JP4664994B2 - Calculation base axis setting device, calculation base axis setting method, program, and recording medium - Google Patents
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Description
本発明は、量子誤り訂正符号技術に関し、特に、対称性のあるノイズとランダムなノイズとの古典的な混合からなるノイズに対する誤り訂正を行う技術に関する。 The present invention relates to a quantum error correction coding technique, and more particularly, to a technique for performing error correction on noise composed of a classic mixture of symmetrical noise and random noise.
<量子誤り訂正符号>
量子計算機は、連続した状態(continuum)を扱う。そのため誤差を完全に取り除くことは、非常に困難である。他方、意義のある量子計算では、入力長に対して非常に高い計算精度を要求される場合がしばしばある。そのため、量子計算機の実現の研究において、ノイズに対して影響を受けにくく誤差の少ないデバイスを作ることは非常に重要な問題のうちの一つである。
<Quantum error correction code>
The quantum computer handles a continuum. Therefore, it is very difficult to completely remove the error. On the other hand, in a meaningful quantum calculation, a very high calculation accuracy is often required for the input length. Therefore, in the research on the realization of quantum computers, it is one of very important problems to make a device that is less susceptible to noise and has less error.
誤差を減らす方法として、物理的デバイスそのものの研究以外に、生じた誤差を修正しながら扱うことで実効的に誤差を小さくする研究もなされてきた。その代表的なものとしてスタビライザー符号(stabilizer cord:固定部分群符号)と呼ばれるものがある(例えば、非特許文献1参照)。スタビライザー符号とは、ある形式で書くことが可能な量子符号全体を指し、これによる量子誤り訂正手法は、ノイズがある程度以上小さいという以外、ノイズに関する情報が無い場合の誤差訂正手法の一般論である。他方、ノイズに関する情報がある程度知られている場合には、デコヒーレンスサブスペース(Decoherence-Free Subspaces)上で誤り訂正を行うことにより、ノイズの持っている既知の対称性を利用して、ノイズの影響を受けない領域に量子状態をコードする方法もある(例えば、非特許文献2,3参照)。 As a method for reducing the error, in addition to the research on the physical device itself, there has been research on effectively reducing the error by handling the generated error while correcting it. A typical example is a so-called stabilizer code (fixed subgroup code) (see Non-Patent Document 1, for example). Stabilizer code refers to the whole quantum code that can be written in a certain format, and the quantum error correction method by this is a general theory of error correction method when there is no information about noise except that the noise is small to some extent. . On the other hand, when information about noise is known to some extent, error correction is performed on the decoherence-free subspaces, and the known symmetry of noise is used to correct the noise. There is also a method of coding a quantum state in an unaffected region (for example, see Non-Patent Documents 2 and 3).
双方の理論では、ある与えられた体系の中において誤りを完全に訂正する。例えば、スタビライザー符号であれば、符号を設計する上で事前に定められた数以下の量子ビットにのみノイズが発生した場合において、これを完全に訂正することができる。また、デコヒーレンスサブスペースでは、事前に想定されたノイズのみが発生した場合においては、論理量子ビットにはそもそもノイズの影響が生じない構造になっている。 Both theories completely correct errors in a given system. For example, in the case of a stabilizer code, when noise occurs only in a predetermined number or less of qubits in designing the code, this can be completely corrected. In addition, the decoherence subspace has a structure in which the influence of noise does not occur in the logical qubit in the first place when only the noise assumed in advance occurs.
<システムのノイズと量子誤り訂正符号>
多くの実験系では、システムのノイズが、予測されるある種の対称性のあるノイズと全く予測不能なランダムなノイズの古典的な混合であると想定する。このため、量子誤り訂正符号は、ランダムなノイズに対して耐性を持つとともに、対称性のあるノイズに対しても頑健である必要がある。このようなノイズは、デコヒーレンスサブスペースにおいて構成された論理量子ビットを物理量子ビットとしてスタビライザー符号を組めば、対称的なノイズについては完全に排除でき、全体として或る程度有効に誤り訂正を行うことができる。
Many experimental systems assume that the system noise is a classical mixture of some kind of symmetric noise that is expected and random noise that is totally unpredictable. For this reason, the quantum error correction code needs to be resistant to random noise and robust against symmetric noise. Such noise can be completely eliminated with respect to symmetrical noise by using the logical qubits configured in the decoherence subspace as physical qubits, and symmetric noise can be completely eliminated, and error correction can be performed to some extent as a whole. be able to.
しかし、デコヒーレンスサブスペースにおいて構成された論理量子ビットを物理量子ビットとしてスタビライザー符号を組む場合、1論理量子ビットを構成する物理量子ビットの数が必然的に大きくなる。さらに、論理量子ビット上の一つの演算が非常に多くの物理量子ビット上の演算になってしまう。そのため、対称的なノイズの量がそれほど多くなかった場合には、これらの欠点が対称的なノイズを完全に排除できるという利点を上回ってしまう場合がある。 However, when a stabilizer code is assembled using the logical qubits configured in the decoherence subspace as physical qubits, the number of physical qubits constituting one logical qubit inevitably increases. Furthermore, one operation on a logical qubit becomes an operation on a large number of physical qubits. Therefore, if the amount of symmetric noise is not so large, these drawbacks may outweigh the advantage that symmetric noise can be completely eliminated.
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、従来よりも少ない物理量子ビットを用い、対称性のあるノイズとランダムなノイズとの古典的な混合からなるノイズに対する誤り訂正を行うことが可能な技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a point, and performs error correction for noise consisting of a classical mixture of symmetrical noise and random noise using fewer physical qubits than in the past. It aims at providing the technology that can be.
本発明では課題を解決するために、各物理量子ビットに共通の基準計算基底軸に対する、j〔j∈{1,...,n} ,n≧2〕番目の物理量子ビットQjの計算基底軸の回転を示す2×2のユニタリー行列Vjを設定し、フィデリティ
以下に本発明の作用を説明する。各物理量子ビットの計算基底軸を変更することにより、ノイズの対称性を実効的に崩すことができる場合がある。この場合、対称性のあるノイズが物理量子ビットに同期することによってノイズが強め合うことを実効的に防止できる。その結果、対称性のあるノイズをランダムなノイズと同様にスタビライザー符号のみによって適切に誤り訂正できる。 The operation of the present invention will be described below. By changing the calculation base axis of each physical qubit, the symmetry of noise may be effectively broken. In this case, it is possible to effectively prevent the symmetrical noise from strengthening by synchronizing with the physical qubit. As a result, symmetric noise can be appropriately error-corrected only by the stabilizer code in the same way as random noise.
ただ、任意に各物理量子ビットの計算基底軸を変更した場合に如何なるスタビライザー符号に対しても実効的なノイズの対称性が失われるわけではなく、変更された各物理量子ビットの計算基底軸や、具体的に採用したスタビライザー符号や対称性のあるノイズの性質によっては対称性のあるノイズの影響を実効的に低減できない場合もある。 However, if the calculation base axis of each physical qubit is arbitrarily changed, the effective noise symmetry is not lost for any stabilizer code, the calculation base axis of each changed physical qubit and Depending on the specifically adopted stabilizer code and the nature of the symmetric noise, the influence of the symmetric noise may not be effectively reduced.
そのため、本発明では、各物理量子ビットの計算基底軸の方向を物理量子ビット毎に変更し、特定のスタビライザー符号を適用して符号化した場合におけるフィデリティを解析的に評価し、対称性のあるノイズの影響の低減が確認された場合にのみ、変更された各物理量子ビットの計算基底軸の方向を採用する。 Therefore, in the present invention, the direction of the calculation base axis of each physical qubit is changed for each physical qubit, and the fidelity in the case of encoding by applying a specific stabilizer code is analytically evaluated to be symmetrical. Only when the reduction of the influence of noise is confirmed, the direction of the calculation base axis of each changed physical qubit is adopted.
本発明では、従来よりも少ない物理量子ビットを用い、対称性のあるノイズとランダムなノイズとの古典的な混合からなるノイズに対する誤り訂正を行うことが可能となる。 In the present invention, it is possible to perform error correction for noise consisting of a classic mixture of symmetrical noise and random noise using fewer physical qubits than in the past.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
〔記号・用語の定義〕
まず、記号・用語の定義を行う。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Definition of symbols and terms]
First, symbols and terms are defined.
[一般記号]
まず、以下で使用する一般記号について定義する。
i:虚数単位。
I:2×2の単位行列。
α*:値αと複素共役な値。
β+:行列βの共役転置行列。
(×): テンソル積演算子。
β(×)α:α個の行列βのテンソル積。
|η|:ベクトルηの大きさ。
O(α):ビッグオー記法(オーダー)。一変数実関数f(x),g(x)に対してf(x)=O(g(x))とは、
First, general symbols used below are defined.
i: Imaginary unit.
I: 2 × 2 identity matrix.
α * : Value that is complex conjugate with the value α.
β + : conjugate transpose matrix of matrix β.
(×): Tensor product operator.
β (×) α : tensor product of α matrices β.
| η |: The magnitude of the vector η.
O (α): Big-o notation (order). F (x) = O (g (x)) for a single variable real function f (x), g (x)
o(α):スモールオー記法。一変数実関数f(x),g(x)に対してf(x)=o(g(x))とは、
[量子ビット]
次に、量子ビットについて定義する。物理量子ビットとは、量子二準位系(量子力学的な2つの状態をとる系)を意味する。例えば、原子の核スピンや量子ドット中の電子スピンや光子の偏光等が物理量子ビットに相当する。以下では、量子計算に用いられる物理量子ビット数をn (n≧2)とし、j〔j∈{1,...,n}, n≧2〕番目の物理量子ビットをQjと表記する。
また、物理量子ビットの計算基底軸とは、 各物理量子ビットの量子力学的な2つの状態を定義するための3次元座標軸を意味する。例えば、一般的なスピンの測定軸は計算基底軸のZ軸である。
[Quantum bit]
Next, quantum bits are defined. A physical qubit means a quantum two-level system (a system that takes two quantum mechanical states). For example, atomic nuclear spins, electron spins in quantum dots, photon polarization, and the like correspond to physical qubits. In the following, the number of physical qubits used in quantum computation is n (n ≧ 2), and the j [j∈ {1, ..., n}, n ≧ 2] -th physical qubit is denoted as Q j .
The calculation base axis of the physical qubit means a three-dimensional coordinate axis for defining two quantum mechanical states of each physical qubit. For example, the general measurement axis of spin is the Z axis of the calculation base axis.
論理量子ビットとは、複数の物理量子ビットから構成された量子計算における基本単位を意味する。以下では、スタビライザー符号によってn個の物理量子ビットを用いてk(k≧1)個の論理量子ビットを構成するものとする。 The logical qubit means a basic unit in quantum computation composed of a plurality of physical qubits. In the following, it is assumed that k (k ≧ 1) logical qubits are configured using n physical qubits by a stabilizer code.
[量子状態]
次に、量子状態の表記について定義する。
各物理量子ビットは、古典的ビットの2値に対応する状態の任意の重ね合わせ状態をとることができる。重ね合わせ状態とは、各物理量子ビットが古典的ビットの2値に対応する状態を同時にとることができる性質を意味し、この状態は古典的ビット値に対応する各量子状態をそれぞれ示す基底ベクトルの線形結合で表現される。例えば、n個の物理量子ビットは、t=2n個の量子状態φ1, φ2,…, φtの重ね合わせ状態をとることができ、それらの量子状態φ(状態ベクトル)は、以下のように量子状態φ1, φ2,…, φtをそれぞれ示す基底ベクトル|φ1>, |φ2>,…, |φt>の線形結合で表現される。
[Quantum state]
Next, the quantum state notation will be defined.
Each physical qubit can assume any superposition state corresponding to the binary value of the classical bit. The superposition state means the property that each physical qubit can take a state corresponding to the binary value of the classical bit at the same time. This state is a basis vector indicating each quantum state corresponding to the classical bit value. It is expressed by a linear combination of For example, n physical qubits can take t = 2 n superposed states of φ 1 , φ 2 ,..., Φ t , and their quantum state φ (state vector) is quantum state φ 1, φ 2, as ..., phi basis vectors indicating t respectively | φ 1>, | φ 2 >, ..., | is expressed by a linear combination of phi t>.
φ=c1|φ1>+c2|φ2>+…+ct|φt>(c1 2+c2 2+…+ct 2=1) …(1)
ここでc1, c2,..., ctは、複素数で表される各量子状態φ1, φ2,…, φtの係数であり、それらの2乗が各量子状態をとる確率を示す。また、|δ〉は量子状態を示す列ベクトル(縦ベクトル)を意味し、n個の物理量子ビットに対応する基底ベクトル|φ1>, |φ2>,…, |φt>は、それぞれt次元のベクトルとなる。そして、さらに式(1)は、基底ベクトルを省略して
Here, c 1 , c 2 ,..., C t are coefficients of each quantum state φ 1 , φ 2 ,..., Φ t represented by complex numbers, and the probability that their squares take each quantum state Indicates. Also, | δ> means a column vector (vertical vector) indicating a quantum state, and the basis vectors | φ 1 >, | φ 2 >, ..., | φ t > corresponding to n physical qubits are respectively This is a t-dimensional vector. Furthermore, equation (1) omits the basis vectors.
また、<δ|は|δ>と複素共役な行ベクトル(横ベクトル)を意味し、<φ|は以下のように表現される。
<φ|=(c1 *, c2 *,..., ct *) …(3)
また、<φ’|=(b1 *, b2 *,..., bt *)とすると、<φ|φ’>は以下の内積を意味する。
<φ | = (c 1 * , c 2 * , ..., c t * )… (3)
If <φ ′ | = (b 1 * , b 2 * ,..., B t * ), <φ | φ ′> means the following inner product.
本形態では、n個の物理量子ビットの一般的な量子状態をΦ(n)と表記し、その状態ベクトルを|Φ(n)>と表記する。特に、スタビライザー符号によってk個の論理量子ビットに符号化されたn個の物理量子ビットの量子状態ΦL (k)を示す列ベクトルである状態ベクトルを|ΦL (k)>と表記し、それと複素共役な行ベクトルを<ΦL (k)|と表記する。また、n個の物理量子ビットの一般的な密度行列を行列ρと表記する。 In this embodiment, a general quantum state of n physical qubits is expressed as Φ (n), and its state vector is expressed as | Φ (n) >. In particular, a state vector which is a column vector indicating the quantum state Φ L (k) of n physical qubits encoded into k logical qubits by a stabilizer code is denoted as | Φ L (k) > The complex conjugate row vector is expressed as <Φ L (k) |. A general density matrix of n physical qubits is denoted as a matrix ρ.
[演算ゲート]
次に、物理量子ビットに対する演算ゲートを定義する。
X:量子状態がh1|0>+h2|1>(h1,h2は複素数)である1つの量子ビットの量子状態をh2|0>+h1|1>に変換するパウリXゲート。パウリXゲートを行列表現(パウリ行列)すると以下のようになる(パウリXゲートの行列表現をパウリX行列と呼ぶことにする)。
Next, an operation gate for the physical qubit is defined.
X: Pauli that transforms the quantum state of one qubit whose quantum state is h 1 | 0> + h 2 | 1> (h 1 and h 2 are complex numbers) into h 2 | 0> + h 1 | 1> X gate. When the Pauli X gate is expressed as a matrix (Pauli matrix), it is as follows (the matrix expression of the Pauli X gate is referred to as a Pauli X matrix).
Y:量子状態がh1|0>+h2|1>である1つの量子ビットの量子状態を-i・h2|0>+i・h1|1>に変換するパウリYゲート。パウリYゲートを行列表現すると以下のようになる(パウリYゲートの行列表現をパウリY行列と呼ぶことにする)。
[スタビライザー符号]
スタビライザー符号とは、論理量子ビットに符号化された物理量子ビットの量子状態を示す状態ベクトルが、以下に示す演算子の集合であるスタビライザー(stabilizer:固定部分群)の各要素によって安定化されるベクトル空間を張るように論理量子ビットを構成し、ランダムなノイズに対する量子誤り訂正を可能とする技術を意味する(例えば、非特許文献1やNielsen and Chuang, "Quantum Computation and Quantum Information", Cambridge University Press等参照)。このスタビライザー符号により、ランダムなノイズに対する量子誤り訂正が可能となる。以下、スタビライザー符号の概要を示す。
[Stabilizer code]
A stabilizer code is a state vector indicating the quantum state of a physical qubit encoded into a logical qubit, which is stabilized by each element of a stabilizer (stabilizer: fixed subgroup) that is a set of operators shown below. This means a technology that enables logical error correction to random noise by configuring logical qubits to extend vector space (for example, Non-Patent Document 1, Nielsen and Chuang, "Quantum Computation and Quantum Information", Cambridge University) See Press etc.). This stabilizer code enables quantum error correction for random noise. The outline of the stabilizer code is shown below.
まず、係数因子±1,±iを伴ったパウリ行列X,Y,Zと単位行列Iとの組み合わせからなるn重テンソル積のすべてを、n個の物理量子ビットに働くパウリ群Gnと定義する。これはn個の物理量子ビットに生じるノイズ全体を示す。
Gn≡{σ1(×)σ2(×)…(×)σn|σj∈{±I,±iI,±X,±iX,±Y,±iY,±Z,±iZ}, j∈{1,...,n}} …(6)
First, define all n-fold tensor products consisting of combinations of Pauli matrices X, Y, Z with coefficient factors ± 1, ± i and unit matrix I as Pauli groups G n that work on n physical qubits To do. This shows the total noise generated in n physical qubits.
G n ≡ {σ 1 (×) σ 2 (×)… (×) σ n | σ j ∈ {± I, ± iI, ± X, ± iX, ± Y, ± iY, ± Z, ± iZ}, j∈ {1, ..., n}}… (6)
そして、与えられた符号空間CS上で実効的に無変換となるようなノイズ全体が成す可換群をスタビライザーと呼ぶ。すなわち、すべての|φ>∈CSに対して固有値が1(gr|φ>=|φ>)であり、互いに独立で可換なパウリ群Gnのn-k個の生成元gr(r∈{1,...,n-k})からなる部分群S∈Gnをスタビライザーと呼ぶ。なお、前述の通り、nは物理量子ビット数を示し、kは論理量子ビット数を示す。また、生成元gr∈Sが互いに独立とは、生成元gr∈S以外のすべてのSの生成元について固有ベクトルとなっている或るベクトルが、当該生成元gr∈Sについては固有ベクトルとなっていないという関係が、すべてのr∈{1,...,n-k}についてそれぞれ成り立つ関係をいう。 A commutative group formed by the entire noise that is effectively non-converted in a given code space CS is called a stabilizer. That is, for all | φ> ∈CS, the eigenvalue is 1 (g r | φ> = | φ>), and nk generators g r (r∈r) of the mutually independent and commutative Pauli group G n A subgroup S∈G n consisting of {1, ..., nk}) is called a stabilizer. As described above, n represents the number of physical qubits, and k represents the number of logical qubits. Furthermore, the generators g r ∈ S are independent from each other. A vector that is an eigen vector for all S generators other than the generator g r ∈ S is an eigen vector for the generator g r ∈ S. The relationship that does not hold holds for all r∈ {1, ..., nk}.
また、スタビライザーSの生成元は互いに独立であるため、スタビライザーSの生成元の積のみによって当該生成元以外の生成元(当該スタビライザーSの他の生成元)を表現することはできない。しかし、スタビライザーSの1以上の生成元と、パウリ群GnにおけるスタビライザーSの補集合の何れか1つの元(Iのn重テンソル積からなる元を除く)との積によって当該スタビライザーSの他の生成元を表現することはできる。すなわち、スタビライザーSの生成元gr, gμ∈Sに対して Further, since the generators of the stabilizer S are independent from each other, generators other than the generator (other generators of the stabilizer S) cannot be expressed only by the product of the generators of the stabilizer S. However, the other of the stabilizer S by the product of one or more generators of the stabilizer S and any one of the complements of the stabilizer S in the Pauli group G n (except for the element consisting of the n-fold tensor product of I) It is possible to represent the origin of That is, for the generators g r and g μ ∈ S of the stabilizer S
そして、前述のようにスタビライザーを定義する符号空間CSを構成するように論理量子ビットを構成して符号化を行うことをスタビライザー符号と呼ぶ。また、上述のようなn,k,dに対応するスタビライザー符号を[n,k,d] スタビライザー符号と呼ぶ。すなわち、当該スタビライザー符号によってk個の論理量子ビットに符号化されたn個の物理量子ビットの量子状態を示す状態ベクトル|ΦL (k)>は、|ΦL (k)>∈CSとなる。 In addition, as described above, encoding by configuring logical qubits so as to configure a code space CS that defines a stabilizer is called a stabilizer code. A stabilizer code corresponding to n, k, d as described above is referred to as an [n, k, d] stabilizer code. That is, the state vector | Φ L (k) > indicating the quantum state of n physical qubits encoded into k logical qubits by the stabilizer code becomes | Φ L (k) > ∈CS. .
このように論理量子ビットを構成した場合において、物理量子ビットに誤りが生じていなかったならば、すべての生成元gr∈Sについて状態ベクトル|ΦL (k)>に対する固有値は1になる(gr|ΦL (k)>=|ΦL (k)>)。一方、何れかの物理量子ビットに誤りが生じていたならば、何れかの生成元gr∈Sについて状態ベクトル|ΦL (k)>に対する固有値は-1となる(gr|ΦL (k)>= -|ΦL (k)>)。すなわち、スタビライザーSの各生成元gr∈Sで状態ベクトル|ΦL (k)>を観測し、その観測値がすべて1であれば物理量子ビットに誤りが生じていないことが分かり、何れかの観測値が-1であれば何れかの物理量子ビットに誤りが生じていることが分かる。 In the case where the logical qubit is configured in this way, if no error has occurred in the physical qubit, the eigenvalue for the state vector | Φ L (k) > is 1 for all generators g r ∈S ( g r | Φ L (k) > = | Φ L (k) >). On the other hand, if an error has occurred in any physical qubit, the eigenvalue for the state vector | Φ L (k) > for any generator g r ∈S is −1 (g r | Φ L ( k) > =-| Φ L (k) >). That is, when the state vector | Φ L (k) > is observed at each generator g r ∈ S of the stabilizer S and all of the observed values are 1, it can be seen that no error has occurred in the physical qubit. If the observed value of -1 is -1, it can be seen that an error has occurred in one of the physical qubits.
そして、誤りが生じている物理量子ビット数がd/2以下であれば、誤りが生じている物理量子ビットとその誤りが特定でき、誤り訂正を行うことができる。この誤り訂正は、特定された誤りを補正するための演算(係数因子±1,±iを伴ったパウリ行列X,Y,Z演算)を、誤りが生じている物理量子ビットに適用することによって行われる。この演算に対応する写像をCPTP(completely positive trace preserving)写像と呼び、Cと表現することにする。また、C(ρ)は以下を意味する。
また、スタビライザー符号において、ノイズによって有限個の物理量子ビットに生じた誤りが完全に修正できるという性質は、結果として「ある一定量よりも小さなノイズであれば如何なるノイズが物理量子ビットに作用した場合であっても、論理ビットのフィデリティ(忠実度)の低下は、物理量子ビットのフィデリティの低下よりも必ず小さくなる」ということを示している。すなわち、量子状態Φ(n)に作用するノイズによる物理量子ビット毎に無相関で一様な作用素をEq(・)とし、qを正の実数パラメータとし、
[対称性のあるノイズ]
また、量子状態Φ(n)に作用する対称性のあるノイズによる物理量子ビット毎に無相関で一様な作用素をEq(・)とし、密度行列ρに作用素Eq(・)を作用させた結果を
U(H)=I・cos h+i(H・S /h)sin h …(16)
であり、H・Sは、hx・X+hy・Y+hz・Zを意味する。なお、S=(X, Y, Z)であり、前述のように、XはパウリX行列であり、YはパウリY行列であり、ZはパウリZ行列である。
[Symmetric noise]
Also, let E q (•) be an uncorrelated and uniform operator for each physical qubit due to symmetric noise acting on the quantum state Φ (n) , and let the operator E q (•) act on the density matrix ρ. Result
U (H) = I ・ cos h + i (H ・ S / h) sin h… (16)
And H · S means h x · X + h y · Y + h z · Z. Note that S = (X, Y, Z), and as described above, X is a Pauli X matrix, Y is a Pauli Y matrix, and Z is a Pauli Z matrix.
このようなノイズは、スケーラブルな量子コンピュータにおいて、熱浴との相互作用のエネルギーの大きさに比べて十分小さい時間スケールで見た場合に、非常に起こりやすいノイズであると予想される。 Such a noise is expected to be very likely to occur in a scalable quantum computer when viewed on a time scale sufficiently smaller than the magnitude of the energy of interaction with the heat bath.
〔原理〕
次に、本形態の原理について説明する。
〔principle〕
Next, the principle of this embodiment will be described.
各物理量子ビットの計算基底軸(例えば、スピンの向きを定義するためのZ軸等)の方向は、すべての物理量子ビットに対して同一に設定されることが一般的である。しかし、計算基底軸が同一方向に設定された各物理量子ビットに対称性のあるノイズが作用した場合、各物理量子ビットへ作用するノイズは互いに同期することで強め合い、ノイズの影響が大きくなってしまう。そのため、スタビライザー符号のみでは十分な量子誤り訂正ができない場合がある。本形態では、通常同一方向に設定される各物理量子ビットの計算基底軸の方向を物理量子ビット毎に独立に変更し、それらの物理量子ビットを用いてスタビライザー符号を構成することで、この問題を解決する。 In general, the direction of the calculation base axis of each physical qubit (for example, the Z axis for defining the direction of spin) is set to be the same for all physical qubits. However, when symmetrical noise acts on each physical qubit whose calculation base axis is set in the same direction, the noise acting on each physical qubit is strengthened by synchronizing with each other, and the influence of the noise increases. End up. For this reason, sufficient quantum error correction may not be possible with only the stabilizer code. In this embodiment, the direction of the calculation base axis of each physical qubit that is normally set in the same direction is independently changed for each physical qubit, and the stabilizer code is configured using those physical qubits. To solve.
物理量子ビットの計算基底軸を変更することは、観測、論理量子ビット上の演算の物理量子ビット上での実装方法、及び、論理量子ビットの物理量子ビット上での実装方法を変更することに相当する。これを具体的に説明すると、まず、各物理量子ビットに同一の基準計算基底軸を設定し、j〔j∈{1,...,n}, n≧2〕番目の物理量子ビットQjの計算基底軸の回転(基準計算基底軸に対する回転)を示す2×2のユニタリー行列をVjとし、ユニタリー行列Vj (j∈{1,...,n})のテンソル積からなる行列をV=V1(×) …(×)Vnとする。この場合、行列Aで示される演算子によるj番目の物理量子ビットの観測は、行列Vj AVj +で示される演算子によるj番目の物理量子ビットの観測に変更され、行列Aで示される演算子によるj番目の物理量子ビットへの演算は、行列Vj AVj +で示される演算子によるj番目の物理量子ビットの演算に変更される。また、行列Bで示される2つの物理量子ビットQj,Qm〔m∈{1,...,n},m≠j〕に対する演算(例えば、C-NOT演算)は、{Vj(×)I}{I(×)Vm}B{I(×)Vm}+{Vj(×)I}+で示される2つの物理量子ビットQj,Qm〔m∈{1,...,n},m≠j〕に対する演算に変更される。さらに、論理量子ビットに符号化されたn個の物理量子ビットの状態ベクトル|ΦL (k)>は、V|ΦL (k)>に変更される。 Changing the calculation base axis of the physical qubit is to change the method of implementation on the physical qubit of the observation, the operation on the logical qubit, and the implementation method of the logical qubit on the physical qubit. Equivalent to. Specifically, first, the same reference calculation base axis is set for each physical qubit, and the j [j∈ {1, ..., n}, n ≧ 2] -th physical qubit Q j A matrix consisting of tensor products of unitary matrix V j (j∈ {1, ..., n}), where V j is a 2 × 2 unitary matrix that indicates the rotation of the calculation base axis (rotation relative to the reference calculation base axis) Is V = V 1 (×)... (×) V n . In this case, the observation of the j th physical qubit by the operator indicated by the matrix A is changed to the observation of the j th physical qubit by the operator indicated by the matrix V j AV j + , and is indicated by the matrix A The operation on the jth physical qubit by the operator is changed to the operation on the jth physical qubit by the operator indicated by the matrix V j AV j + . In addition, an operation (for example, C-NOT operation) on two physical qubits Q j , Q m [m∈ {1, ..., n}, m ≠ j] indicated by the matrix B is {V j ( ×) I} {I (× ) V m} B {I (×) V m} + {V j (×) I} + two physical qubit Q j indicated, Q m [m ∈ {1, ..., n}, m ≠ j]. Further, the state vector | Φ L (k) > of n physical qubits encoded in the logical qubit is changed to V | Φ L (k) >.
このような変更は、実効的には、量子符号を変更せずに、式(14)で表現される行列が
REq(ρ)=V+ Eq(VρV+)V …(17)
で表現される行列に変化したことと同等であるといえる。この変更によってノイズの対称性が実効的に失われれば、各物理量子ビットに作用するノイズが同期することで強め合うことがなくなり、対称性のあるノイズの影響を小さく抑えることができる。
Effectively, such a change does not change the quantum code, and the matrix expressed by Equation (14)
RE q (ρ) = V + E q (VρV + ) V… (17)
It can be said that it is equivalent to changing to a matrix expressed by. If the noise symmetry is effectively lost by this change, the noise acting on each physical qubit will not be intensified by synchronization, and the influence of the symmetric noise can be kept small.
ただ、任意にユニタリー行列VjとVとを設定した場合に如何なるスタビライザー符号に対して実効的なノイズの対称性が失われるわけではなく、ユニタリー行列VjとVや、具体的に採用したスタビライザー符号や、対称性のあるノイズの性質によっては対称性のあるノイズの影響を低減できない場合もある。 However, when the unitary matrices V j and V are arbitrarily set, the effective noise symmetry is not lost for any stabilizer code, but the unitary matrices V j and V and the stabilizers specifically adopted Depending on the sign and the nature of the symmetric noise, the influence of the symmetric noise may not be reduced.
そのため、本形態では、各物理量子ビットの計算基底軸の方向を物理量子ビット毎に独立に変更し、特定のスタビライザー符号を適用して符号化した場合におけるフィデリティ(量子誤りの無い状態に対する、対称性のあるノイズによる量子誤りを訂正した後の状態のフィデリティ)を解析的に評価し、対称性のあるノイズの影響の低減が確認された場合にのみ、変更された各物理量子ビットの計算基底軸の方向を採用する。具体的には、式(9)のオーダーの項をV=V1(×) …(×)Vnの関数として具体的に評価し、すべてのj∈{1,...,n}についてVj=Iとした場合(Vが2n×2nの単位行列である場合)よりもフィデリティが大きくなる場合にのみユニタリー行列Vj及びV=V1(×) …(×)Vnを採用する。より具体的には、
REq(|ΦL (k)><ΦL (k)|)=V+Eq(V|ΦL (k)><ΦL (k)|V+)V …(18)
とした場合におけるフィデリティ
Therefore, in this embodiment, fidelity (symmetric with respect to the state without quantum error) when the direction of the calculation base axis of each physical qubit is independently changed for each physical qubit and coding is performed by applying a specific stabilizer code. The computational basis of each modified physical qubit is only evaluated analytically by evaluating the fidelity of the state after correcting the quantum error due to characteristic noise and reducing the effects of symmetric noise. Adopt the direction of the axis. Specifically, the order terms in equation (9) are evaluated specifically as a function of V = V 1 (×)… (×) V n , and all j∈ {1, ..., n} The unitary matrix V j and V = V 1 (×)… (×) V n are used only when the fidelity is larger than when V j = I (when V is a unit matrix of 2 n × 2 n ). adopt. More specifically,
RE q (| Φ L (k) ><Φ L (k) |) = V + E q (V | Φ L (k) ><Φ L (k) | V + ) V… (18)
Fidelity
〔第1実施形態〕
次に、本発明の第1実施形態を説明する。
<構成>
図1は、第1実施形態の計算基底軸設定装置10の機能構成を示したブロック図である。
図1に示すように、本形態の計算基底軸設定装置10は、記憶部11と、入力部12と、計算基底軸設定部13と、計算基底軸評価部14と、出力部16と、制御部17とを有する。なお、計算基底軸設定装置10は、制御部17の制御のもと各処理を実行する。
図2は、第1実施形態の計算基底軸設定装置10のハードウェア構成を例示したブロック図である。
[First Embodiment]
Next, a first embodiment of the present invention will be described.
<Configuration>
FIG. 1 is a block diagram illustrating a functional configuration of a calculation base
As shown in FIG. 1, the calculation base
FIG. 2 is a block diagram illustrating a hardware configuration of the calculation base
図2に例示するように、本形態の計算基底軸設定装置10は、CPU(Central Processing Unit)10a、出力部10b、出力部10c、RAM(Random Access Memory)10d、ROM(Read Only Memory)10e、補助記憶装置10f及びバス10gを有している。CPU10aは、制御部10aa、演算部10ab及びレジスタ10acを有し、レジスタ10acに読み込まれた各種プログラムに従って様々な演算処理を実行する。また、RAM10dは、所定のプログラムが格納されるプログラム領域10da及び各種データが格納されるデータ領域10dbを有している。また、補助記憶装置10fは、例えば、所定のプログラムが格納されるプログラム領域10fa及び各種データが格納されるデータ領域10fbを有している。また、バス10gは、CPU10a、出力部10b、通信部10c、RAM10d、ROM10e及び補助記憶装置10fを、情報のやり取りが可能なように接続する。
As illustrated in FIG. 2, the calculation base
また、CPU10aは、読み込まれたOS(Operating System)プログラムに従い、補助記憶装置10fのプログラム領域10faに格納されているプログラムをRAM10dのプログラム領域10daに書き込む。同様にCPU10aは、補助記憶装置10fのデータ領域10fbに格納されている各種データを、RAM10dのデータ領域10dbに書き込む。そして、このプログラムやデータが書き込まれたRAM10d上のアドレスがCPU10aのレジスタ10acに格納される。CPU10aの制御部10abは、レジスタ10acに格納されたこれらのアドレスを順次読み出し、読み出したアドレスが示すRAM10d上の領域からプログラムやデータを読み出し、そのプログラムが示す演算を演算部10abに順次実行させ、その演算結果をレジスタ10acに格納していく。
The CPU 10a writes the program stored in the program area 10fa of the auxiliary storage device 10f in the program area 10da of the
このような構成により、図1に例示した計算基底軸設定装置10の機能構成が実現される。すなわち、図1の記憶部11は、図2の補助記憶装置10fのデータ領域10fb、RAM10dのデータ領域10db、CPU10aのレジスタ10ac、その他のバッファメモリやキャッシュメモリ等の何れか、或いはこれらを併用した記憶領域に相当する。また、図1の入力部12及び出力部16は、それぞれ、上述のプログラムが読み込まれたCPU10aの制御のもとで駆動する図2の入力部10b及び出力部10cに相当する。また、図1の計算基底設定部13と計算基底軸評価部14と制御部17とは、それぞれ上述のプログラムが読み込まれたCPU10aである。
With this configuration, the functional configuration of the calculation base
<処理>
次に、本形態の処理について説明する。
本形態では、特定の[n,k,d] スタビライザー符号によってn個の物理量子ビットをk(n>k≧1)個の論理量子ビットに符号化する際に適用される処理を説明する。
図3は、第1実施形態の処理を説明するためのフローチャートである。
<Processing>
Next, the processing of this embodiment will be described.
In the present embodiment, a process applied when encoding n physical qubits into k (n> k ≧ 1) logical qubits using a specific [n, k, d] stabilizer code will be described.
FIG. 3 is a flowchart for explaining the processing of the first embodiment.
まず、計算基底軸設定装置10(図1)の入力部12に、特定の[n,k,d] スタビライザー符号によってk(n>k≧1)個の論理量子ビットに符号化されたn個の物理量子ビットの量子状態を示す列ベクトルが張るベクトル空間を特定する符号空間情報CSと、当該[n,k,d]スタビライザー符号の誤り訂正に対応するCPTP写像Cとが入力され、これらのデータが記憶部11に格納される(ステップS1)。なお、符号空間情報CSとしては、例えば、当該特定の[n,k,d] スタビライザー符号によって符号化された論理量子ビットの論理的な基底ベクトルを示す、物理量子ビットの状態ベクトルを例示できる。
First, n pieces encoded into k (n> k ≧ 1) logical qubits by a specific [n, k, d] stabilizer code are input to the
次に、計算基底軸設定部13が、各物理量子ビットに共通の基準計算基底軸に対する、j〔j∈{1,...,n}, n≧2〕番目の物理量子ビットQjの計算基底軸の回転を示す2×2のユニタリー行列Vjを設定する。なお、本形態の計算基底軸は、3次元空間上のX軸,Y軸及びZ軸である。
Next, the calculation base
また、各ユニタリー行列Vjは、物理量子ビットQj毎に独立に設定されることが望ましい。一般的に、対称性のあるノイズの影響を低減できる可能性が高まるからである。また、各ユニタリー行列Vjの設定は、例えば、ランダムに2×2のユニタリー行列をn個生成し、それらを各ユニタリー行列Vjとすることによって行われてもよいし、予め設定された2×2のユニタリー行列の中からn個のユニタリー行列を選択し、それらを各ユニタリー行列Vjとしてもよい。また、例えば、ステップS2〜S4のループに最速降下法(Steepest descent method)を適用し、各ユニタリー行列Vjの初期行列は任意に設定し、最速降下法で規定された更新方法に従って各ユニタリー行列Vjを更新してもよい。 Each unitary matrix V j is desirably set independently for each physical quantum bit Q j . This is because the possibility of reducing the influence of symmetrical noise is generally increased. The setting of the unitary matrix V j, for example, a random 2 × 2 unitary matrix by n number generation, to them may be performed by each unitary matrix V j, preset 2 It is also possible to select n unitary matrices from the × 2 unitary matrix and use them as each unitary matrix V j . Also, for example, the fastest descent method is applied to the loop of steps S2 to S4, the initial matrix of each unitary matrix V j is arbitrarily set, and each unitary matrix is set according to the update method defined by the fastest descent method. V j may be updated.
次に、計算基底軸評価部14が、記憶部11から、符号空間情報CSと、CPTP写像Cと、ステップS2で設定された各ユニタリー行列Vjとを読み込む。そして、計算基底軸評価部14は、これらを用いて式(19)に示すフィデリティ(量子誤りの無い状態に対する、対称性のあるノイズによる量子誤りを訂正した後の状態のフィデリティ)に基づき、計算基底軸設定部13で設定されたユニタリー行列Vjを採用するか否かを判定し、その判定結果を制御部17に出力する(ステップS3)。以下、ステップS3の判定方法を例示する。
Next, the calculation base
[ステップS3の判定方法1]
この例の計算基底軸評価部14は、すべてのj∈{1,...,n}についてVj=Iとした場合よりもフィデリティが大きくなるユニタリー行列Vjを採用する。すなわち、行列Vに従って計算基底軸を回転させることにより対称性のあるノイズの影響を低減させることができる行列Vを選択する。
[Determination Method 1 in Step S3]
The calculation base
具体的には、まず、(A)計算基底軸評価部14は、記憶部11から読み込んだ、符号空間情報CSとCPTP写像CとステップS2で設定された各ユニタリー行列Vjとを入力として式(21)の値EV(V)を算出する。(B)次に、計算基底軸評価部14は、当該符号空間情報CSとCPTP写像CとVj=I(すべてのj∈{1,...,n})とを入力として式(21)の値RVを算出する。(C)そして、計算基底軸評価部14は、値EVが値RVよりも小さい場合にステップS2で設定された各ユニタリー行列Vjを採用すると判定し、値EVが値RV以上の場合にステップS2で設定された各ユニタリー行列Vjを採用しないと判定し、判定結果を制御部17に出力する。
Specifically, first, (A) the calculation base
[ステップS3の判定方法2]
この例の計算基底軸評価部14は、最速降下法を用いて各ユニタリー行列Vjを評価する。この場合、例えば、ステップS1で入力された符号空間情報CSとCPTP写像Cとが代入され、各ユニタリー行列Vjを特定するための3n個(3nはn個のユニタリー行列Vjの自由度)の要素からなるベクトルvx(V)=(vx1 (V), vx2 (V),..., vx3n (V))を変数とした式(21)の関数をEV(vx(V))とする。そして、EV(vx(V))の各vx1 (V), vx2 (V),..., vx3n (V)についての一階偏微分を∂EV(vx)/∂vx1 (V), EV(vx)/∂vx2 (V),...,∂EV(vx)/∂vx3n (V)とする。この例の計算基底軸評価部14は、ステップS2で設定された各ユニタリー行列Vjの時点における、各一階偏微分値∂EV(vx)/∂vx1 (V), EV(vx)/∂vx2 (V),...,∂EV(vx)/∂vx3n (V)を求め、これらすべての一階偏微分値の絶対値がそれぞれ所定の範囲内の値となった場合(又はこれらすべての一階偏微分値が0となった場合)にステップS2で設定された各ユニタリー行列Vjを採用すると判定し、そうならなければステップS2で設定された各ユニタリー行列Vjを採用しないと判定し、判定結果を制御部17に出力する。
[Determination method 2 in step S3]
The calculation base
なお、ステップS2で設定された各ユニタリー行列Vjを採用しないと判定された場合、当該ステップS2で設定された各ユニタリー行列Vjに対応するベクトルvx(V)=(vx1 (V), vx2 (V),..., vx3n (V))の各要素から、それに対応するSP・(∂EV(vx)/∂vx1 (V), EV(vx)/∂vx2 (V),...,∂EV(vx)/∂vx3n (V))の各要素をそれぞれ減じた値(SPは正のステップパラメータ)が、次のループのステップS2で設定される各ユニタリー行列Vjに対応するベクトルとなる(ステップS3の判定方法の例示終わり)。 If it is determined that each unitary matrix V j set in step S2 is not adopted, the vector vx (V) = (vx 1 (V) , corresponding to each unitary matrix V j set in step S2 vx 2 (V) , ..., vx 3n (V) ) and the corresponding SP ・ (∂EV (vx) / ∂vx 1 (V) , EV (vx) / ∂vx 2 (V ) , ..., ∂EV (vx) / ∂vx 3n (V) ) Each unitary matrix set by subtracting values (SP is a positive step parameter) in step S2 of the next loop It becomes a vector corresponding to V j (end of the example of the determination method in step S3).
次に、制御部17は、計算基底軸評価部14から出力された判定結果が「設定された各ユニタリー行列Vjを採用しない」旨のものであった場合には、処理をステップS2に戻し、ステップS2〜S4のループを再び実行させる。一方、計算基底軸評価部14から出力された判定結果が「設定された各ユニタリー行列Vjを採用する」旨のものであった場合には、制御部17は、処理をステップS5に進める。
ステップS5では、最後にステップS2で算出された各ユニタリー行列Vj(j∈{1,...,n})が記憶部11から読み出され、出力部16に送られ、出力部16はこれらを出力する(ステップS5)。
Next, when the determination result output from the calculation base
In step S5, each unitary matrix V j (jε {1,..., N}) finally calculated in step S2 is read from the
<スティーン符号の例>
次に、スタビライザー符号としてスティーン(Steane)符号(例えば、A. M. Steane,“Active Stabilization, Quantum Computation, and Quantum State Synthesis”, Phys. Rev. Lett. 78 (1997) 2252等参照)を用いる場合を例示する。なお、スティーン符号は、[7,1,3] スタビライザー符号に分類される。スティーン符号によって構成された論理量子ビットの基底ベクトル(|0L>,|1L>)は、物理量子ビットの基底ベクトルを用いて次のように表現できる。なお、以下では、各物理量子ビットの基底ベクトルの係数の正規化を省略して表記する。また、係数が0になる物理量子ビットの基底ベクトルの項の記載も省略する。
|0L>= |0000000>+|0001111>+|0110011>+|0111100>+|1010101>+|1011010>
+|1100110>+|1101001>
|1L>= |1111111>+|1110000>+|1001100>+|1000011>+|0101010>+|0100101>
+|0011001>+|0010110>
<Example of Stein code>
Next, a case where a Steane code (for example, see AM Steane, “Active Stabilization, Quantum Computation, and Quantum State Synthesis”, Phys. Rev. Lett. 78 (1997) 2252, etc.) is used as a stabilizer code is illustrated. . The Stein code is classified as a [7,1,3] stabilizer code. A logical qubit basis vector (| 0 L >, | 1 L >) constituted by a Stein code can be expressed as follows using a physical qubit basis vector. In the following description, normalization of the coefficient of the basis vector of each physical qubit is omitted. Also, description of the term of the basis vector of the physical qubit whose coefficient is 0 is omitted.
| 0 L > = | 0000000> + | 0001111> + | 0110011> + | 0111100> + | 1010101> + | 1011010>
+ | 1100110> + | 1101001>
| 1 L > = | 1111111> + | 1110000> + | 1001100> + | 1000011> + | 0101010> + | 0100101>
+ | 0011001> + | 0010110>
この場合の量子状態を物理量子ビットの基底ベクトルを用いて表現すると以下のようになる。
ΦL (k)=h1|0L>+h2|1L>
= h1(|0000000>+|0001111>+|0110011>+|0111100>+|1010101>+|1011010>
+|1100110>+|1101001>)+ h2(|1111111>+|1110000>+|1001100>+|1000011>+|0101010>
+|0100101>+|0011001>+|0010110>) …(22)
そして、この例の状態ベクトル|ΦL (k)>は、式(22)の各基底ベクトルの係数(係数0も含む)を要素とする27次元の列ベクトルとなる。また、この例の符号空間情報CSは、例えば、上述の論理量子ビットの論理的な基底ベクトル|0L>,|1L>をそれぞれ示す、物理量子ビットの27次元状態ベクトルである。
The quantum state in this case is expressed as follows using a physical qubit basis vector.
Φ L (k) = h 1 | 0 L > + h 2 | 1 L >
= h 1 (| 0000000> + | 0001111> + | 0110011> + | 0111100> + | 1010101> + | 1011010>
+ | 1100110> + | 1101001>) + h 2 (| 1111111> + | 1110000> + | 1001100> + | 1000011> + | 0101010>
+ | 0100101> + | 0011001> + | 0010110>)… (22)
Then, the state vector in this example | Φ L (k)> is a 2 7-dimensional column vector the coefficients of the basis vectors of the formula (22) (coefficient including 0) and element. Also, code space information CS of this embodiment, for example, logical basis vectors of a logical qubit above | 0 L>, | showing 1 L>, respectively, is 2 7-dimensional state vector of physical qubits.
また、スティーン符号のスタビライザーの生成元は次のようになる。
g1=I(×)I(×)I(×)X(×)X(×)X(×)X
g2=I(×)X(×)X(×)I(×)I(×)X(×)X
g3=X(×)I(×)X(×)I(×)X(×)I(×)X …(23)
g4=I(×)I(×)I(×)Z(×)Z(×)Z(×)Z
g5=I(×)Z(×)Z(×)I(×)I(×)Z(×)Z
g6=Z(×)I(×)Z(×)I(×)Z(×)I(×)Z
The generator of the Stein code stabilizer is as follows.
g 1 = I (×) I (×) I (×) X (×) X (×) X (×) X
g 2 = I (×) X (×) X (×) I (×) I (×) X (×) X
g 3 = X (×) I (×) X (×) I (×) X (×) I (×) X… (23)
g 4 = I (×) I (×) I (×) Z (×) Z (×) Z (×) Z
g 5 = I (×) Z (×) Z (×) I (×) I (×) Z (×) Z
g 6 = Z (×) I (×) Z (×) I (×) Z (×) I (×) Z
そして、スティーン符号の誤り訂正は、量子状態Φを式(23)の6つの生成元によって観測し、その観測結果(g1|Φ>=δ1|Φ>,g2|Φ>=δ2|Φ>,...,g6|Φ>=δ6|Φ>とした場合のδ1,δ2,…,δ6)がすべて1ならばエラーは無いと認定し誤り訂正は行わない。一方、観測結果(δ1,δ2,…,δ6)の何れかが−1であったならば、それに応じてX,Z演算子を適宜作用させる。具体的には、左から(1-δ3)/2+(1-δ2)+2(1-δ2) 番目の物理量子ビット(j=(1-δ3)/2+(1-δ2)+2(1-δ2)の場合の物理量子ビットQj)にZ演算子を作用させ、さらに、左から(1-δ6)/2+(1-δ5)+2(1-δ4) 番目の物理量子ビット(j=(1-δ6)/2+(1-δ5)+2(1-δ4)の場合の物理量子ビットQj)にX演算子を作用させる。なお、スティーン符号の場合のCPTP写像C(ρ)は、式(8)のRτを以下のように設定した関数となる。 In the error correction of the Stein code, the quantum state Φ is observed by the six generators of the equation (23), and the observation result (g 1 | Φ> = δ 1 | Φ>, g 2 | Φ> = δ 2). | Φ>, ..., g 6 | Φ> = δ 6 | Φ> where δ 1 , δ 2 ,…, δ 6 ) are all 1, it is determined that there is no error and no error correction is performed. . On the other hand, if any of the observation results (δ 1 , δ 2 ,..., Δ 6 ) is −1, the X and Z operators are appropriately actuated accordingly. Specifically, the (1-δ 3 ) / 2 + (1-δ 2 ) +2 (1-δ 2 ) th physical qubit (j = (1-δ 3 ) / 2 + (1- The Z operator is applied to the physical qubit Q j ) in the case of δ 2 ) +2 (1-δ 2 ), and (1-δ 6 ) / 2 + (1-δ 5 ) +2 ( 1−δ 4 ) th physical qubit (physical qubit Q j in the case of j = (1-δ 6 ) / 2 + (1-δ 5 ) +2 (1-δ 4 )) Make it work. Note that the CPTP map C (ρ) in the case of a Stein code is a function in which R τ in equation (8) is set as follows.
Rτ=rxτ1・rzτ2 …(24)
rx0=2-3・(g1+I(×)7)(g2+I(×)7)(g3+I(×)7)
rx1=2-3・(g1+I(×)7)(g2+I(×)7)(g3-I(×)7)・Z(×)I(×)I(×)I(×)I(×)I(×)I
rx2=2-3・(g1+I(×)7)(g2-I(×)7)(g3+I(×)7)・I(×)Z(×)I(×)I(×)I(×)I(×)I
rx3=2-3・(g1+I(×)7)(g2-I(×)7)(g3-I(×)7)・I(×)I(×)Z(×)I(×)I(×)I(×)I
rx4=2-3・(g1-I(×)7)(g2+I(×)7)(g3+I(×)7)・I(×)I(×)I(×)Z(×)I(×)I(×)I
rx5=2-3・(g1-I(×)7)(g2+I(×)7)(g3-I(×)7)・I(×)I(×)I(×)I(×)Z(×)I(×)I
rx6=2-3・(g1-I(×)7)(g2-I(×)7)(g3+I(×)7)・I(×)I(×)I(×)I(×)I(×)Z(×)I
rx7=2-3・(g1-I(×)7)(g2-I(×)7)(g3-I(×)7)・I(×)I(×)I(×)I(×)I(×)I(×)Z
rz0=2-3・(g4+I(×)7)(g5+I(×)7)(g6+I(×)7)
rz1=2-3・(g4+I(×)7)(g5+I(×)7)(g6-I(×)7)・Z(×)I(×)I(×)I(×)I(×)I(×)I
rz2=2-3・(g4+I(×)7)(g5-I(×)7)(g6+I(×)7)・I(×)Z(×)I(×)I(×)I(×)I(×)I
rz3=2-3・(g4+I(×)7)(g5-I(×)7)(g6-I(×)7)・I(×)I(×)Z(×)I(×)I(×)I(×)I
rz4=2-3・(g4-I(×)7)(g5+I(×)7)(g6+I(×)7)・I(×)I(×)I(×)Z(×)I(×)I(×)I
rz5=2-3・(g1-I(×)7)(g5+I(×)7)(g6-I(×)7)・I(×)I(×)I(×)I(×)Z(×)I(×)I
rz6=2-3・(g4-I(×)7)(g5-I(×)7)(g6+I(×)7)・I(×)I(×)I(×)I(×)I(×)Z(×)I
rz7=2-3・(g4-I(×)7)(g5-I(×)7)(g6-I(×)7)・I(×)I(×)I(×)I(×)I(×)I(×)Z
ただし、τ=1,...,64であり、各Rτは、上述の行列rxτ1と行列rzτ2とのすべての組み合わせについての式(24)で示す各行列積である。
R τ = rx τ1・ rz τ2 (24)
rx 0 = 2 -3・ (g 1 + I (×) 7 ) (g 2 + I (×) 7 ) (g 3 + I (×) 7 )
rx 1 = 2 -3・ (g 1 + I (×) 7 ) (g 2 + I (×) 7 ) (g 3 -I (×) 7 ) ・ Z (×) I (×) I (×) I (×) I (×) I (×) I
rx 2 = 2 -3・ (g 1 + I (×) 7 ) (g 2 -I (×) 7 ) (g 3 + I (×) 7 ) ・ I (×) Z (×) I (×) I (×) I (×) I (×) I
rx 3 = 2 -3・ (g 1 + I (×) 7 ) (g 2 -I (×) 7 ) (g 3 -I (×) 7 ) ・ I (×) I (×) Z (×) I (×) I (×) I (×) I
rx 4 = 2 -3・ (g 1 -I (×) 7 ) (g 2 + I (×) 7 ) (g 3 + I (×) 7 ) ・ I (×) I (×) I (×) Z (×) I (×) I (×) I
rx 5 = 2 -3・ (g 1 -I (×) 7 ) (g 2 + I (×) 7 ) (g 3 -I (×) 7 ) ・ I (×) I (×) I (×) I (×) Z (×) I (×) I
rx 6 = 2 -3・ (g 1 -I (×) 7 ) (g 2 -I (×) 7 ) (g 3 + I (×) 7 ) ・ I (×) I (×) I (×) I (×) I (×) Z (×) I
rx 7 = 2 -3・ (g 1 -I (×) 7 ) (g 2 -I (×) 7 ) (g 3 -I (×) 7 ) ・ I (×) I (×) I (×) I (×) I (×) I (×) Z
rz 0 = 2 -3・ (g 4 + I (×) 7 ) (g 5 + I (×) 7 ) (g 6 + I (×) 7 )
rz 1 = 2 -3・ (g 4 + I (×) 7 ) (g 5 + I (×) 7 ) (g 6 -I (×) 7 ) ・ Z (×) I (×) I (×) I (×) I (×) I (×) I
rz 2 = 2 -3・ (g 4 + I (×) 7 ) (g 5 -I (×) 7 ) (g 6 + I (×) 7 ) ・ I (×) Z (×) I (×) I (×) I (×) I (×) I
rz 3 = 2 -3・ (g 4 + I (×) 7 ) (g 5 -I (×) 7 ) (g 6 -I (×) 7 ) ・ I (×) I (×) Z (×) I (×) I (×) I (×) I
rz 4 = 2 -3・ (g 4 -I (×) 7 ) (g 5 + I (×) 7 ) (g 6 + I (×) 7 ) ・ I (×) I (×) I (×) Z (×) I (×) I (×) I
rz 5 = 2 -3・ (g 1 -I (×) 7 ) (g 5 + I (×) 7 ) (g 6 -I (×) 7 ) ・ I (×) I (×) I (×) I (×) Z (×) I (×) I
rz 6 = 2 -3・ (g 4 -I (×) 7 ) (g 5 -I (×) 7 ) (g 6 + I (×) 7 ) ・ I (×) I (×) I (×) I (×) I (×) Z (×) I
rz 7 = 2 -3・ (g 4 -I (×) 7 ) (g 5 -I (×) 7 ) (g 6 -I (×) 7 ) ・ I (×) I (×) I (×) I (×) I (×) I (×) Z
However, τ = 1,..., 64, and each R τ is each matrix product represented by the equation (24) for all combinations of the matrix rx τ1 and the matrix rz τ2 described above.
この場合、式(21)に含まれる関数f(Hj)は、Hj=Hのとき(すべてのjについてユニタリー行列Vj=Iであることに相当する)に最大の値28.9333となる。よって、ステップS2において、少なくとも何れかのjについてI以外のユニタリー行列Vjが選択されていれば、量子符号に対するノイズ耐性が向上し、ステップS4において行列Vを採用する旨の判断がなされる。 In this case, the function f (H j ) included in the equation (21) has a maximum value of 28.9333 when H j = H (corresponding to unitary matrix V j = I for all j). Therefore, if a unitary matrix V j other than I is selected for at least any j in step S2, the noise resistance against the quantum code is improved, and a determination is made in step S4 that the matrix V is adopted.
また、ステップS2において
〔第2実施形態〕
本形態は、第1実施形態の応用例であり、第1実施形態と同様な処理によって採用すると判定されたユニタリー行列Vjを用い、スタビライザー符号を変更する処理を付加したものである。以下では、第1実施形態との相違点を中心に説明し、第1実施形態と共通する事項については説明を省略する。
[Second Embodiment]
The present embodiment is an application example of the first embodiment, and uses a unitary matrix V j determined to be adopted by the same processing as that of the first embodiment and adds a process of changing the stabilizer code. Below, it demonstrates centering around difference with 1st Embodiment, and abbreviate | omits description about the matter which is common in 1st Embodiment.
<構成>
図4は、第2実施形態の計算基底軸設定装置20の機能構成を示したブロック図である。なお、図4において第1実施形態の計算基底軸設定装置10と共通する部分については図1と同じ符号を付している。
<Configuration>
FIG. 4 is a block diagram illustrating a functional configuration of the calculation base
図4に示すように、本形態の計算基底軸設定装置20は、記憶部11と、入力部12と、計算基底軸設定部13と、計算基底軸評価部14と、量子回路情報修正部25と、出力部16と、制御部17とを有する。なお、計算基底軸設定装置20は、制御部17の制御のもと各処理を実行する。なお、第1実施形態と同様、本形態の計算基底軸設定装置20も公知のコンピュータに所定のプログラムが読み込まれることによって構成される装置であり、量子回路変更部25は、所定のプログラムが読み込まれたCPUに相当する。
As shown in FIG. 4, the calculation base
<処理>
次に、本形態の処理について説明する。
本形態でも、特定の[n,k,d] スタビライザー符号によってn個の物理量子ビットをk(n>k≧1)個の論理量子ビットに符号化する際に適用される処理を説明する。
図5は、第2実施形態の処理を説明するためのフローチャートである。
まず、計算基底軸設定装置20(図4)の入力部12に、特定の[n,k,d] スタビライザー符号によってk(n>k≧1)個の論理量子ビットに符号化されたn個の物理量子ビットの量子状態を示す列ベクトルが張るベクトル空間を特定する符号空間情報CSと、当該[n,k,d]スタビライザー符号の誤り訂正に対応するCPTP写像Cとが入力され、これらのデータが記憶部11に格納される(ステップS11)。
<Processing>
Next, the processing of this embodiment will be described.
Also in this embodiment, a process applied when encoding n physical qubits into k (n> k ≧ 1) logical qubits using a specific [n, k, d] stabilizer code will be described.
FIG. 5 is a flowchart for explaining the processing of the second embodiment.
First, n pieces encoded into k (n> k ≧ 1) logical qubits by a specific [n, k, d] stabilizer code are input to the
さらに、本形態では、計算基底軸設定装置20の入力部12に、すべてのj∈{1,...,n}に対してVj=Iである場合の上記のスタビライザー符号によって構成された量子回路に設定される初期量子状態を示す状態ベクトル|Φ>と、当該量子回路が具備する1つの物理量子ビットQjに対する演算(観測も含む)を示す行列A及び/又は2つの物理量子ビットQj,Qm〔m∈{1,...,n},m≠j〕に対する演算を示す行列Bと、を含む基準量子回路情報QCが入力され、当該基準量子回路情報QCが記憶部11に格納される(ステップS12)。なお、1つの物理量子ビットQjに対する演算と、2つの物理量子ビットQj,Qmに対するC-NOT演算とによって、全ての量子演算ゲートを構成することが可能である。また、量子回路とは、初期量子状態に設定された複数の物理量子ビットに対し、所定の順序で複数の演算を作用させる量子計算機構を意味する。
Further, in this embodiment, the
次に、第1実施形態のステップS2,S3の処理が実行される(ステップS13,S14)。
次に、制御部17は、ステップS14で計算基底軸評価部14から出力された判定結果が「設定された各ユニタリー行列Vjを採用しない」旨のものであった場合には、処理をステップS13に戻し、ステップS13〜S15のループを再び実行させる。一方、計算基底軸評価部14から出力された判定結果が「設定された各ユニタリー行列Vjを採用する」旨のものであった場合には、制御部17は、処理をステップS16に進める。
Next, the process of step S2, S3 of 1st Embodiment is performed (step S13, S14).
Next, when the determination result output from the calculation base
ステップS16では、量子回路情報修正部25が、計算基底軸設定部14で設定されたユニタリー行列Vjを用い、基準量子回路情報QCを修正量子回路情報RQCに変更する。すなわち、量子回路情報修正部25は、記憶部11から、計算基底軸設定部14で設定されたユニタリー行列Vjと、基準量子回路情報QCとを読み込み、当該ユニタリー行列Vjを用い、基準量子回路情報QCが具備する初期量子状態を示す状態ベクトル|Φ>をV|Φ>に変更し、1つの物理量子ビットQjに対する演算を示す行列Aを行列VjAVj +に変更し、2つの物理量子ビットQj,Qm〔m∈{1,...,n},m≠j〕に対する演算を示す行列Bを、
{Vj(×)I}{I(×)Vm}B{I(×)Vm}+{Vj(×)I}+
に変更して、修正量子回路情報RQCを生成し、当該修正量子回路情報RQCを記憶部11に格納する(ステップS16)。
In step S16, the quantum circuit
{V j (×) I} {I (×) V m } B {I (×) V m } + {V j (×) I} +
The modified quantum circuit information RQC is generated, and the modified quantum circuit information RQC is stored in the storage unit 11 (step S16).
その後、記憶部11から読み出された修正量子回路情報RQCが出力部16に送られ、出力部16は、当該修正量子回路情報RQCを出力する。このように出力された修正量子回路情報RQCに基づき、量子計算機の初期量子状態や演算ゲートを設定することにより、ノイズ耐性の高い量子計算機を構成することができる。なお、物理量子ビット、量子状態の初期化処理、演算ゲート、観測等を実現する量子計算機の物理系としては、例えば、液体中の各スピンを用いる方法(Gershenfield, Chuang, Bulk spin resonance quantum computation, Science, 275;350, 1997)、シリコン結晶中の核スピンを用いる方法(B. E. Kane, A silicon-based nuclear spin quantum computer, Nature 393, 133, 1998)、量子ドット中の電子スピンを用いる方法(D. Loss and D. P. DiVincenzo, Quantum computation with quantum dots, Physical Review A 57, 120-126, 1998)、光子を用いる方法(Y. Nakamura, M. Kitagawa, K. Igeta, In 3-rd Proc. Asia-Pacific Phys. Comf., World Scientific, Singapore, 1988)等を例示できる。また、それぞれの物理系に対する量子コンピュータの実現方法については、「M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press, Chapter 7 Physical Realization」に詳しい。
Thereafter, the modified quantum circuit information RQC read from the
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。
また、上述の構成をコンピュータによって実現する場合、各装置が有すべき機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、処理機能がコンピュータ上で実現される。
Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.
Further, when the above-described configuration is realized by a computer, processing contents of functions that each device should have are described by a program. And a processing function is implement | achieved on a computer by running this program with a computer.
この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよいが、具体的には、例えば、磁気記録装置として、ハードディスク装置、フレキシブルディスク、磁気テープ等を、光ディスクとして、DVD(Digital Versatile Disc)、DVD−RAM(Random Access Memory)、CD−ROM(Compact Disc Read Only Memory)、CD−R(Recordable)/RW(ReWritable)等を、光磁気記録媒体として、MO(Magneto-Optical disc)等を、半導体メモリとしてEEP−ROM(Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory)等を用いることができる。 The program describing the processing contents can be recorded on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may be any medium such as a magnetic recording device, an optical disk, a magneto-optical recording medium, or a semiconductor memory. Specifically, for example, the magnetic recording device may be a hard disk device or a flexible Discs, magnetic tapes, etc. as optical disks, DVD (Digital Versatile Disc), DVD-RAM (Random Access Memory), CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), CD-R (Recordable) / RW (ReWritable), etc. As the magneto-optical recording medium, MO (Magneto-Optical disc) or the like can be used, and as the semiconductor memory, EEP-ROM (Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory) or the like can be used.
また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したDVD、CD−ROM等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。 The program is distributed by selling, transferring, or lending a portable recording medium such as a DVD or CD-ROM in which the program is recorded. Furthermore, the program may be distributed by storing the program in a storage device of the server computer and transferring the program from the server computer to another computer via a network.
このようなプログラムを実行するコンピュータは、例えば、まず、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、一旦、自己の記憶装置に格納する。そして、処理の実行時、このコンピュータは、自己の記録媒体に格納されたプログラムを読み取り、読み取ったプログラムに従った処理を実行する。また、このプログラムの別の実行形態として、コンピュータが可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することとしてもよく、さらに、このコンピュータにサーバコンピュータからプログラムが転送されるたびに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することとしてもよい。また、サーバコンピュータから、このコンピュータへのプログラムの転送は行わず、その実行指示と結果取得のみによって処理機能を実現する、いわゆるASP(Application Service Provider)型のサービスによって、上述の処理を実行する構成としてもよい。なお、本形態におけるプログラムには、電子計算機による処理の用に供する情報であってプログラムに準ずるもの(コンピュータに対する直接の指令ではないがコンピュータの処理を規定する性質を有するデータ等)を含むものとする。 A computer that executes such a program first stores, for example, a program recorded on a portable recording medium or a program transferred from a server computer in its own storage device. When executing the process, the computer reads a program stored in its own recording medium and executes a process according to the read program. As another execution form of the program, the computer may directly read the program from a portable recording medium and execute processing according to the program, and the program is transferred from the server computer to the computer. Each time, the processing according to the received program may be executed sequentially. Also, the program is not transferred from the server computer to the computer, and the above-described processing is executed by a so-called ASP (Application Service Provider) type service that realizes the processing function only by the execution instruction and result acquisition. It is good. Note that the program in this embodiment includes information that is used for processing by an electronic computer and that conforms to the program (data that is not a direct command to the computer but has a property that defines the processing of the computer).
また、この形態では、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより、本装置を構成することとしたが、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。 In this embodiment, the present apparatus is configured by executing a predetermined program on a computer. However, at least a part of these processing contents may be realized by hardware.
本発明の産業上の利用分野としては、量子コンピュータの誤り訂正機能を例示できる。 As an industrial application field of the present invention, an error correction function of a quantum computer can be exemplified.
10,20 計算基底設定装置 10,20 Calculation base setting device
Claims (8)
記憶部と、
各物理量子ビットに共通の基準計算基底軸に対する、j〔j∈{1,...,n}, n≧2〕番目の物理量子ビットQjの計算基底軸の回転を示す2×2のユニタリー行列Vjを設定し、当該ユニタリー行列Vjを上記記憶部に格納する計算基底軸設定部と、
上記記憶部から上記計算基底軸設定部で設定されたユニタリー行列Vjを読み込み、テンソル積演算子を(×)とし、ユニタリー行列Vj(j∈{1,...,n})のテンソル積からなる行列をV=V1(×) …(×)Vnとし、スタビライザー符号によってk(n>k≧1)個の論理量子ビットに符号化されたn個の物理量子ビットの量子状態を示す列ベクトルである状態ベクトルを|ΦL (k)>とし、それと複素共役な行ベクトルを<ΦL (k)|とし、n個の物理量子ビットの密度行列を行列ρとし、当該スタビライザー符号の誤り訂正に対応するCPTP写像をCとし、 (hx, hy, hz)を要素とする3次元ベクトルをHとし、3次元ベクトルHの大きさをh=|H|とし、p(h)を
を有することを特徴とする計算基底軸設定装置。 A calculation base axis setting device for setting a calculation base axis of physical qubits constituting a quantum error correction code,
A storage unit;
2 × 2 indicating the rotation of the calculation base axis of the j [j∈ {1, ..., n}, n ≧ 2] th physical qubit Q j with respect to the reference calculation base axis common to each physical qubit set the unitary matrix V j, and calculates the base axis setting unit for storing the unitary matrix V j in the storage unit,
Read the unitary matrix V j set by the calculation base axis setting unit from the storage unit, set the tensor product operator to (×), and use the tensor of the unitary matrix V j (j∈ {1, ..., n}) The matrix consisting of products is V = V 1 (×)... (×) V n, and quantum states of n physical qubits encoded into k (n> k ≧ 1) logical qubits by a stabilizer code. The state vector, which is a column vector indicating, is | Φ L (k) >, the complex conjugate row vector is <Φ L (k) |, the density matrix of n physical qubits is the matrix ρ, and the stabilizer The CPTP map corresponding to the error correction of the code is C, the three-dimensional vector having (h x , h y , h z ) as the element is H, the size of the three-dimensional vector H is h = | H |, and p (h)
A calculation base axis setting device characterized by comprising:
上記計算基底軸評価部は、
すべてのj∈{1,...,n}についてVj=Iとした場合よりも上記フィデリティが大きくなるユニタリー行列Vjを採用する、
ことを特徴とする計算基底軸設定装置。 The calculation base axis setting device according to claim 1,
The calculation base axis evaluation unit is
Adopt a unitary matrix V j where the fidelity is larger than when V j = I for all j∈ {1, ..., n}.
A calculation base axis setting device characterized by that.
上記スタビライザー符号は、
[n,k,d] スタビライザー符号であり、
上記計算基底軸評価部は、
hx=h・sinθ・cosνとし、hy=h・sinθ・sinνとし、hz=h・cosθとし、
ことを特徴とする計算基底軸設定装置。 The calculation base axis setting device according to claim 1 or 2,
The stabilizer code is
[n, k, d] is a stabilizer code,
The calculation base axis evaluation unit is
h x = h ・ sinθ ・ cosν, h y = h ・ sinθ ・ sinν, h z = h ・ cosθ,
A calculation base axis setting device characterized by that.
上記計算基底軸設定部は、
物理量子ビットQj毎に独立にユニタリー行列Vjを設定する、
ことを特徴とする計算基底軸設定装置。 The calculation base axis setting device according to any one of claims 1 to 3,
The calculation base axis setting unit is
Set unitary matrix V j independently for each physical qubit Q j ,
A calculation base axis setting device characterized by that.
すべてのj∈{1,...,n}に対してVj=Iである場合の上記スタビライザー符号によって構成された量子回路に設定される初期量子状態を示す状態ベクトル|Φ>と、当該量子回路が具備する1つの物理量子ビットQjに対する演算を示す行列A及び/又は2つの物理量子ビットQj,Qm〔m∈{1,...,n},m≠j〕に対する演算を示す行列Bと、を含む基準量子回路情報QCの入力を受け付ける入力部と、
上記記憶部から上記計算基底軸設定部で設定されたユニタリー行列Vjを読み込み、当該ユニタリー行列Vjを用い、上記基準量子回路情報QCが具備する上記初期量子状態を示す状態ベクトル|Φ>をV|Φ>に変更し、上記行列Aを行列VjAVj +に変更し、上記行列Bを、
{Vj(×)I}{I(×)Vm}B{I(×)Vm}+{Vj(×)I}+
に変更して、修正量子回路情報RQCを生成し、当該修正量子回路情報RQCを記憶部に格納する量子回路情報修正部をさらに有する、
ことを特徴とする計算基底軸設定装置。 The calculation base axis setting device according to any one of claims 1 to 4,
A state vector | Φ> indicating an initial quantum state set in the quantum circuit configured by the stabilizer code when V j = I for all j∈ {1, ..., n}, and Matrix A indicating operation on one physical qubit Q j included in the quantum circuit and / or operation on two physical qubits Q j , Q m [m∈ {1, ..., n}, m ≠ j] An input unit for receiving input of reference quantum circuit information QC including a matrix B indicating
The unitary matrix V j set by the calculation base axis setting unit is read from the storage unit, and using the unitary matrix V j , a state vector | Φ> indicating the initial quantum state included in the reference quantum circuit information QC is obtained. V | Φ>, the matrix A is changed to the matrix V j AV j + , and the matrix B is changed to
{V j (×) I} {I (×) V m } B {I (×) V m } + {V j (×) I} +
To generate modified quantum circuit information RQC, and further includes a quantum circuit information modification unit that stores the modified quantum circuit information RQC in the storage unit,
A calculation base axis setting device characterized by that.
上記量子誤り訂正符号装置の計算基底軸設定部が、各物理量子ビットに共通の基準計算基底軸に対する、j〔j∈{1,...,n} ,n≧2〕番目の物理量子ビットQjの計算基底軸の回転を示す2×2のユニタリー行列Vjを設定し、当該ユニタリー行列Vjを記憶部に格納する計算基底軸設定過程と、
上記量子誤り訂正符号装置の計算基底軸評価部が、上記記憶部から上記計算基底軸設定部で設定されたユニタリー行列Vjを読み込み、テンソル積演算子を(×)とし、ユニタリー行列Vj (j∈{1,...,n})のテンソル積からなる行列をV=V1(×) …(×)Vnとし、スタビライザー符号によってk(n>k≧1)個の論理量子ビットに符号化されたn個の物理量子ビットの量子状態を示す列ベクトルである状態ベクトルを|ΦL (k)>とし、それと複素共役な行ベクトルを<ΦL (k)|とし、n個の物理量子ビットの密度行列を行列ρとし、当該スタビライザー符号の誤り訂正に対応するCPTP写像をCとし、 (hx, hy, hz)を要素とする3次元ベクトルをHとし、3次元ベクトルHの大きさをh=|H|とし、p(h)を
を有することを特徴とする計算基底軸設定方法。 A calculation base axis setting method for setting a calculation base axis of physical qubits constituting a quantum error correction code,
The calculation base axis setting unit of the quantum error correction coding device is configured to generate a j [j∈ {1, ..., n}, n ≧ 2] -th physical qubit with respect to a reference calculation base axis common to the physical qubits. A calculation base axis setting process of setting a 2 × 2 unitary matrix V j indicating rotation of the calculation base axis of Q j and storing the unitary matrix V j in a storage unit;
The calculation base axis evaluation unit of the quantum error correction encoder reads the unitary matrix V j set by the calculation base axis setting unit from the storage unit, sets the tensor product operator to (×), and sets the unitary matrix V j ( The matrix consisting of tensor products of j∈ {1, ..., n}) is V = V 1 (×)… (×) V n, and k (n> k ≧ 1) logical qubits by the stabilizer code The state vector, which is a column vector indicating the quantum state of n physical qubits encoded in, is defined as | Φ L (k) > and the complex conjugate row vector as <Φ L (k) |, where n The density matrix of the physical qubits of is the matrix ρ, the CPTP map corresponding to the error correction of the stabilizer code is C, the three-dimensional vector whose elements are (h x , h y , h z ) is H, Let the magnitude of the vector H be h = | H | and p (h)
A calculation base axis setting method characterized by comprising:
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