the quantum state is as short as possible. Even when quantum error correction is performed on the encoded quantum state to return to the quantum state before encoding, it is preferable that the time required for the operation on the quantum state is as short as possible.

このような量子誤り訂正の効率を向上させるための技術として、例えば非特許文献1の技術が上げられる。非特許文献1の技術では、5キュービット符号に対する効率の良い復号法として、符号化された量子状態である5キュービットの符号語に補助的なキュービットであるアンシラを付加する。そして、復号開始時点における符号語のキュービット(以下、「符号キュービット群」という。)の各入力とアンシラからの入力とを制御NOTゲートに通過させて、その出力をアンシラに出力する。制御NOTゲートを作用させることによって、エンタングルメント解消を行い、送信語を表す量子状態と重ね合わせ状態とのテンソル積とする。   As a technique for improving the efficiency of such quantum error correction, for example, the technique of Non-Patent Document 1 is raised. In the technique of Non-Patent Document 1, as an efficient decoding method for a 5-qubit code, an ancillary that is an auxiliary qubit is added to a codeword of 5 qubits that is an encoded quantum state. Then, each input of the qubits of the codeword (hereinafter referred to as “code qubit group”) at the start of decoding and the input from the ancilla are passed through the control NOT gate, and the output is output to the ancilla. Entanglement elimination is performed by applying a control NOT gate, and a tensor product of a quantum state representing a transmitted word and a superposition state is obtained.

D.Gottesman. D.Gottesman's thesis . http : //arxiv:org/archive/quant-ph/9705052, 1997.D.Gottesman. D.Gottesman's thesis .http: // arxiv: org / archive / quant-ph / 9705052, 1997. A.Calderbank et.al. Quantum error correction and orthogonal geometry. http : //arxiv:org/archive/quant-ph/9605005, 1996.A. Calderbank et.al.Quantum error correction and orthogonal geometry.http: // arxiv: org / archive / quant-ph / 9605005, 1996. A.Barenco et.al. Phys.Rev.A,52,pp.3457, 1995.A. Barenco et.al. Phys. Rev. A, 52, pp. 3457, 1995.

しかしながら、この非特許文献1の技術では、量子誤り訂正を行う量子回路において、符号語のキュービットの他にアンシラのキュービットを設けてアンシラに基底判別情報を出力する量子回路となっているため、ゲート数が増大し、量子回路規模が過大となるという問題がある。   However, in the technique of Non-Patent Document 1, in the quantum circuit that performs quantum error correction, an ancillary qubit is provided in addition to the qubit of the code word and the base discrimination information is output to the ancillary. There is a problem that the number of gates increases and the quantum circuit scale becomes excessive.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、復号に使用するゲート数を減少させて量子回路の規模を小さくするとともに、量子誤り訂正の効率を向上させることができる量子回路、量子誤り訂正装置および量子誤り訂正方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and it is possible to reduce the number of gates used for decoding to reduce the size of the quantum circuit, and to improve the efficiency of quantum error correction and quantum error. An object of the present invention is to provide a correction device and a quantum error correction method.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、2つの基底の線形結合で表現される2次元ヒルベルト空間の要素である量子状態としての送信語情報を、スタビライザ符号方式によって符号化した符号語情報を表現するキュービットの集合である符号キュービット群であって、前記送信語情報を表現する2次元ヒルベルト空間の第1の基底を符号化した量子状態である第1の符号量子状態と、前記送信語情報の第2の基底を符号化した量子状態であって前記第1の符号量子状態において全てのキュービットについて前記第1の基底を前記第2の基底に反転するとともに前記第2の基底を前記第1の基底に反転するNOTゲートにより反転させた全キュービット反転の関係にある第2の符号量子状態との線形結合で表現され、前記第2の符号量子状態に含まれる各基底は前記第1の符号量子状態に含まれる基底のいずれか1つと前記全キュービット反転の関係にあり、全キュービット反転に関して対称な一対の基底をなす性質を有する符号語情報を、前記送信語情報を表現するキュービットと複数の基底の重ね合わせ状態として表現されるキュービットとのテンソル積で表される状態に変換する復号化処理を行う量子回路であって、前記符号キュービット群に対して複数の制御NOTゲートを作用させて量子演算を行い、前記符号キュービット群の基底が前記第1の符号量子状態に含まれる基底であるか前記第2の量子状態に含まれる基底であるかを判別する情報である基底判別情報を各基底に含まれる1の数に基づいて求め、前記符号キュービット群の中の一部である特定のキュービットに出力する基底判別手段と、前記特定のキュービットを制御キュービットとした制御NOTゲートを作用させて、前記送信語情報を表現するキュービットと前記送信語情報を含むキュービット以外のキュービットとのエンタングルメントを解消するエンタングルメント解消手段と、を備えたことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention encodes transmission word information as a quantum state, which is an element of a two-dimensional Hilbert space expressed by a linear combination of two bases, using a stabilizer coding scheme. A code qubit group that is a set of qubits representing the coded codeword information, and is a first code that is a quantum state in which the first base of the two-dimensional Hilbert space representing the transmission word information is coded A quantum state in which a quantum state and a second base of the transmission word information are encoded, and the first base is inverted to the second base for all qubits in the first code quantum state; The second base is expressed by a linear combination with a second code quantum state in a relationship of all qubits inverted by a NOT gate that inverts the first base to the first base, and Each of the bases included in the code quantum state is in a relationship of any one of the bases included in the first code quantum state with the all qubit inversion, and has a property of forming a pair of bases symmetrical with respect to all the qubit inversions. This is a quantum circuit that performs a decoding process for converting codeword information that has codeword information into a state represented by a tensor product of a qubit representing the transmission word information and a qubit represented as a superposition state of a plurality of bases. A plurality of control NOT gates acting on the code qubit group to perform a quantum operation, and whether the base of the code qubit group is a base included in the first code quantum state or the second Based on the number of 1 included in each base, base discrimination information that is information for determining whether the base is included in the quantum state is obtained, and is a part of the code qubit group. The base discriminating means for outputting to the qubits of the control and a control NOT gate using the specific qubit as the control qubit are acted on, so that the qubit expressing the transmission word information and the qubit other than the qubit including the transmission word information And an entanglement canceling means for canceling entanglement with the qubit.

また、本発明は、2つの基底の線形結合で表現される2次元ヒルベルト空間の要素である量子状態としての送信語情報を、スタビライザ符号方式によって符号化した符号語情報を表現するキュービットの集合である符号キュービット群であって、前記送信語情報を表現する2次元ヒルベルト空間の第1の基底を符号化した量子状態である第1の符号量子状態と、前記送信語情報の第2の基底を符号化した量子状態であって前記第1の符号量子状態において全てのキュービットについて前記第1の基底を前記第2の基底に反転するとともに前記第2の基底を前記第1の基底に反転するNOTゲートにより反転させた全キュービット反転の関係にある第2の符号量子状態との線形結合で示され、前記第2の符号量子状態に含まれる各基底は前記第1の符号量子状態に含まれる基底のいずれか1つと前記全キュービット反転の関係にあり、全キュービット反転に関して対称な一対の基底をなす性質を有する符号語情報を、前記送信語情報を表現するキュービットと複数の基底の重ね合わせ状態として表現されるキュービットとのテンソル積で表される状態に変換する復号化処理を行う量子回路を備えた量子誤り訂正装置であって、前記量子回路は、前記符号キュービット群に対して複数の制御NOTゲートを作用させて量子演算を行い、前記符号キュービット群の基底が前記第1の符号量子状態に含まれる基底であるか前記第2の量子状態に含まれる基底であるかを判別する情報である基底判別情報を各基底に含まれる1の数に基づいて求め、前記符号キュービット群の中の一部である特定のキュービットに出力する基底判別手段と、前記特定のキュービットを制御キュービットとした制御NOTゲートを作用させて、前記送信語情報を表現するキュービットと前記送信語情報を含むキュービット以外のキュービットとのエンタングルメントを解消するエンタングルメント解消手段と、を備えたことを特徴とする。   Further, the present invention provides a set of qubits that express codeword information obtained by encoding transmission word information as a quantum state, which is an element of a two-dimensional Hilbert space expressed by a linear combination of two bases, using a stabilizer coding scheme. A first code quantum state that is a quantum state obtained by encoding a first basis of a two-dimensional Hilbert space representing the transmission word information, and a second qubit group of the transmission word information A quantum state in which a base is encoded, wherein the first base is inverted to the second base for all qubits in the first code quantum state, and the second base is changed to the first base. Each of the bases included in the second code quantum state is represented by a linear combination with the second code quantum state in the relationship of all qubit inversions inverted by the NOT gate to be inverted. Code word information having a property of forming a pair of bases that are in a relation of all the qubit inversions to any one of the bases included in the code quantum state of the symmetric bit lines, and represents the transmission word information A quantum error correction apparatus including a quantum circuit that performs a decoding process for converting to a state represented by a tensor product of a qubit and a qubit expressed as a superposition state of a plurality of bases, wherein the quantum circuit includes: A plurality of control NOT gates acting on the code qubit group to perform a quantum operation, and whether the basis of the code qubit group is a basis included in the first code quantum state or the second quantum Base discrimination information, which is information for discriminating whether a base is included in a state, is obtained based on the number of 1s included in each base, and is a feature that is part of the code qubit group. The base discriminating means for outputting to the qubits of the control and a control NOT gate using the specific qubit as the control qubit are acted on, so that the qubit expressing the transmission word information and the qubit other than the qubit including the transmission word information And an entanglement canceling means for canceling entanglement with the qubit.

また、本発明は、2つの基底の線形結合で表現される2次元ヒルベルト空間の要素である量子状態としての送信語情報を、スタビライザ符号方式によって符号化した符号語情報を表現するキュービットの集合である符号キュービット群であって、前記送信語情報を表現する2次元ヒルベルト空間の第1の基底を符号化した量子状態である第1の符号量子状態と、前記送信語情報の第2の基底を符号化した量子状態であって前記第1の符号量子状態において全てのキュービットについて前記第1の基底を前記第2の基底に反転するとともに前記第2の基底を前記第1の基底に反転するNOTゲートにより反転させた全キュービット反転の関係にある第2の符号量子状態との線形結合で示され、前記第2の符号量子状態に含まれる各基底は前記第1の符号量子状態に含まれる基底のいずれか1つと前記全キュービット反転の関係にあり、全キュービット反転に関して対称な一対の基底をなす性質を有する符号語情報を、前記送信語情報を表現するキュービットと複数の基底の重ね合わせ状態として表現されるキュービットとのテンソル積で表される状態に変換する復号化処理を行う量子符号化方法であって、前記符号キュービット群に対して複数の制御NOTゲートを作用させて量子演算を行い、前記符号キュービット群の基底が前記第1の符号量子状態に含まれる基底であるか前記第2の量子状態に含まれる基底であるかを判別する情報である基底判別情報を各基底に含まれる1の数に基づいて求め、前記符号キュービット群の中の一部である特定のキュービットに出力する基底判別ステップと、前記特定のキュービットを制御キュービットとした制御NOTゲートを作用させて、前記送信語情報を表現するキュービットと前記送信語情報を含むキュービット以外のキュービットとのエンタングルメントを解消するエンタングルメント解消ステップと、を含むことを特徴とする。   Further, the present invention provides a set of qubits that express codeword information obtained by encoding transmission word information as a quantum state, which is an element of a two-dimensional Hilbert space expressed by a linear combination of two bases, using a stabilizer coding scheme. A first code quantum state that is a quantum state obtained by encoding a first basis of a two-dimensional Hilbert space representing the transmission word information, and a second qubit group of the transmission word information A quantum state in which a base is encoded, wherein the first base is inverted to the second base for all qubits in the first code quantum state, and the second base is changed to the first base. Each of the bases included in the second code quantum state is represented by a linear combination with the second code quantum state in the relationship of all qubit inversions inverted by the NOT gate to be inverted. Code word information having a property of forming a pair of bases that are in a relation of all the qubit inversions to any one of the bases included in the code quantum state of the symmetric bit lines, and represents the transmission word information A quantum encoding method for performing a decoding process for converting to a state represented by a tensor product of a qubit and a qubit expressed as a superposition state of a plurality of bases, wherein a plurality of code qubit groups The control NOT gate is operated to perform a quantum operation to determine whether the base of the code qubit group is a base included in the first code quantum state or a base included in the second quantum state. Basis discrimination information, which is information to be obtained, is obtained based on the number of 1 included in each basis, and is output to a specific qubit that is part of the code qubit group The untanglement between the qubit expressing the transmission word information and the qubits other than the qubit including the transmission word information is canceled by operating the control NOT gate using the specific qubit as the control qubit. An entanglement elimination step.

本発明によれば、符号キュービット群に対して複数の制御NOTゲートを作用させて量子演算を行い、符号キュービット群の基底が第1の符号量子状態に含まれる基底であるか第2の量子状態に含まれる基底であるかを判別する情報である基底判別情報を各基底に含まれる1の数に基づいて求め、符号キュービット群の中の一部である特定のキュービットに出力し、特定のキュービットを制御キュービットとした制御NOTゲートを作用させて、送信語情報を表現するキュービットと送信語情報を含むキュービット以外のキュービットとのエンタングルメントを解消しているので、符号語のキュービットのみで他にアンシラのキュービットを必要とせずに基底判別とエンタングルメント解消を実現することができ、復号化に使用するゲート数を減少させて量子回路の規模の小規模化を図ることができる。また、本発明によれば、符号語情報のキュービットの情報に対し、基底判別情報が出力された特定のキュービットを制御キュービットとした制御NOTゲートを作用させて、送信語情報を含むキュービットと送信語情報を含むキュービット以外のキュービットとのエンタングルメントを解消しているので、符号キュービット群にユニタリ作用素の逆作用素を作用させる処理を行わなくても、符号語情報を送信語情報に復号化することができ、量子誤り訂正の効率を向上させることができるという効果を奏する。   According to the present invention, a quantum operation is performed by causing a plurality of control NOT gates to act on the code qubit group, and whether the basis of the code qubit group is a basis included in the first code quantum state or the second Based on the number of 1s included in each base, base discrimination information that is information for determining whether the base is included in the quantum state is obtained and output to a specific qubit that is part of the code qubit group. Since the control NOT gate using the specific qubit as the control qubit is operated, the entanglement between the qubit expressing the transmission word information and the qubit other than the qubit including the transmission word information is eliminated. The base discrimination and entanglement resolution can be realized with only codeword qubits and no ancillary qubits required, and the number of gates used for decoding It reduced it is possible to scale the scale of the quantum circuit. In addition, according to the present invention, a control NOT gate using a specific qubit in which the base discrimination information is output as a control qubit is applied to the qubit information of the codeword information, so that the queuing including the transmission word information is performed. Since the entanglement between the bit and the qubit other than the qubit including the transmission word information is eliminated, the code word information can be transmitted without the processing of applying the inverse operator of the unitary operator to the code qubit group. The information can be decoded, and the efficiency of quantum error correction can be improved.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる量子回路、量子誤り訂正装置および量子誤り訂正方法の最良な実施の形態を詳細に説明する。   Exemplary embodiments of a quantum circuit, a quantum error correction apparatus, and a quantum error correction method according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings.

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1にかかる量子誤り訂正装置100の機能的構成を示すブロック図である。本実施の形態にかかる量子誤り訂正装置100は、図1に示すように、誤り訂正回路110と復号回路120とを備えている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram of a functional configuration of the quantum error correction apparatus 100 according to the first embodiment. The quantum error correction apparatus 100 according to the present embodiment includes an error correction circuit 110 and a decoding circuit 120 as shown in FIG.

誤り訂正回路110は、複数の基底の線形結合で示される量子状態を表す送信語情報をユニタリ演算によって量子誤り訂正符号に符号化した符号語データを入力し、シンドローム測定によって、この符号語データに生じた誤りのタイプ、すなわち誤りシンドロームを診断し、訂正可能な範囲内である場合に誤り訂正を行う回路である。   The error correction circuit 110 inputs codeword data obtained by encoding transmission word information representing a quantum state indicated by a linear combination of a plurality of bases into a quantum error correction code by a unitary operation, and adds the codeword data to the codeword data by syndrome measurement. This is a circuit that diagnoses the type of error that has occurred, that is, error syndrome, and corrects the error when it is within a correctable range.

復号回路120は、誤り訂正がなされた符号語データの量子状態に対して復号化処理を施して、元の送信語情報の量子状態に戻す回路である。ここで、量子状態とは、ヒルベルト空間の要素のことであり、特に2次元ヒルベルト空間の要素をキュービットという。nキュービット(n:正の整数)は、量子状態、すなわち2次元ヒルベルト空間n個がテンソル積によって結合したものであり、2のn乗次元のヒルベルト空間として表される。   The decoding circuit 120 is a circuit that performs a decoding process on the quantum state of the codeword data that has been subjected to error correction, and returns the quantum state of the original transmission word information. Here, the quantum state is an element of the Hilbert space, and in particular, an element of the two-dimensional Hilbert space is called a qubit. The n qubit (n: a positive integer) is a quantum state, that is, n two-dimensional Hilbert spaces connected by a tensor product, and is expressed as a 2 n-dimensional Hilbert space.

本実施の形態で用いる量子回路はユニタリ作用素である。任意のユニタリ作用素は幾つかの基本的な量子ゲートの組み合わせ(ユニバーサル集合)として構成できることが分かっている。ユニバーサル集合の一例としては1キュービットの任意の回転ゲートと2キュービットの条件付回転ゲートの組み合わせがある。本実施の形態では、送信語情報は1キュービット、符号語データは5キュービットで構成され、送信語情報および符号語データのいずれも2つの基底の線形結合で表現される2元量子状態である。そして、送信語情報|ψ>は(1)式、符号語データ|Ψ>は(2)式で示される。ここで本発明における第1の量子状態が(1)式における|0>に相当し、本発明における第2の量子状態が(1)式における|1>に相当する。   The quantum circuit used in this embodiment is a unitary operator. It has been found that any unitary operator can be constructed as a combination (universal set) of some basic quantum gates. An example of a universal set is a combination of an arbitrary rotation gate of 1 qubit and a conditional rotation gate of 2 qubits. In the present embodiment, transmission word information is composed of 1 qubit, codeword data is composed of 5 qubits, and both transmission word information and codeword data are binary quantum states expressed by two linear combinations. is there. Transmission word information | ψ> is expressed by equation (1), and codeword data | ψ> is expressed by equation (2). Here, the first quantum state in the present invention corresponds to | 0> in the equation (1), and the second quantum state in the present invention corresponds to | 1> in the equation (1).

Figure 0004176728
Figure 0004176728

(1)式、(2)式において、状態|0>、|1>は、いずれも送信語|ψ>の基底であり、|0>=(1,0)、状態|1>=(0,1)のヒルベルト空間の要素で表される。また、状態|Ψ0>は、基底|0>を符号化したものであり、|Ψ1>は、送信語情報の基底|1>を符号化したものである。ここで、|Ψ0>は本発明における第1の符号量子状態に相当し、|Ψ1>は本発明における第2の符号量子状態に相当する。 In equations (1) and (2), states | 0> and | 1> are both bases of transmission word | ψ>, and | 0> = (1, 0), state | 1> = (0 , 1) is represented by an element of Hilbert space. The state | ψ 0 > is obtained by encoding the basis | 0>, and | ψ 1 > is obtained by encoding the basis | 1> of the transmission word information. Here, | Ψ 0 > corresponds to the first code quantum state in the present invention, and | Ψ 1 > corresponds to the second code quantum state in the present invention.

符号語データ|Ψ>は、さらに(3)式で表され、その|Ψ0>、|Ψ1>はそれぞれ基底を用いて(4)、(5)式で表される。従って、(1)式で示される送信語情報|ψ>は、(4)、(5)式を用いると、(6)式で表現される符号語データ|Ψ>に符号化されることになる。 The code word data | Ψ> is further expressed by the following expression (3), and | Ψ 0 > and | Ψ 1 > are expressed by the expressions (4) and (5) using the basis, respectively. Therefore, the transmission word information | ψ> represented by the expression (1) is encoded into the code word data | Ψ> represented by the expression (6) when the expressions (4) and (5) are used. Become.

Figure 0004176728
Figure 0004176728

Figure 0004176728
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ここで、(4)、(5)式では、|Ψ0>の各基底では「1」の数が偶数個であり、|Ψ1>の各基底では「1」の数が奇数個となっている。また、|Ψ0>の各基底と
|Ψ1>基底のうち対応する位置にある基底とは互いに反転関係にある。すなわち、|Ψ0>の一つの基底|10010>についてみると、「1」の数は2個と偶数個である。また、|Ψ0>の基底|10010>に対応する|Ψ1>の基底|01101>では、「1」の数は3個と奇数個であり、ちょうど|Ψ0>の|10010>を反転した関係となっている。
Here, in the expressions (4) and (5), the number of “1” is an even number in each basis of | Ψ 0 >, and the number of “1” is an odd number in each basis of | Ψ 1 >. ing. Also, each base of | Ψ 0 > and a base at a corresponding position among | Ψ 1 > bases are in an inverted relationship with each other. That is, when one base | 10010> of | Ψ 0 > is seen, the number of “1” s is two and an even number. Also, in the base | 01101> of | Ψ 1 > corresponding to the base | 10010> of | Ψ 0 >, the number of “1” s is three and odd, and | 10010> of | Ψ 0 > is just inverted. It has become a relationship.

復号回路120は、本発明における量子回路に相当し、図1に示すように、基底判別回路121とエンタングルメント解消回路122とを備えている。   The decoding circuit 120 corresponds to the quantum circuit in the present invention, and includes a base discriminating circuit 121 and an entanglement eliminating circuit 122 as shown in FIG.

基底判別回路121は、複数の量子ゲートからなり、符号キュービット群を入力して各基底に含まれる「1」の数量によって基底の種別を判別して符号キュービット群の特定のキュービットに出力する量子回路である。   The base discriminating circuit 121 is composed of a plurality of quantum gates, inputs a code qubit group, discriminates the type of base based on the quantity of “1” included in each base, and outputs it to a specific qubit of the code qubit group It is a quantum circuit.

エンタングルメント解消回路122は、複数の量子ゲートからなり、基底判別回路121は前記符号キュービット群を入力して各キュービットに含まれる「1」の数量によって基底の種別を判別して前記符号キュービット群の特定のキュービットに出力する量子回路である。   The entanglement elimination circuit 122 is composed of a plurality of quantum gates, and the base discriminating circuit 121 receives the code qubit group, discriminates the base type based on the quantity of “1” included in each qubit, and the code queue. A quantum circuit that outputs a specific qubit of a bit group.

ここで、エンタングルメント解消について説明する。|φ0>をmキュービット、|Φ>をnキュービット、|φ1>をn−mキュービットとしたときに、|Φ>が(7)式のように|φ0>と|φ1>のテンソル積で表現できる場合、|Φ>の最初のmキュービットは他のn−mキュービットと分離できているといい、|Φ>が(7)式のように分離して表現できない場合に、|Φ>の最初のmキュービットは他のn−mキュービットともつれあっている(エンタングルメントである)という。 Here, entanglement cancellation will be described. When | φ 0 > is m qubit, | Φ> is n qubit, and | φ 1 > is nm qubit, | Φ> is | φ 0 > and | φ If it can be expressed by a tensor product of 1 >, it can be said that the first m qubit of | Φ> can be separated from other nm qubits, and | Φ> can be expressed separately as in equation (7). If this is not possible, the first m qubit of | Φ> is said to be entangled with other nm qubits (entanglement).

Figure 0004176728
Figure 0004176728

2キュービットの場合を例にあげて説明すると、(8)式で示される量子状態は、(9)式のように、第1番目のキュービットと第2番目のキュービットとのテンソル積として表現できるので、第1番目のキュービットと第2番目のキュービットは分離しているという。   Taking the case of 2 qubits as an example, the quantum state represented by equation (8) is expressed as the tensor product of the first qubit and the second qubit, as in equation (9). Since it can be expressed, it is said that the first qubit and the second qubit are separated.

Figure 0004176728
Figure 0004176728

一方、(10)式で示される量子状態は、(11)式のように変形できるが、(9)式のように、第1番目のキュービットと第2番目のキュービットとのテンソル積として表現することができないので、第1番目のキュービットと第2番目のキュービットはもつれあっている、すなわちエンタングルメントしているという。   On the other hand, the quantum state represented by equation (10) can be transformed as in equation (11), but as a tensor product of the first qubit and the second qubit as in equation (9). Since it cannot be expressed, it is said that the first qubit and the second qubit are entangled, that is, entangled.

Figure 0004176728
Figure 0004176728

量子状態が(12)式で表現されるようになるときから1〜(k−1)番目(k:2以上の整数)のキュービットに関して全キュービット反転に関して対称な一対の基底内では、エンタングルメントが解消されているという。   In a pair of bases symmetric with respect to all qubit inversions with respect to the 1st to (k-1) th qubits (k: an integer of 2 or more) from when the quantum state is expressed by the expression (12), entanglement Mentor has been resolved.

Figure 0004176728
Figure 0004176728

このとき、(12)式から第1〜(k−1)番目のキュービットに関して全キュービット反転に関して対称な一対の基底内でエンタングルメントが解消されているならば、(13)式のように変形することができる。つまり、|Ψ0>、|Ψ1>において添え字jが共通する基底のペアについてのみ考えると第1〜(k−1)番目のキュービットとその他のキュービットとのテンソル積として記述することができる。 At this time, if the entanglement is canceled in a pair of bases symmetrical with respect to all qubit inversions with respect to the first to (k−1) th qubits from the equation (12), as in the equation (13) It can be deformed. That is, considering only the pair of bases having the common subscript j in | Ψ 0 > and | Ψ 1 >, it is described as a tensor product of the first to (k−1) th qubits and other qubits. Can do.

Figure 0004176728
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すなわち、エンタングルメント解消とは、このような(10)式のようなもつれあっている量子状態を、(9)式のような分離できる形式に変換することをいい、本明細書の範囲の符号に用いるエンタングルメント解消回路は、上述した符号語データ|Ψ>の|Ψ0>、|Ψ1>の各基底の反転関係を利用して、基底判別回路121により出力された符号語データを分離できる形式に変換して、エンタングルメント解消を行っている。 In other words, entanglement elimination refers to conversion of an entangled quantum state such as equation (10) into a separable form such as equation (9). The entanglement elimination circuit used in the above process separates the code word data output from the base discriminating circuit 121 by using the inversion relationship of the bases of the above-described code word data | Ψ> | Ψ 0 > and | Ψ 1 >. Converting to a format that can be done, entanglement elimination.

図2は、送信語情報の符号化から本実施の形態にかかる量子誤り訂正装置による符号語データの復号化までの一連の流れを示す説明図である。(1)式で表現される1キュービットの送信語情報はその符号化が施されて、(2)式で表現される5キュービットの符号語データが生成される。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing a series of flow from encoding of transmission word information to decoding of code word data by the quantum error correction apparatus according to the present embodiment. The transmission word information of 1 qubit expressed by equation (1) is encoded, and codeword data of 5 qubit expressed by equation (2) is generated.

この5キュービットの符号語データは、時間が経過すると雑音の影響を受け誤りが発生する。この誤りが発生した5キュービットの符号語データを本実施の形態の量子誤り訂正装置100に入力して、誤り訂正回路110によって誤り訂正を行い、誤り訂正を行った符号語データを復号回路120によって復号化してもとの1キュービットの送信語情報に戻している。   This 5-qubit codeword data is affected by noise and an error occurs over time. The code word data of 5 qubits in which this error has occurred is input to the quantum error correction apparatus 100 of the present embodiment, error correction is performed by the error correction circuit 110, and the code word data subjected to error correction is decoded by the decoding circuit 120. Is restored to the original transmission word information of 1 qubit.

本実施の形態の量子誤り訂正装置100では、復号回路120基底判別回路121によって、5キュービットの符号語データのキュービットの中で特定のキュービットを目標キュービット、他の4キュービットを制御キュービットとしてトフォリゲートの種類に分類される制御NOTの量子ゲートを通過させ(作用させ)、符号語を構成する各基底を判別して、その判別結果である基底判別情報(|Ψ0>の基底であるか、|Ψ1>の基底であるかを示す|0>または|1>)を上記特定のキュービットに出力する。そして、この基底判別情報が出力された特定のキュービットを制御キュービットとし、特定キュービット以外の4キュービットを目標キュービットとして制御NOTゲートを施して、特定キュービットに式(1)で表される送信語情報を出力し、他の4キュービットにこの送信語情報とのエンタングルメントが解消されている重ね合わせ状態を出力する。これによって、符号語データに対しユニタリ作用素の逆作用素を作用させることなく、かつアンシラなどの余分なキュービットを不要として量子ゲート数を削減しつつ、復号化して送信語情報に回復させることができる。 In the quantum error correction apparatus 100 of the present embodiment, the decoding circuit 120 base discrimination circuit 121 controls a specific qubit among the qubits of codeword data of 5 qubits and the other 4 qubits. Passing through (acting) a quantum gate of a control NOT classified as a torigate type as a qubit, discriminating each base constituting a code word, and base discriminating information (| Ψ 0 > | 0> or | 1>) indicating whether it is the basis of | Ψ 1 > or not is output to the specific qubit. Then, the specific qubit in which the base discrimination information is output is set as a control qubit, and the control CUt gate is set with 4 qubits other than the specific qubit as target qubits, and the specific qubit is expressed by Expression (1). The transmitted word information is output, and the superposition state in which the entanglement with the transmitted word information is eliminated in the other four qubits is output. As a result, it is possible to recover the transmitted word information by decoding the codeword data without causing the inverse operator of the unitary operator to act on the codeword data and eliminating the need for an extra qubit such as an ancillary and reducing the number of quantum gates. .

次に、本実施の形態にかかる復号回路120の詳細について説明する。図3は、実施の形態1にかかる復号回路120の回路構成図である。   Next, details of the decoding circuit 120 according to the present embodiment will be described. FIG. 3 is a circuit configuration diagram of the decoding circuit 120 according to the first embodiment.

基底判別回路121には、4個の制御NOTゲートが設けられている。基底判別回路121には、(1)式で表される5キュービットの符号語データの各キュービットの値が入力される。第5番目のキュービットは特定のキュービットであり、制御キュービットとして、第1〜4番目の各キュービットは目標キュービットとして、第1〜4番目の各キュービットの入力と第5番目のキュービットの入力が制御NOTゲートにより演算され、その出力が特定のキュービットである第5番目のキュービットに出力されるようになっている。   The base discriminating circuit 121 is provided with four control NOT gates. The base discriminating circuit 121 receives the value of each qubit of code word data of 5 qubits expressed by the equation (1). The fifth qubit is a specific qubit, the control qubit, each of the first to fourth qubits as the target qubit, the input of each of the first to fourth qubits and the fifth qubit The input of the qubit is calculated by the control NOT gate, and its output is output to the fifth qubit which is a specific qubit.

また、エンタングルメント解消回路122には、4個の制御NOTゲートが設けられており、特定のキュービットである第5番目のキュービットを制御キュービットとし、第1〜4番目のキュービットが目標キュービットとなっている。このため、基底判別回路121からの第1〜4の各キュービットの出力と第5番目のキュービットの出力が制御NOTゲートで演算され、その出力が制御キュービットである第5番目のキュービットに出力される。このエンタングルメント解消回路122の第5番目のキュービットには復号された送信語情報が出力され、第1〜4番目のキュービットには重ね合わせ状態が出力される。   Further, the entanglement cancellation circuit 122 is provided with four control NOT gates, the fifth qubit being a specific qubit is set as a control qubit, and the first to fourth qubits are targeted. It is a qubit. Therefore, the outputs of the first to fourth qubits and the output of the fifth qubit from the base discriminating circuit 121 are calculated by the control NOT gate, and the fifth qubit whose output is the control qubit. Is output. The decoded transmission word information is output to the fifth qubit of the entanglement cancellation circuit 122, and the superposition state is output to the first to fourth qubits.

ここで、制御NOTゲートについて説明する。制御NOTゲートは、2つのキュービットの入力状態の排他的論理和を演算して2つのキュービットとして出力する量子ゲートであり、トフォリゲートの一つである。図4−1は、制御NOTゲートの回路図であり、図4−2は、制御NOTゲートの真理表を示す説明図である。なお、図4−1を含め、これ以降に示す量子回路図において、直線はキュービットを示し、かかる直線上に記載した記号は量子ゲートを示している。   Here, the control NOT gate will be described. The control NOT gate is a quantum gate that calculates the exclusive OR of the input states of two qubits and outputs the result as two qubits, and is one of the torigates. 4A is a circuit diagram of the control NOT gate, and FIG. 4B is an explanatory diagram of a truth table of the control NOT gate. In addition, in the quantum circuit diagrams shown hereinafter including FIG. 4-1, a straight line indicates a qubit, and a symbol described on the straight line indicates a quantum gate.

図4−1において2つのキュービットの入力状態a1,a2を制御NOTゲートを通過させて、2つのキュービットの出力状態b1,b2に出力するものとする。ここで、a1は制御キュービットといい、a2は目標キュービット(あるいは標的キュービット)という。図4−2の真理表に示すように、制御NOTゲートでは、制御キュービットa1はそのままの値の状態で出力値b1が出力される。一方、目標キュービットa2に対する出力は、制御キュービットa1が「0」の場合には変化せずにそのままの態で出力状態b2が出力されるが、制御キュービットa1が「1」の場合には、a2の状態が反転して出力状態b2が出力されるようになっている。 In FIG. 4A, it is assumed that two qubit input states a 1 and a 2 are passed through a control NOT gate and output to two qubit output states b 1 and b 2 . Here, a 1 is called a control qubit, and a 2 is called a target qubit (or target qubit). As shown in the truth table of FIG. 4B, in the control NOT gate, the output value b 1 is output with the control qubit a 1 remaining as it is. On the other hand, when the control qubit a 1 is “0”, the output to the target qubit a 2 is not changed and the output state b 2 is output as it is, but the control qubit a 1 is “1”. ", The state of a 2 is inverted and the output state b 2 is output.

次に、図3に示した本実施の形態にかかる復号回路120による動作について説明する。ここで、復号回路120は、(1)式で表される送信語を符号化した(2)式で表される5キュービットの符号語データを入力するものとする。   Next, the operation of the decoding circuit 120 according to this embodiment shown in FIG. 3 will be described. Here, it is assumed that the decoding circuit 120 inputs code word data of 5 qubits expressed by Expression (2) obtained by encoding the transmission word expressed by Expression (1).

図5は、符号語データ|Ψ>の|Ψ0>の各基底が基底判別回路121の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ0>の各基底と、エンタングルメント解消回路122の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ0>の各基底を示す説明図である。 5, the code word data | 4 of each underlying [psi 0>, entanglement elimination circuit 122 | [psi> of | [psi 0> after passing through the four control NOT gate for each basis basal determination circuit 121 of the It is explanatory drawing which shows each base of | (PSI) 0 > after passing through one control NOT gate.

また、図6は、符号語データ|Ψ>の|Ψ1>の各基底が基底判別回路121の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ1の各基底と、エンタングルメント解消回路122の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ1>の各基底を示す説明図である。 Also, FIG. 6, the code word data | [psi> of | [psi 1> each basis is after passing through the four control NOT gate basal discrimination circuit 121 of | and each basis of [psi 1, entanglement elimination circuit 122 four control NOT gates were after passing | is an explanatory diagram showing each base of the [psi 1>.

図5に示すように、|Ψ0>の各基底が基底判別回路121の4つの制御NOTゲートを通過した後は、図4−2に示す制御NOTゲートが作用して、|Ψ0>の各基底の第1〜4番目のキュービットに変化はなく、|Ψ0>に含まれている全ての基底に対して第5番目のキュービットは|0>となる。このため、|Ψ0>の各基底が基底判別回路121の4つの制御NOTゲートを通過した後の状態は(14)式で表される。 As shown in FIG. 5, | after each underlying [psi 0> passes through the four control NOT gate basal discriminating circuit 121 acts a control NOT gate shown in FIG. 4-2, | Ψ 0> of There is no change in the first to fourth qubits of each base, and the fifth qubit is | 0> for all bases included in | Ψ 0 >. For this reason, the state after each base of | Ψ 0 > passes through the four control NOT gates of the base discriminating circuit 121 is expressed by equation (14).

一方、図6に示すように、|Ψ1>の各基底が基底判別回路121の4つの制御NOTゲートを通過した後は、図4−2に示す制御NOTゲートが作用して、|Ψ1>の各基底の第1〜4番目のキュービットに変化はなく、|Ψ1>に含まれている全ての基底に対して第5番目のキュービット|1>となる。このため、|Ψ1>の各基底が基底判別回路121の4つの制御NOTゲートを通過した後の状態は(15)式で表される。 On the other hand, as shown in FIG. 6, | after each basis of [psi 1> has passed through the four control NOT gate basal discriminating circuit 121 acts a control NOT gate shown in FIG. 4-2, | [psi 1 The first to fourth qubits of each base of> are not changed, and are the fifth qubit | 1> for all bases included in | Ψ 1 >. For this reason, the state after each base of | Ψ 1 > passes through the four control NOT gates of the base discriminating circuit 121 is expressed by equation (15).

Figure 0004176728
Figure 0004176728

このため、符号語データ|Ψ>が基底判別回路121の4つの制御NOTゲートを通過した後の状態は、(16)式で示されることになる。   For this reason, the state after the code word data | Ψ> passes through the four control NOT gates of the base discriminating circuit 121 is expressed by the equation (16).

ここで、具体的な例をあげて説明する。図7は、|Ψ0>の基底|10111>に対して、基底判別回路121の4つの制御NOTゲートを通過させた場合の各ゲート通過ごとの状態の変化を示す説明図である。 Here, a specific example will be described. FIG. 7 is an explanatory diagram showing a change in state for each passage of the gate when the four control NOT gates of the base discriminating circuit 121 are passed with respect to the base | 10111> of | Ψ 0 >.

まず、基底|10111>が1番目の制御NOTゲート(図3における最左端のゲート)を通過すると、第1番目のキュービット(制御キュービット)が「1」、第5番目のキュービット(目標キュービット)が「1」であるので、制御NOTゲートの図4−2の真理表により、第5番目のキュービットは反転して「0」となる。   First, when the base | 10111> passes through the first control NOT gate (the leftmost gate in FIG. 3), the first qubit (control qubit) is “1” and the fifth qubit (target Since the qubit is “1”, the fifth qubit is inverted to “0” according to the truth table of FIG. 4-2 of the control NOT gate.

次に、反転した基底|10110>が2番目の制御NOTゲート(図3における左側から2番目のゲート)を通過すると、第2番目のキュービット(制御キュービット)が「0」、第5番目のキュービット(目標キュービット)が「0」(第1番目のゲート通過により「1」から「0」に変化)であるので、第5番目のキュービットはそのままの状態「0」のままである。   Next, when the inverted base | 10110> passes through the second control NOT gate (second gate from the left side in FIG. 3), the second qubit (control qubit) is “0”, the fifth Since the qubit (target qubit) is “0” (changes from “1” to “0” by passing through the first gate), the fifth qubit remains in the state “0” as it is. is there.

次に、基底|10110>が3番目の制御NOTゲート(図3における左側から3番目のゲート)を通過すると、第3番目のキュービット(制御キュービット)が「1」、第5番目のキュービット(目標キュービット)が「0」であるので、第5番目のキュービットは反転して「1」となる。   Next, when the base | 10110> passes through the third control NOT gate (the third gate from the left in FIG. 3), the third qubit (control qubit) is “1”, and the fifth cu Since the bit (target qubit) is “0”, the fifth qubit is inverted to “1”.

次に、反転した基底|10111>が4番目の制御NOTゲート(図3における左側から4番目のゲート)を通過すると、第4番目のキュービット(制御キュービット)が「1」、第5番目のキュービット(目標キュービット)が「1」であるので、第5番目のキュービットは反転して「0」となる。   Next, when the inverted base | 10111> passes through the fourth control NOT gate (fourth gate from the left side in FIG. 3), the fourth qubit (control qubit) is “1”, the fifth Since the qubit (target qubit) of “1” is “1”, the fifth qubit is inverted to “0”.

|Ψ0>の他の基底についても同様に第5番目のキュービットは「0」となり、結局、|Ψ0>(14)式で表現されることになる。すなわち、|Ψ0>の基底の「1」の数が偶数個であるため、図7の例のように、基底判別回路121に入力された時点の|Ψ0>の制御キュービットとなる第5番目のキュービットの状態が「1」の場合、第1〜4番目のキュービットにおける「1」の数は奇数個となるため、制御NOTゲートによる反転回数は奇数回となり、第5番目のキュービットの状態は「0」となる。一方、基底判別回路121に入力された時点の|Ψ0>の制御キュービットとなる第5番目のキュービットの状態が「0」の場合、第1〜4番目のキュービットにおける「1」の数は偶数個となるため、制御NOTゲートによる反転回数は偶数回となり、この場合も第5番目のキュービットの状態が「0」となる。 Similarly, for the other bases of | Ψ 0 >, the fifth qubit is “0”, and as a result, | Ψ 0 > (14) is expressed. That is, since the number of “1” s in the basis of | Ψ 0 > is an even number, the first control qubit of | Ψ 0 > when input to the base discriminating circuit 121 as shown in the example of FIG. When the state of the fifth qubit is “1”, the number of “1” s in the first to fourth qubits is an odd number, so the number of inversions by the control NOT gate is an odd number, and the fifth The state of the qubit is “0”. On the other hand, when the state of the fifth qubit that is the control qubit of | Ψ 0 > at the time of input to the base discriminating circuit 121 is “0”, “1” in the first to fourth qubits is “1”. Since the number is an even number, the number of inversions by the control NOT gate is an even number. In this case as well, the state of the fifth qubit is “0”.

一方、図8は、|Ψ1>の基底|11111>に対して、基底判別回路121の4つの制御NOTゲートを通過させた場合の各ゲート通過ごとの状態の変化を示す説明図である。 On the other hand, FIG. 8 is an explanatory diagram showing a change in state at each gate passage when the four control NOT gates of the base discriminating circuit 121 are passed with respect to the base | 11111> of | Ψ 1 >.

まず、基底|11111>が1番目の制御NOTゲートを通過すると、第1番目のキュービット(制御キュービット)が「1」、第5番目のキュービット(目標キュービット)が「1」であるので、第5番目のキュービットは反転して「0」となる。   First, when the base | 11111> passes through the first control NOT gate, the first qubit (control qubit) is “1” and the fifth qubit (target qubit) is “1”. Therefore, the fifth qubit is inverted to “0”.

次に、反転した基底|11110>が2番目の制御NOTゲートを通過すると、第2番目のキュービット(制御キュービット)が「1」、第5番目のキュービット(目標キュービット)が「0」(第1番目のゲート通過により「1」から「0」に変化)であるので、第5番目のキュービットは反転して「1」となる。   Next, when the inverted base | 11110> passes through the second control NOT gate, the second qubit (control qubit) is “1”, and the fifth qubit (target qubit) is “0”. ”(Change from“ 1 ”to“ 0 ”by passing through the first gate), the fifth qubit is inverted to“ 1 ”.

次に、反転した基底|11111>が3番目の制御NOTゲートを通過すると、第3番目のキュービット(制御キュービット)が「1」、第5番目のキュービット(目標キュービット)が「1」であるので、第5番目のキュービットは反転して「0」となる。   Next, when the inverted base | 11111> passes through the third control NOT gate, the third qubit (control qubit) is “1”, and the fifth qubit (target qubit) is “1”. Therefore, the fifth qubit is inverted to “0”.

次に、反転した基底|11110>が4番目の制御NOTゲートを通過すると、第4番目のキュービット(制御キュービット)が「1」、第5番目のキュービット(目標キュービット)が「0」であるので、第5番目のキュービットは反転して「1」となる。   Next, when the inverted base | 11110> passes through the fourth control NOT gate, the fourth qubit (control qubit) is “1”, and the fifth qubit (target qubit) is “0”. Therefore, the fifth qubit is inverted to “1”.

|Ψ1>の他の基底についても同様に第5番目のキュービットは「1」となり、結局、|Ψ1>は(15)式で表現されることになる。すなわち、|Ψ1>の基底の「1」の数が奇数個であるため、図8の例のように、基底判別回路121に入力された時点の|Ψ1>の制御キュービットとなる第5番目のキュービットの状態が「1」の場合、第1〜4番目のキュービットにおける「1」の数は偶数個となるため、制御NOTゲートによる反転回数は偶数回となり、第5番目のキュービットの状態は「1」となる。一方、基底判別回路121に入力された時点の|Ψ1>の制御キュービットとなる第5番目のキュービットの状態が「0」の場合、第1〜4番目のキュービットにおける「1」の数は奇数個となるため、制御NOTゲートによる反転回数は奇数回となり、この場合も第5番目のキュービットの状態が「1」となる。 Similarly, for the other bases of | Ψ 1 >, the fifth qubit is “1”, and eventually | Ψ 1 > is expressed by equation (15). That, | since the number of "1" in the basis of [psi 1> is an odd number, as in the example of FIG. 8, is input to the base determination circuit 121 the time | first as the control qubit for [psi 1> When the state of the fifth qubit is “1”, the number of “1” s in the first to fourth qubits is an even number, so the number of inversions by the control NOT gate is an even number, and the fifth The state of the qubit is “1”. On the other hand, when the state of the fifth qubit that is the control qubit of | Ψ 1 > at the time of input to the base discriminating circuit 121 is “0”, “1” in the first to fourth qubits is “1”. Since the number is an odd number, the number of inversions by the control NOT gate is an odd number. In this case as well, the state of the fifth qubit is “1”.

基底判別回路121は、第5番目のキュービットへの出力を基底判別情報とし、上述したような|Ψ0>の基底と|Ψ1>の基底における「1」の数の偶数個、奇数個の相違の性質を利用して、基底判別情報が「0」の場合には|Ψ0>の基底、基底判別情報が「1」の場合には|Ψ1>の基底と判別している。 The base discriminating circuit 121 uses the output to the fifth qubit as base discriminating information, and the even number and odd number of “1” in the base of | Ψ 0 > and the base of | Ψ 1 > as described above. By utilizing the difference property, the basis of | Ψ 0 > is determined when the basis determination information is “0”, and the basis of | Ψ 1 > is determined when the basis determination information is “1”.

しかしながら、基底判別回路121の出力である(16)式では、符号語データ|Ψ>がもつれあった状態であるため、(16)式から送信語情報に復号することができない。ここで、上述したように、状態|Ψ0>の各基底と|Ψ1>の各基底とは、互いに反転する関係がある。このため、本実施の形態にかかるエンタングルメント解消回路122では、この反転関係を利用して、(16)式の|Ψ1,j14を|Ψ0,j14に変換して(17)式で符号語データ|Ψ>を表現するように変換し、(18)式に示すようにエンタングルメント解消を行い、(18)式から送信語情報|ψ>を求めている。 However, in the expression (16) that is the output of the base discriminating circuit 121, the code word data | Ψ> is tangled, and therefore it cannot be decoded into the transmission word information from the expression (16). Here, as described above, each base in the state | Ψ 0 > and each base in | Ψ 1 > have a relationship that is inverted. For this reason, the entanglement elimination circuit 122 according to the present embodiment converts | Ψ 1, j > 1 to 4 in the equation (16) into | Ψ 0, j > 1 to 4 using this inversion relationship. Then, conversion is performed so that the code word data | Ψ> is expressed by Expression (17), entanglement is eliminated as shown by Expression (18), and transmission word information | ψ> is obtained from Expression (18). .

図3に示すように、エンタングルメント解消回路122の第5番目のキュービットには、基底判別回路121の出力である基底判別情報が入力されるため、|Ψ0>の各基底がエンタングルメント解消回路122の各ゲートへ入力される際には、第5番目のキュービットは常に基底判別情報「0」である。また、エンタングルメント解消回路122の4つの制御NOTゲートのそれぞれは、いずれもこの基底判別情報が出力される第5番目のキュービットを制御キュービットとし、第1〜4番目の各キュービットを目標キュービットとしており、制御キュービットが常に「0」であるため、|Ψ0>の各基底がエンタングルメント解消回路122の各ゲートを通過した後の第1〜4番目のキュービットの状態は、図5に示すように、基底判別回路121の4つの制御NOTゲート通過後の出力|Ψ0,j14から変化はせず、全キュービットの出力は|Ψ0,j14と|0>のテンソル積で表されることになる。 As shown in FIG. 3, since the base discriminating information that is the output of the base discriminating circuit 121 is input to the fifth qubit of the entanglement canceling circuit 122, each base of | Ψ 0 > is entangled canceling. When input to each gate of the circuit 122, the fifth qubit is always the base discrimination information “0”. Also, each of the four control NOT gates of the entanglement elimination circuit 122 uses the fifth qubit from which this base discrimination information is output as the control qubit, and sets each of the first to fourth qubits as the target. Since the control qubit is always “0”, the state of the first to fourth qubits after each base of | Ψ 0 > passes through each gate of the entanglement cancellation circuit 122 is As shown in FIG. 5, the output after passing through the four control NOT gates of the base discriminating circuit 121 is not changed from | Ψ 0, j > 1 to 4, and the output of all qubits is | Ψ 0, j > 1 to It is represented by a tensor product of 4 and | 0>.

一方、|Ψ1>の各基底がエンタングルメント解消回路122の各ゲートへ入力される際には、第5番目のキュービットは常に基底判別情報「1」である。したがって、この制御キュービットが常に「1」であるため、|Ψ1>の各基底がエンタングルメント解消回路122の各ゲートを通過した後の第1〜4番目のキュービットの状態は、図6に示すように、基底判別回路121の4つの制御NOTゲート通過後の出力|Ψ1,j14からすべて反転し、|Ψ0,j14となり、結局全キュービットの出力は、|Ψ0,j14と|1>のテンソル積で表されることになる。 On the other hand, when each base of | Ψ 1 > is input to each gate of the entanglement canceling circuit 122, the fifth qubit is always base discrimination information “1”. Therefore, since this control qubit is always “1”, the states of the first to fourth qubits after each base of | Ψ 1 > passes through each gate of the entanglement cancellation circuit 122 are as shown in FIG. As shown in FIG. 5, the outputs after passing through the four control NOT gates of the base discriminating circuit 121 are all inverted from | Ψ 1, j > 1 to 4 , so that | Ψ 0, j > 1 to 4 is obtained . Is represented by a tensor product of | Ψ 0, j > 1 to 4 and | 1>.

このことは、符号語データ|Ψ>がエンタングルメント解消回路122の4つの制御NOTゲートを通過した後は、符号語データ|Ψ>は、(16)式から(17)式に変換されてエンタングルメントが解消され、この結果(18)式で表現されることになり、送信語情報|ψ>に復号化することができることを意味している。   This means that after the code word data | Ψ> passes through the four control NOT gates of the entanglement canceling circuit 122, the code word data | Ψ> is converted from the expression (16) to the expression (17) and is entangled. This means that it is expressed by equation (18), which means that it can be decoded into transmission word information | ψ>.

Figure 0004176728
Figure 0004176728

ここで、従来の量子誤り訂正装置の復号回路では、基底判別回路とエンタングルメント解消回路のいずれも符号語データに対応した5キュービットの他、さらに補助的に用いるキュービットであるアンシラ|0>ancを設けていた。そして、5キュービットのそれぞれに目標キュービットをアンシラとする制御NOTゲートを5個設け、各ゲートの出力をすべてアンシラに出力し、アンシラに|Ψ0>の基底か|Ψ1>の基底かを示す基底判別情報を出力していた。すなわち、アンシラが|0>ancのときは|Ψ0>の基底であり、アンシラが|1>ancのときは|Ψ1>の基底としていた。この結果、(19)式で表される符号語データに対し基底判別回路を通過させた後の出力は(20)式で示されることになる。 Here, in the decoding circuit of the conventional quantum error correction apparatus, both the base discriminating circuit and the entanglement canceling circuit are ancillary | 0> which is a qubit used in addition to 5 qubits corresponding to code word data. Anc was provided. Each of the five qubits is provided with five control NOT gates each having the target qubit as an ancillary, and all the outputs of the respective gates are output to the ancilla. Whether the ancillary is the basis of | Ψ 0 > or | Ψ 1 >? The base discrimination information indicating is output. That is, when the ancilla is | 0> anc , the basis is | Ψ 0 >, and when the ancilla is | 1> anc , the basis is | Ψ 1 >. As a result, the output after the code word data represented by the equation (19) is passed through the base discriminating circuit is represented by the equation (20).

また、エンタングルメント解消回路では、アンシラを制御キュービットとし5キュービットの符号語の各キュービットを目標キュービットとする制御NOTゲートを各キュービットごとに5個設けて、(21)、(22)式に示すように、|Ψ1>の全5キュービットを反転させてエンタングルメント解消を行い、送信語情報に復号化していた。このため、この従来のアンシラを使用する復号回路では、制御NOTゲートの数が符号語データの全てのキュービット数分必要となり、量子回路の規模が増大するものであった。 Further, in the entanglement elimination circuit, five control NOT gates are provided for each qubit in which the ancillary is a control qubit and each qubit of a code word of 5 qubits is a target qubit, and (21), (22 As shown in the equation, all five qubits of | Ψ 1 > are inverted to cancel entanglement, and are decoded into transmission word information. For this reason, in this conventional decoding circuit using an ansila, the number of control NOT gates is required for all the qubits of the codeword data, and the size of the quantum circuit increases.

Figure 0004176728
Figure 0004176728

これに対し、実施の形態1にかかる量子誤り訂正装置では、基底判別回路121によって、符号語データのキュービットに対し制御NOTゲートを作用させて、各基底の「1」の数が偶数か奇数かによって符号語ゲートに含まれる各基底の種類を判別する基底判別情報を、符号語データのキュービットの中の特定の第5番目のキュービットに出力している。そして、エンタングル解消回路122によって、この第5番目のキュービットを制御キュービットとした制御NOTを作用させて、送信語情報を含むキュービットと送信語情報を含むキュービット以外のキュービットとのエンタングルメントを解消しているので、復号回路において従来の技術のように符号語データのキュービットの他にアンシラを設ける必要がなく、制御NOTゲートのゲート数を減少させて回路規模の小規模化を図ることができる。   On the other hand, in the quantum error correction apparatus according to the first embodiment, the base discriminating circuit 121 causes the control NOT gate to act on the qubits of the codeword data so that the number of “1” s in each base is even or odd. The base discrimination information for discriminating the type of each base included in the codeword gate is output to a specific fifth qubit in the qubit of the codeword data. An entanglement between the qubits including the transmission word information and the qubits other than the qubits including the transmission word information is performed by the entanglement cancellation circuit 122 by applying a control NOT using the fifth qubit as the control qubit. In the decoding circuit, there is no need to provide an ancillary in addition to the qubit of codeword data in the decoding circuit, and the number of control NOT gates can be reduced to reduce the circuit scale. Can be planned.

また、実施の形態1にかかる量子誤り訂正装置100では、エンタングル解消回路122によって、この第5番目のキュービットを制御キュービットとした制御NOTを作用させて、送信語情報を含むキュービットと送信語情報を含むキュービット以外のキュービットとのエンタングルメントを解消して送信語情報に復号化できるので、復号化の際に符号語データにユニタリ作用素の逆作用素を作用させることが不要となり、量子誤り訂正の効率を向上させることができる。   Further, in the quantum error correction apparatus 100 according to the first embodiment, the entanglement canceling circuit 122 operates the control NOT using the fifth qubit as the control qubit, and transmits the qubit including the transmission word information and the transmission. Since entanglement with qubits other than qubits containing word information can be resolved and transmission word information can be decoded, it is not necessary to apply a unitary operator inverse operator to codeword data during decoding. Error correction efficiency can be improved.

なお、本実施の形態にかかる量子誤り訂正装置100では、基底判別情報を出力する特定のキュービットを符号語データの第5番目のキュービットとしているが、これに限定されるものではなく、符号語データのいずれかのキュービットを特定のキュービットとすることができる。   In the quantum error correction apparatus 100 according to the present embodiment, the specific qubit for outputting the base discrimination information is the fifth qubit of the codeword data, but the present invention is not limited to this. Any qubit of the word data can be a specific qubit.

(実施の形態2)
実施の形態1にかかる量子誤り訂正装置100は、基底判別回路121の出力状態がすべてのキュービットにおいてエンタングルメント解消されていなかったため、エンタングルメント解消回路122において、符号語データの第1〜4のキュービットの全てに対し、特定のキュービットである第5番目のキュービットを制御キュービットとして制御NOTゲートを作用させていた。この実施の形態2にかかる量子誤り訂正装置は、基底判別回路をその出力状態の一部のキュービットにおいてエンタングルメント解消がなされており、このためエンタングルメント解消回路122において当該一部のキュービット以外のキュービットに対してエンタングルメント解消を行って送信語情報を復号するものである。
(Embodiment 2)
In the quantum error correction apparatus 100 according to the first embodiment, since the entanglement cancellation is not canceled in all the qubits in the output state of the base discriminating circuit 121, the entanglement cancellation circuit 122 uses the first to fourth codeword data. The control NOT gate is operated on all the qubits using the fifth qubit, which is a specific qubit, as the control qubit. In the quantum error correction device according to the second embodiment, the entanglement cancellation is performed in the qubits in the output state of the basis discrimination circuit, and therefore, in the entanglement cancellation circuit 122, other than the qubits in part. The transmission word information is decoded by canceling entanglement for the qubits.

図9は、実施の形態2にかかる復号回路920の回路図である。実施の形態2にかかる復号回路920は、実施の形態1と同様に、基底判別回路921とエンタングルメント解消回路921とを備えている。   FIG. 9 is a circuit diagram of the decoding circuit 920 according to the second embodiment. Similar to the first embodiment, the decoding circuit 920 according to the second embodiment includes a base discrimination circuit 921 and an entanglement elimination circuit 921.

基底判別回路921は、図9に示すように、4個の制御NOTゲートが設けられている。ここで、実施の形態1と同様に、基底判別回路921には、(1)式で表される5キュービットの符号語データの各キュービットの値が入力される。本実施の形態にかかる基底判別回路921では、第1番目の制御NOTゲートは第1番目のキュービットを制御キュービットとし、第2番目のキュービットを目標キュービットとして設けられている。また、第2番目の制御NOTゲートは第2番目のキュービットを制御キュービットとし、第3番目のキュービットを目標キュービットとして設けられている。第3番目の制御NOTゲートは第3番目のキュービットを制御キュービットとし、第4番目のキュービットを目標キュービットとして設けられている。そして、第4番目の制御NOTゲートは第4番目のキュービットを制御キュービットとし、第5番目のキュービットを目標キュービットとして設けられている。すなわち、第1番目のキュービットは第1番目の制御NOTゲートにおいて制御キュービットとなり、第2〜5番目のキュービットは、連続する制御NOTゲートにおいて目標キュービットとなった後、制御キュービットとなるように各制御NOTゲートが設けられている。   As shown in FIG. 9, the base discriminating circuit 921 is provided with four control NOT gates. Here, as in the first embodiment, the base discriminating circuit 921 receives the value of each qubit of the code word data of 5 qubits expressed by the equation (1). In the base discriminating circuit 921 according to this embodiment, the first control NOT gate is provided with the first qubit as the control qubit and the second qubit as the target qubit. The second control NOT gate is provided with the second qubit as the control qubit and the third qubit as the target qubit. The third control NOT gate is provided with the third qubit as the control qubit and the fourth qubit as the target qubit. The fourth control NOT gate is provided with the fourth qubit as the control qubit and the fifth qubit as the target qubit. That is, the first qubit becomes a control qubit in the first control NOT gate, and the second to fifth qubits become target qubits in successive control NOT gates. Each control NOT gate is provided so as to be.

エンタングルメント解消回路922には、図9に示すように、2個の制御NOTゲートが設けられている。第1番目の制御NOTゲートは、第5番目のキュービットを制御キュービットとし、第1番目のキュービットを目標キュービットとしたものであり、第2番目の制御NOTゲートは、第5番目のキュービットを制御キュービットとし、第3番目のキュービットを目標キュービットとしたものである。そして、第5番目のキュービットに送信語情報が出力される。   The entanglement elimination circuit 922 is provided with two control NOT gates as shown in FIG. The first control NOT gate has the fifth qubit as the control qubit and the first qubit as the target qubit, and the second control NOT gate has the fifth qubit as the fifth qubit. The qubit is the control qubit, and the third qubit is the target qubit. Then, transmission word information is output to the fifth qubit.

そして、本実施の形態では、第5番目のキュービットが特定のキュービットとしなり基底判別回路921において第5番目のキュービットに基底判別情報が出力され、エンタングルメント解消回路922において第5番目のキュービットに送信語情報が出力される。   In this embodiment, the fifth qubit becomes a specific qubit, and the base discriminating circuit 921 outputs the base discriminating information to the fifth qubit, and the entanglement cancellation circuit 922 outputs the fifth qubit. Transmission word information is output to the qubit.

図10は、符号語データ|Ψ>の|Ψ0>の各基底が基底判別回路921の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ0>の各基底と、エンタングルメント解消回路922の2つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ0>の各基底を示す説明図である。 Figure 10 is a code word data | 2 for each underlying [psi 0>, entanglement elimination circuit 922 | [psi> of | [psi 0 each basis is after passing through the four control NOT gate basal determination circuit 921> It is explanatory drawing which shows each base of | (PSI) 0 > after passing through one control NOT gate.

また、図11は、符号語データ|Ψ>の各基底が基底判別回路921の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ1>の各基底と、エンタングルメント解消回路922の2つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ1>の各基底を示す説明図である。 FIG. 11 shows each base of | Ψ 1 > after each base of the code word data | Ψ> passes through the four control NOT gates of the base discriminating circuit 921 and two control NOTs of the entanglement canceling circuit 922. It is explanatory drawing which shows each base of | (PSI) 1 > after passing through a gate.

図10と図11のエンタングルメント解消回路922の2ゲート通過後の基底を対比すると、第1〜4番目のキュービットは一致し、図10で示す|Ψ0>の各基底の第5番目のキュービットは|0>であり、図11で示す|Ψ1>の各基底の第5番目のキュービットは|0>であることがわかる。このことは、(23)式が成立し、送信語情報のキュービットと他のキュービットがエンタングルメント解消されていることを示している。 Comparing the bases after passing through the two gates of the entanglement canceling circuit 922 in FIG. 10 and FIG. 11, the first to fourth qubits match, and the fifth of the respective bases of | Ψ 0 > shown in FIG. It can be seen that the qubit is | 0>, and the fifth qubit of each base of | Ψ 1 > shown in FIG. 11 is | 0>. This indicates that the expression (23) is established, and that the qubits of the transmission word information and other qubits are eliminated from entanglement.

Figure 0004176728
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ここで、|Ψ0>の基底の1つを|a12345>とし、|a12345>の基底判別回路921の4ゲート通過後の状態を|a’1a’2a’3a’4a’5>とする。また、|Ψ1>の基底1つであり|a12345>と前記全キュービット反転の関係にある基底を|b12345>とし、|b12345>の基底判別回路921の4ゲート通過後の状態を|b’1b’2b’3b’4b’5>とする。 Here, one of bases of | Ψ 0 > is defined as | a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 >, and | a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 > Let the state be | a ′ 1 a ′ 2 a ′ 3 a ′ 4 a ′ 5 >. Further, one base of | Ψ 1 > and | a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 > and a base that is in a relation of all qubit inversions are | b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 >, Let | b ′ 1 b ′ 2 b ′ 3 b ′ 4 b ′ 5 > be the state after passing four gates of the base discriminating circuit 921 of | b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 >.

このとき、|a12345>と|a’1a’2a’3a’4a’5>には(24)〜(28)式の関係が成り立つ。また、|b12345>と|b’1b’2b’3b’4b’5>には(29)〜(33)式が成り立つ。 At this time, | a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 > and | a ′ 1 a ′ 2 a ′ 3 a ′ 4 a ′ 5 > have the relationships of the expressions (24) to (28). Also, | b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 > and | b ′ 1 b ′ 2 b ′ 3 b ′ 4 b ′ 5 > hold, the expressions (29) to (33) hold.

Figure 0004176728
Figure 0004176728

Figure 0004176728
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ここで、実施の形態1で述べたように、|Ψ0>の基底を|a12345>と|Ψ1>の基底を|b12345>は互いに反転関係にあること、及び反転関係の意味から、(34)、(35)式が成り立つ。 Here, as described in the first embodiment, the basis of | Ψ 0 > is defined as | a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 > and the basis of | Ψ 1 > is defined as | b 1 b 2 b 3 b 4 b From the fact that 5 > is in an inversion relationship with each other and the meaning of the inversion relationship, equations (34) and (35) hold.

Figure 0004176728
Figure 0004176728

この(34)、(35)式の関係を前提として、(24)〜(33)式からa’iとb’iの関係を求めると、(36)〜(40)式が成り立ち、結局、(41)、(42)式が導かれることがわかる。 Assuming the relationship between the equations (34) and (35), when the relationship between a ′ i and b ′ i is obtained from the equations (24) to (33), equations (36) to (40) are established. It can be seen that the equations (41) and (42) are derived.

Figure 0004176728
Figure 0004176728

Figure 0004176728
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この(41)、(42)式から、基底判別回路921を通過した時点で、第2番目と、第4番目のキュービットについては既にエンタングルメントが解消しているため、エンタングルメント解消回路922では、エンタングルメントが解消していない第1、3,5番目のキュービットのみに対してエンタングルメント解消させるべく、図9のように2個あけ制御NOTゲートを設けている。   From the equations (41) and (42), since the entanglement has already been eliminated for the second and fourth qubits when passing through the base discriminating circuit 921, the entanglement eliminating circuit 922 In order to eliminate entanglement only for the first, third, and fifth qubits in which entanglement has not been eliminated, two control NOT gates are provided as shown in FIG.

このように実施の形態2にかかる量子誤り訂正装置では、基底判別回路121をその出力状態の一部のキュービットにおいてエンタングルメント解消がなされており、このためエンタングルメント解消回路122において当該一部のキュービット以外のキュービットに対してエンタングルメント解消を行っているので、制御NOTゲートの数をより減少させて回路規模のより一層の小規模化を図ることができる。   As described above, in the quantum error correction device according to the second embodiment, the entanglement cancellation is performed in the qubits in the qubits in the output state of the base discriminating circuit 121. Since entanglement elimination is performed for qubits other than qubits, the number of control NOT gates can be further reduced to further reduce the circuit scale.

(実施の形態3)
実施の形態3にかかる量子誤り訂正装置は、基底判別回路をその出力状態の一部のキュービットにおいてエンタングルメント解消がなされており、エンタングルメント解消回路において当該一部のキュービット以外のキュービットに対してエンタングルメント解消を行って送信語情報を復号する別の態様である。
(Embodiment 3)
In the quantum error correction apparatus according to the third embodiment, entanglement cancellation is performed in the qubits that are part of the output state of the base discriminating circuit. It is another aspect which performs entanglement cancellation with respect to this and decodes transmission word information.

図12は、実施の形態3にかかる復号回路1220の回路図である。実施の形態3にかかる復号回路1220は、実施の形態2と同様に、基底判別回路1221とエンタングルメント解消回路1221とを備えている。   FIG. 12 is a circuit diagram of the decoding circuit 1220 according to the third embodiment. Similar to the second embodiment, the decoding circuit 1220 according to the third embodiment includes a base discriminating circuit 1221 and an entanglement eliminating circuit 1221.

基底判別回路1221は、図12に示すように、4個の制御NOTゲートが設けられている。ここで、実施の形態1と同様に、基底判別回路1221には、(1)式で表される5キュービットの符号語データの各キュービットの値が入力される。本実施の形態にかかる基底判別回路1221では、第1番目の制御NOTゲートは第1番目のキュービットを制御キュービットとし、第2番目のキュービットを目標キュービットとして設けられている。また、第2番目の制御NOTゲートは第2番目のキュービットを制御キュービットとし、第3番目のキュービットを目標キュービットとして設けられている。第3番目の制御NOTゲートは第5番目のキュービットを制御キュービットとし、第4番目のキュービットを目標キュービットとして設けられている。そして、第5番目の制御NOTゲートは第4番目のキュービットを制御キュービットとし、第3番目のキュービットを目標キュービットとして設けられている。   As shown in FIG. 12, the base discriminating circuit 1221 is provided with four control NOT gates. Here, as in the first embodiment, the base discriminating circuit 1221 receives the value of each qubit of the code word data of 5 qubits expressed by the equation (1). In the base discriminating circuit 1221 according to the present embodiment, the first control NOT gate is provided with the first qubit as the control qubit and the second qubit as the target qubit. The second control NOT gate is provided with the second qubit as the control qubit and the third qubit as the target qubit. The third control NOT gate is provided with the fifth qubit as the control qubit and the fourth qubit as the target qubit. The fifth control NOT gate is provided with the fourth qubit as the control qubit and the third qubit as the target qubit.

エンタングルメント解消回路1222には、図12に示すように、2個の制御NOTゲートが設けられている。第1番目の制御NOTゲートは、第3番目のキュービットを制御キュービットとし、第1番目のキュービットを目標キュービットとしたものであり、第2番目の制御NOTゲートは、第3番目のキュービットを制御キュービットとし、第5番目のキュービットを目標キュービットとしたものである。   As shown in FIG. 12, the entanglement elimination circuit 1222 is provided with two control NOT gates. The first control NOT gate has the third qubit as the control qubit and the first qubit as the target qubit, and the second control NOT gate has the third qubit as the third qubit. The qubit is the control qubit and the fifth qubit is the target qubit.

そして、本実施の形態では、第3番目のキュービットが特定のキュービットとしなり基底判別回路1221において第3番目のキュービットに基底判別情報が出力され、エンタングルメント解消回路1222において第3番目のキュービットに送信語情報が出力される。   In this embodiment, the third qubit becomes a specific qubit, and the base discriminating circuit 1221 outputs the base discriminating information to the third qubit, and the entanglement canceling circuit 1222 outputs the third qubit. Transmission word information is output to the qubit.

図13は、符号語データ|Ψ>の|Ψ0>の各基底が基底判別回路1221の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ0>の各基底と、エンタングルメント解消回路1222の2つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ0>の各基底を示す説明図である。 13, the code word data | 2 for each underlying [psi 0>, entanglement elimination circuit 1222 | [psi> of | [psi 0> after each basis has passed the four control NOT gate basal determination circuit 1221 of the It is explanatory drawing which shows each base of | (PSI) 0 > after passing through one control NOT gate.

また、図14は、符号語データ|Ψ>の|Ψ1>の各基底が基底判別回路1221の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ1の各基底と、エンタングルメント解消回路1222の2つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ1>の各基底を示す説明図である。 Further, FIG. 14, the code word data | [psi> of | [psi 1> each basis is after passing through the four control NOT gate basal determination circuit 1221 | and each basis of [psi 1, entanglement eliminating circuit 1222 It is explanatory drawing which shows each base of | (PSI) 1 > after passing through two control NOT gates.

ここで、|Ψ0>の基底の1つを|a12345>とし、|a12345>の基底判別回路1221の最初の2ゲート通過後の状態を|a’1a’2a’3a’4a’5>、|a12345>の基底判別回路1221の4ゲート通過後の状態を|a''1a''2a''3a''4a''5>とする。 Here, one of the bases of | Ψ 0 > is defined as | a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 >, and the first two gates of the base discriminating circuit 1221 of | a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 > The state after the four gates of the base discriminating circuit 1221 of | a ′ 1 a ′ 2 a ′ 3 a ′ 4 a ′ 5 > and | a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 >' 1 a'' 2 a'' 3 a'' 4 a'' 5 >

また、|Ψ1>の基底の1つであり|a12345>と前記全キュービット反転の関係にあるものを|b12345>、|b12345>の基底判別回路1221の最初の2ゲート通過後の状態を|b’1b’2b’3b’4b’5>、|b12345>の基底判別回路1221の4ゲート通過後の状態を|b''1b''2b''3b''4b''5>とする。 Also, one of the bases of | Ψ 1 >, which is in a relation of | a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 > and all the qubits inversion | b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 >, | B ′ 1 b ′ 2 b ′ 3 b ′ 4 b ′ 5 >, | b 1 b 2 after passing through the first two gates of the base discriminating circuit 1221 of | b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 > The state after passing through the four gates of the base discriminating circuit 1221 of b 3 b 4 b 5 > is defined as | b ″ 1 b ″ 2 b ″ 3 b ″ 4 b ″ 5 >.

このとき、|a12345>と|a’1a’2a’3a’4a’5>には(43)〜(47)式の関係が成り立ち、|a12345>、|a’1a’2a’3a’4a’5>および|a''1a''2a''3a''4a''5>には(48)〜(52)式の関係が成り立つ。 At this time, | a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 > and | a ′ 1 a ′ 2 a ′ 3 a ′ 4 a ′ 5 > have the relations of equations (43) to (47), and | a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 >, | a ′ 1 a ′ 2 a ′ 3 a ′ 4 a ′ 5 > and | a ″ 1 a ″ 2 a ″ 3 a ″ 4 a ″ 5 > Holds the relationship of the equations (48) to (52).

Figure 0004176728
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Figure 0004176728
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また、|b12345>と|b’1b’2b’3b’4b’5>には(53)〜(57)式が成り立ち、|b12345>、|b’1b’2b’3b’4b’5>および|b''1b''2b''3b''4b''5>には(58)〜(62)式の関係が成り立つ。 In addition, | b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 > and | b ′ 1 b ′ 2 b ′ 3 b ′ 4 b ′ 5 > have the expressions (53) to (57), and | b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 >, | b ′ 1 b ′ 2 b ′ 3 b ′ 4 b ′ 5 > and | b ″ 1 b ″ 2 b ″ 3 b ″ 4 b ″ 5 > The relationship of the equations (58) to (62) is established.

Figure 0004176728
Figure 0004176728

Figure 0004176728
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ここで、実施の形態2と同様に、|Ψ0>の基底を|a12345>と|Ψ1>の基底を|b12345>は互いに反転関係についての関係式(34)、(35)式を前提として、(43)〜(62)式からa''iとb''iの関係を求めると、(63)〜(66)式が成り立ち、結局、(67)、(68)式が導かれることがわかる。 Here, as in the second embodiment, the basis of | Ψ 0 > is changed to | a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 > and the basis of | Ψ 1 > is changed to | b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 > When the relationship of the inverted relationship to each other (34), the premise of equation (35), (43) - (62) determine the relationship of a '' i and b '' i from the equation (63) - (66 It can be seen that the following formulas (67) and (68) are derived.

Figure 0004176728
Figure 0004176728

Figure 0004176728
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この(67)、(68)式から、基底判別回路1221を通過した時点で、第2番目と、第4番目のキュービットについては既にエンタングルメントが解消しているため、エンタングルメント解消回路1222では、エンタングルメントが解消していない第1、3,5番目のキュービットのみに対してエンタングルメント解消させるべく、図12のように2個あけ制御NOTゲートを設けている。   From the expressions (67) and (68), since the entanglement has already been eliminated for the second and fourth qubits when passing through the base discriminating circuit 1221, the entanglement elimination circuit 1222 In order to eliminate entanglement only for the first, third, and fifth qubits in which entanglement has not been eliminated, two control NOT gates are provided as shown in FIG.

このように実施の形態3にかかる量子誤り訂正装置では、基底判別回路1221をその出力状態の一部のキュービットにおいてエンタングルメント解消がなされており、このためエンタングルメント解消回路122において当該一部のキュービット以外のキュービットに対してエンタングルメント解消を行っているので、制御NOTゲートの数をより減少させて回路規模のより一層の小規模化を図ることができる。   As described above, in the quantum error correction apparatus according to the third embodiment, the entanglement cancellation is performed on the basis discrimination circuit 1221 in a part of the qubits in its output state. Since entanglement elimination is performed for qubits other than qubits, the number of control NOT gates can be further reduced to further reduce the circuit scale.

なお、実施の形態1〜3にかかる量子誤り訂正装置では、5キュービットの符号語データを入力して復号化する例を示したが、キュービットの数はこれに限定されるものではなく、任意の数のキュービットの符号語データの復号化に関して本発明を適用することが可能である。   In the quantum error correction apparatus according to the first to third embodiments, an example in which codeword data of 5 qubits is input and decoded is shown, but the number of qubits is not limited to this, The present invention can be applied to decoding code word data of an arbitrary number of qubits.

本発明にかかる量子回路、量子誤り訂正装置および量子誤り訂正方法は、複数の基底の線形結合で示される量子状態を表す送信語情報を符号化した符号語情報に対して量子誤り訂正を行ってもとの送信語情報に復号する量子誤り訂正を行う回路で、符号語情報の各キュービットを、送信語情報のキュービットと重ね合わせ状態にあるキュービットのテンソル積で表される状態に変換して送信語情報に復号化する復号回路を備えた装置に有用である。基本的なゲートの実現方法としては、例えば、文献「北川勝浩, NMR量子コンピュータ, 数理科学, No.424, 1998.」のように、核磁気共鳴現象(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)による原子核スピンの制御を用いて量子計算を行う場合に本発明の量子回路を適用することができる。   A quantum circuit, a quantum error correction device, and a quantum error correction method according to the present invention perform quantum error correction on codeword information obtained by encoding transmission word information representing a quantum state represented by a linear combination of a plurality of bases. A circuit that performs quantum error correction that decodes the original transmitted word information, and converts each qubit of the codeword information into a state represented by a tensor product of the qubits superimposed on the cubits of the transmitted word information. Thus, the present invention is useful for an apparatus including a decoding circuit that decodes transmission word information. As a basic gate realization method, for example, as described in the document “Katsuhiro Kitagawa, NMR Quantum Computer, Mathematical Sciences, No.424, 1998.”, nuclear spins caused by nuclear magnetic resonance (NMR) are described. The quantum circuit of the present invention can be applied when performing quantum computation using control.

また、文献「T.Yamamoto et.al. Demonstration of conditional gate operation using superconducting charge qubits. Nature,vol.425, pp.941, 2003.」のようにジョセフソン接合を有する超伝導電子対箱中の余剰超伝導電子対を電磁パルスにより制御する方法によって量子計算を行う場合に本発明の量子回路を適用することができる。このように本発明の量子回路、量子誤り訂正装置および量子誤り訂正方法は自然法則を用いて実現可能なものである。   In addition, surplus in a superconducting electron pair box having a Josephson junction as in the document “T. Yamamoto et.al. Demonstration of conditional gate operation using superconducting charge qubits.Nature, vol.425, pp.941, 2003.” The quantum circuit of the present invention can be applied when quantum computation is performed by a method in which a superconducting electron pair is controlled by an electromagnetic pulse. As described above, the quantum circuit, the quantum error correction apparatus, and the quantum error correction method of the present invention can be realized using a natural law.

キュービットや量子ゲートの実現方法には上述のNMRによる原子核スピン操作や電磁パルスによる超伝導電子対個数操作の他、光子の偏光及び位相差を用いる方法や固体EIT(Electromagnetically Induced Transparency:電磁波誘起透明化)現象を利用するものがある。ただし、本発明はNMRによる原子核スピン操作や電磁パルスによる超伝導電子対個数の制御によるキュービット及び量子ゲートの実現に限られるものではなく、数学的に定義されるヒルベルト空間としてのキュービットやユニタリ作用素としての量子ゲートを実現できるような物理系すべてに対して適用可能である。   In addition to the above-described nuclear spin manipulation by NMR and superconducting electron pair number manipulation by electromagnetic pulses, qubits and quantum gates can be realized by methods using photon polarization and phase difference, or solid-state EIT (Electromagnetically Induced Transparency) Some use the phenomenon. However, the present invention is not limited to the realization of qubits and quantum gates by nuclear spin manipulation by NMR and control of the number of superconducting electron pairs by electromagnetic pulses, but qubits and unitary as a Hilbert space defined mathematically. The present invention can be applied to all physical systems that can realize a quantum gate as an operator.

実施の形態1にかかる量子誤り訂正装置100の機能的構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a functional configuration of a quantum error correction apparatus 100 according to a first embodiment. 送信語情報の符号化から本実施の形態にかかる量子誤り訂正装置による符号語データの復号化までの一連の流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a series of flow from encoding of transmission word information to decoding of codeword data by the quantum error correction apparatus concerning this Embodiment. 実施の形態1にかかる復号回路120の回路構成図である。1 is a circuit configuration diagram of a decoding circuit 120 according to a first embodiment. FIG. 制御NOTゲートの回路図である。It is a circuit diagram of a control NOT gate. 制御NOTゲートの真理表を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the truth table of a control NOT gate. 符号語データ|Ψ>の|Ψ0>の各基底が基底判別回路121の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ0>の各基底と、エンタングルメント解消回路122の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ0>の各基底を示す説明図である。Codeword data | [psi> of | [psi 0> after each basis has passed the four control NOT gate basal discrimination circuit 121 of | and each basis of [psi 0>, four control NOT gate entanglement elimination circuit 122 It is explanatory drawing which shows each base of | Ψ 0 > after passing through. 符号語データ|Ψ>の|Ψ1>の各基底が基底判別回路121の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ1の各基底と、エンタングルメント解消回路122の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ1>の各基底を示す説明図である。Codeword data | [psi> of | [psi 1> each basis is after passing through the four control NOT gate basal discrimination circuit 121 of | and each basis of [psi 1, four control NOT gate entanglement elimination circuit 122 It is explanatory drawing which shows each base of | Ψ 1 > after passing. |Ψ0>の基底|10111>に対して、基底判別回路121の4つの制御NOTゲートを通過させた場合の各ゲート通過ごとの状態の変化を示す説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram showing a change in state for each passage of the gate when four control NOT gates of the base discriminating circuit 121 are passed with respect to a base | 10111> of | Ψ 0 >. |Ψ1>の基底|11111>に対して、基底判別回路121の4つの制御NOTゲートを通過させた場合の各ゲート通過ごとの状態の変化を示す説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram showing a change in state for each passage of the gate when four control NOT gates of the base discriminating circuit 121 are passed with respect to a base | 11111> of | Ψ 1 >. 実施の形態2にかかる復号回路920の回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a decoding circuit 920 according to the second exemplary embodiment. 符号語データ|Ψ>の|Ψ0>の各基底が基底判別回路921の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ0>の各基底と、エンタングルメント解消回路922の2つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ0>の各基底を示す説明図である。Codeword data | [psi> of | [psi 0> after each basis has passed the four control NOT gate basal determination circuit 921 | and each basis of Ψ 0>, 2 two controlled-NOT gate entanglement elimination circuit 922 It is explanatory drawing which shows each base of | Ψ 0 > after passing through. 符号語データ|Ψ>の|Ψ1>の各基底が基底判別回路921の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ1>の各基底と、エンタングルメント解消回路922の2つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ1>の各基底を示す説明図である。Codeword data | [psi> of | [psi 1> each basis basal discriminating circuit after passing through the four control NOT gate 921 for | and each basis of Ψ 1>, 2 two controlled-NOT gate entanglement elimination circuit 922 is an explanatory diagram showing each base of the [psi 1> | after passing the. 実施の形態3にかかる復号回路1220の回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram of a decoding circuit 1220 according to the third embodiment. 符号語データ|Ψ>の|Ψ0>の各基底が基底判別回路1221の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ0>の各基底と、エンタングルメント解消回路1222の2つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ0>の各基底を示す説明図である。Codeword data | [psi> of | [psi 0 each basis is after passing through the four control NOT gate basal determination circuit 1221 of> | and each basis of Ψ 0>, 2 two controlled-NOT gate entanglement eliminating circuit 1222 It is explanatory drawing which shows each base of | Ψ 0 > after passing through. 符号語データ|Ψ>の|Ψ1>の各基底が基底判別回路1221の4つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ1の各基底と、エンタングルメント解消回路1222の2つの制御NOTゲートを通過した後の|Ψ1>の各基底を示す説明図である。Codeword data | [psi> of | [psi 1> each basis is after passing through the four control NOT gate basal determination circuit 1221 | and each basis of [psi 1, two control NOT gate entanglement eliminating circuit 1222 It is explanatory drawing which shows each base of | Ψ 1 > after passing.

符号の説明Explanation of symbols

100 量子誤り訂正装置
110 誤り訂正回路
120,920,1220 復号回路
121,921,1221 基底判別回路
122,922,1222 エンタングルメント解消回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Quantum error correction apparatus 110 Error correction circuit 120,920,1220 Decoding circuit 121,921,1221 Base discrimination circuit 122,922,1222 Entanglement cancellation circuit

Claims (7)

2つの基底の線形結合で表現される2次元ヒルベルト空間の要素である量子状態としての送信語情報を、スタビライザ符号方式によって符号化した符号語情報を表現するキュービットの集合である符号キュービット群であって、前記送信語情報を表現する2次元ヒルベルト空間の第1の基底を符号化した量子状態である第1の符号量子状態と、前記送信語情報の第2の基底を符号化した量子状態であって前記第1の符号量子状態において全てのキュービットについて前記第1の基底を前記第2の基底に反転するとともに前記第2の基底を前記第1の基底に反転するNOTゲートにより反転させた全キュービット反転の関係にある第2の符号量子状態との線形結合で表現され、前記第2の符号量子状態に含まれる各基底は前記第1の符号量子状態に含まれる基底のいずれか1つと前記全キュービット反転の関係にあり、全キュービット反転に関して対称な一対の基底をなす性質を有する符号語情報を、前記送信語情報を表現するキュービットと複数の基底の重ね合わせ状態として表現されるキュービットとのテンソル積で表される状態に変換する復号化処理を行う量子回路であって、
前記符号キュービット群に対して複数の制御NOTゲートを作用させて量子演算を行い、前記符号キュービット群の基底が前記第1の符号量子状態に含まれる基底であるか前記第2の量子状態に含まれる基底であるかを判別する情報である基底判別情報を各基底に含まれる1の数に基づいて求め、前記符号キュービット群の中の一部である特定のキュービットに出力する基底判別手段と、
前記特定のキュービットを制御キュービットとした制御NOTゲートを作用させて、前記送信語情報を表現するキュービットと前記送信語情報を含むキュービット以外のキュービットとのエンタングルメントを解消するエンタングルメント解消手段と、
を備えたことを特徴とする量子回路。
Code qubit group which is a set of qubits representing code word information obtained by encoding transmission word information as a quantum state, which is an element of a two-dimensional Hilbert space expressed by a linear combination of two bases, using a stabilizer coding scheme A first code quantum state that is a quantum state in which a first basis of a two-dimensional Hilbert space representing the transmission word information is encoded, and a quantum in which a second basis of the transmission word information is encoded. Inverted by a NOT gate that inverts the first base to the second base and inverts the second base to the first base for all qubits in the first code quantum state Each of the bases included in the second code quantum state is represented by the first code quantum state. Code word information having a property of forming a pair of bases symmetrical with respect to all qubit inversions, and a plurality of qubits representing the transmission word information A quantum circuit that performs a decoding process for converting to a state represented by a tensor product with a qubit expressed as a superposition state of a base of
A plurality of control NOT gates are applied to the code qubit group to perform a quantum operation, and whether the basis of the code qubit group is a basis included in the first code quantum state or the second quantum state A basis for determining basis discrimination information, which is information for discriminating whether a basis is included in each basis, based on the number of 1s included in each basis, and outputting to a specific qubit that is part of the code qubit group Discrimination means;
Entanglement for canceling entanglement between a qubit expressing the transmission word information and a qubit other than the qubit including the transmission word information by operating a control NOT gate using the specific qubit as a control qubit Resolving means,
A quantum circuit comprising:
前記基底判別手段は、前記符号キュービット群の前記特定のキュービットを目標キュービットとし、前記特定のキュービット以外の符号キュービット群をそれぞれ制御キュービットとした複数の制御NOTゲートを含み、該制御NOTゲートによって各基底に含まれる1の数である基底判別情報を求めて前記特定のキュービットに出力し、
前記エンタングルメント解消手段は、前記特定のキュービットを制御キュービットとし、前記特定のキュービット以外のキュービットを目標キュービットとした複数の制御NOTゲートを含み、前記特定のキュービットに出力される前記送信語情報を表現するキュービットとその他のキュービットとのエンタングルメントを解消することを特徴とする請求項1に記載の量子回路。
The base discriminating means includes a plurality of control NOT gates in which the specific qubit of the code qubit group is a target qubit, and the code qubit group other than the specific qubit is a control qubit, The basis NOT information which is the number of 1 included in each base is obtained by the control NOT gate and output to the specific qubit,
The entanglement elimination means includes a plurality of control NOT gates in which the specific qubit is a control qubit and a qubit other than the specific qubit is a target qubit, and is output to the specific qubit 2. The quantum circuit according to claim 1, wherein entanglement between a qubit expressing the transmission word information and other qubits is eliminated.
前記基底判別手段は、前記符号キュービット群に複数の制御NOTゲートを施すことにより前記特定のキュービットに前記基底判別情報を出力し、この出力の際に制御NOTゲートのみを複数個施す量子回路であって、各制御NOTゲートの目標キュービットを次に施される制御NOTゲートの制御キュービットとする2以上の制御NOTゲートの組である連結制御NOTゲート群を複数有し、かつ当該連結制御NOTゲート群のみで分解可能に形成され、前記基底判別処理の出力が前記特定のキュービットを除く符号キュービット群のうちの一部のキュービットに関して、前記エンタングルメント解消手段への入力において前記全キュービット反転に関して対称な一対の基底内でのエンタングルメントが解消され、全キュービット反転に関して対称な一対の基底内においてエンタングルメントが解消されるキュービット群を生成するものであり、
前記エンタングルメント解消手段は、前記復号化処理の開始時点で前記全キュービット反転に関して対称な一対の基底内においてエンタングルメントが解消されたキュービット群以外のキュービットを目標キュービットとし、前記特定のキュービットを前記制御キュービットとした制御NOTゲートを作用させて、前記送信語情報を表現するキュービットと前記送信語情報を表現するキュービット以外のキュービットとのエンタングルメントを解消することを特徴とする請求項1に記載の量子回路。
The base discriminating means outputs a plurality of control discriminating information to the specific qubit by applying a plurality of control NOT gates to the code qubit group, and a quantum circuit that applies only a plurality of control NOT gates at the time of output. A plurality of connected control NOT gate groups, each of which is a set of two or more control NOT gates, in which the target qubit of each control NOT gate is the control qubit of the control NOT gate to be applied next; It is formed so as to be decomposable only by the control NOT gate group, and the output of the base discrimination process is the input to the entanglement canceling unit with respect to some qubits of the code qubit group excluding the specific qubit. Entanglement within a pair of bases that is symmetric with respect to all qubit inversions is eliminated, and all qubit inversions are Is intended to generate a qubit group entanglement is eliminated in symmetrical within a pair of base Te,
The entanglement elimination means sets a qubit other than a qubit group in which entanglement is eliminated in a pair of bases symmetrical with respect to all qubit inversions at the start of the decoding process as a target qubit, and A control NOT gate using the qubit as the control qubit is operated to eliminate entanglement between the qubit expressing the transmission word information and a qubit other than the qubit expressing the transmission word information. The quantum circuit according to claim 1.
前記基底判別手段は、5キュービットの符号語データにおける第1番目のキュービットを制御キュービットとし、第2番目のキュービットを目標キュービットとした第1の制御NOTゲートと、第2番目のキュービットを制御キュービットとし、第3番目のキュービットを目標キュービットとした第2の制御NOTゲートと、第3番目のキュービットを制御キュービットとし、第4番目のキュービットを目標キュービットとした第3の制御NOTゲートと、第4番目のキュービットを制御キュービットとし第5番目のキュービットを目標キュービットとした第4の制御NOTゲートとを備え、前記第5番目のキュービットに前記特定のキュービットとして前記基底判別情報を出力し、
前記エンタングルメント解消手段は、前記特定のキュービットを制御キュービットとし、それぞれ前記第1番目のキュービットと前記第3番目のキュービットを目標キュービットとした2つの制御NOTゲートを含み、前記特定のキュービットに前記送信語情報を出力することを特徴とする請求項3に記載の量子回路。
The base discriminating means includes a first control NOT gate having a first qubit as a control qubit and a second qubit as a target qubit in a code word data of 5 qubits; The second control NOT gate with the qubit as the control qubit, the third qubit as the target qubit, the third qubit as the control qubit, and the fourth qubit as the target qubit And the fourth control NOT gate with the fourth qubit as the control qubit and the fifth qubit as the target qubit, and the fifth qubit To output the basis discrimination information as the specific qubit,
The entanglement canceling means includes two control NOT gates in which the specific qubit is a control qubit, and the first qubit and the third qubit are target qubits, respectively. The quantum circuit according to claim 3, wherein the transmission word information is output to a qubit.
前記基底判別手段は、前記5キュービットの符号語データにおける第1番目のキュービットを制御キュービットとし、第2番目のキュービットを目標キュービットとした第1の制御NOTゲートと、第2番目のキュービットを制御キュービットとし、第3番目のキュービットを目標キュービットとした第2の制御NOTゲートと、第5番目のキュービットを制御キュービットとし、第4番目のキュービットを目標キュービットとした第3の制御NOTゲートと、第4番目のキュービットを制御キュービットとし第3番目のキュービットを目標キュービットとした第4の制御NOTゲートとを備え、前記第3番目のキュービットに前記特定のキュービットとして前記基底判別情報を出力し、
前記エンタングルメント解消手段は、前記特定のキュービットを制御キュービットとし、前記第1番目のキュービットと前記第5番目のキュービットを目標キュービットとした2つの制御NOTゲートを含み、前記特定のキュービットに前記送信語情報を出力することを特徴とする請求項3に記載の量子回路。
The base discriminating means includes a first control NOT gate having a first qubit in the code word data of 5 qubits as a control qubit and a second qubit as a target qubit; The second control NOT gate with the third qubit as the target qubit, the fifth qubit as the control qubit, and the fourth qubit as the target cubit A third control NOT gate having a bit and a fourth control NOT gate having the fourth qubit as a control qubit and the third qubit as a target qubit, Outputting the basis discrimination information as the specific qubit in a bit,
The entanglement canceling means includes two control NOT gates in which the specific qubit is a control qubit, and the first qubit and the fifth qubit are target qubits. 4. The quantum circuit according to claim 3, wherein the transmission word information is output to a qubit.
2つの基底の線形結合で表現される2次元ヒルベルト空間の要素である量子状態としての送信語情報を、スタビライザ符号方式によって符号化した符号語情報を表現するキュービットの集合である符号キュービット群であって、前記送信語情報を表現する2次元ヒルベルト空間の第1の基底を符号化した量子状態である第1の符号量子状態と、前記送信語情報の第2の基底を符号化した量子状態であって前記第1の符号量子状態において全てのキュービットについて前記第1の基底を前記第2の基底に反転するとともに前記第2の基底を前記第1の基底に反転するNOTゲートにより反転させた全キュービット反転の関係にある第2の符号量子状態との線形結合で示され、前記第2の符号量子状態に含まれる各基底は前記第1の符号量子状態に含まれる基底のいずれか1つと前記全キュービット反転の関係にあり、全キュービット反転に関して対称な一対の基底をなす性質を有する符号語情報を、前記送信語情報を表現するキュービットと複数の基底の重ね合わせ状態として表現されるキュービットとのテンソル積で表される状態に変換する復号化処理を行う量子回路を備えた量子誤り訂正装置であって、
前記量子回路は、
前記符号キュービット群に対して複数の制御NOTゲートを作用させて量子演算を行い、前記符号キュービット群の基底が前記第1の符号量子状態に含まれる基底であるか前記第2の量子状態に含まれる基底であるかを判別する情報である基底判別情報を各基底に含まれる1の数に基づいて求め、前記符号キュービット群の中の一部である特定のキュービットに出力する基底判別手段と、
前記特定のキュービットを制御キュービットとした制御NOTゲートを作用させて、前記送信語情報を表現するキュービットと前記送信語情報を含むキュービット以外のキュービットとのエンタングルメントを解消するエンタングルメント解消手段と、
を備えたことを特徴とする量子誤り訂正装置。
Code qubit group which is a set of qubits representing code word information obtained by encoding transmission word information as a quantum state, which is an element of a two-dimensional Hilbert space expressed by a linear combination of two bases, using a stabilizer coding scheme A first code quantum state that is a quantum state in which a first basis of a two-dimensional Hilbert space representing the transmission word information is encoded, and a quantum in which a second basis of the transmission word information is encoded. Inverted by a NOT gate that inverts the first base to the second base and inverts the second base to the first base for all qubits in the first code quantum state Each of the bases included in the second code quantum state is represented by the first code quantum state. Code word information having a property of forming a pair of bases symmetrical with respect to all qubit inversions, and having a plurality of qubits representing the transmission word information and a plurality of qubits, A quantum error correction apparatus including a quantum circuit that performs a decoding process for converting to a state represented by a tensor product with a qubit represented as a base superposition state,
The quantum circuit is
A plurality of control NOT gates are applied to the code qubit group to perform a quantum operation, and whether the basis of the code qubit group is a basis included in the first code quantum state or the second quantum state A basis for determining basis discrimination information, which is information for discriminating whether a basis is included in each basis, based on the number of 1s included in each basis, and outputting to a specific qubit that is part of the code qubit group Discrimination means;
Entanglement for canceling entanglement between a qubit expressing the transmission word information and a qubit other than the qubit including the transmission word information by operating a control NOT gate using the specific qubit as a control qubit Resolving means,
A quantum error correction apparatus comprising:
2つの基底の線形結合で表現される2次元ヒルベルト空間の要素である量子状態としての送信語情報を、スタビライザ符号方式によって符号化した符号語情報を表現するキュービットの集合である符号キュービット群であって、前記送信語情報を表現する2次元ヒルベルト空間の第1の基底を符号化した量子状態である第1の符号量子状態と、前記送信語情報の第2の基底を符号化した量子状態であって前記第1の符号量子状態において全てのキュービットについて前記第1の基底を前記第2の基底に反転するとともに前記第2の基底を前記第1の基底に反転するNOTゲートにより反転させた全キュービット反転の関係にある第2の符号量子状態との線形結合で示され、前記第2の符号量子状態に含まれる各基底は前記第1の符号量子状態に含まれる基底のいずれか1つと前記全キュービット反転の関係にあり、全キュービット反転に関して対称な一対の基底をなす性質を有する符号語情報を、前記送信語情報を表現するキュービットと複数の基底の重ね合わせ状態として表現されるキュービットとのテンソル積で表される状態に変換する復号化処理を行う量子符号化方法であって、
前記符号キュービット群に対して複数の制御NOTゲートを作用させて量子演算を行い、前記符号キュービット群の基底が前記第1の符号量子状態に含まれる基底であるか前記第2の量子状態に含まれる基底であるかを判別する情報である基底判別情報を各基底に含まれる1の数に基づいて求め、前記符号キュービット群の中の一部である特定のキュービットに出力する基底判別ステップと、
前記特定のキュービットを制御キュービットとした制御NOTゲートを作用させて、前記送信語情報を表現するキュービットと前記送信語情報を含むキュービット以外のキュービットとのエンタングルメントを解消するエンタングルメント解消ステップと、
を含むことを特徴とする量子誤り訂正方法。
Code qubit group which is a set of qubits representing code word information obtained by encoding transmission word information as a quantum state, which is an element of a two-dimensional Hilbert space expressed by a linear combination of two bases, using a stabilizer coding scheme A first code quantum state that is a quantum state in which a first basis of a two-dimensional Hilbert space representing the transmission word information is encoded, and a quantum in which a second basis of the transmission word information is encoded. Inverted by a NOT gate that inverts the first base to the second base and inverts the second base to the first base for all qubits in the first code quantum state Each of the bases included in the second code quantum state is represented by the first code quantum state. Code word information having a property of forming a pair of bases symmetrical with respect to all qubit inversions, and having a plurality of qubits representing the transmission word information and a plurality of qubits, A quantum encoding method for performing a decoding process for converting to a state represented by a tensor product with a qubit expressed as a superposition state of a base,
A plurality of control NOT gates are applied to the code qubit group to perform a quantum operation, and whether the basis of the code qubit group is a basis included in the first code quantum state or the second quantum state A basis for determining basis discrimination information, which is information for discriminating whether a basis is included in each basis, based on the number of 1s included in each basis, and outputting to a specific qubit that is part of the code qubit group A determination step;
Entanglement for canceling entanglement between a qubit expressing the transmission word information and a qubit other than the qubit including the transmission word information by operating a control NOT gate using the specific qubit as a control qubit A resolution step;
A quantum error correction method comprising:
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