Measurement based quantum communication with resource states generated by entanglement purification
我们研究了利用纠缠纯化产生的噪声资源态进行基于测量的量子通信。我们考虑通过噪声量子信道使用基于测量的编码,纠错和解码的实现编码信息的传输。我们表明,这样的方法提供了直接传输,基于门的纠错和基于测量的计划,直接生成的资源状态的优势。我们分析了纠缠纯化所产生的资源态的噪声结构,并指出局域误差模型,即噪声独立作用于资源态的所有量子比特,是一个很好的近似,并为$GHZ$ -态提供了一个精确的描述.后者是用于位翻转或相位翻转错误的纠错码的基于测量的实现的资源。这提供了最近发现的基于资源状态的局部误差模型的基于容错测量的量子信息处理的非常高的阈值与基于门的计算模型的误差阈值之间的第一链接。
2016-12-20 quant-ph
Hybrid-system approach to fault-tolerant quantum communication
我们提出了一个分层的混合系统的方法来量子通信,涉及整个量子网络的拓扑簇态的分布。光子损失和其他错误被抑制的光学复用和纠缠纯化。该方案可扩展到大距离,实现1 kHz的端到端速率,每个节点约50个量子比特。我们提出了一个潜在的合适的实施方案的一个单独的节点组成的铒自旋(单原子或系综)耦合通过通量量子比特的微波谐振器,允许确定性的本地门,稳定的量子存储器,并在电信制度的光子发射。
2013-05-31 quant-ph
No-Go Theorems for Quantum Resource Purification
量子“资源”的操纵,如纠缠、相干和魔态,是量子科学和技术的核心,赋予了超越经典方法的潜在优势。在实践中,一种特别重要的操纵是“净化”量子资源,因为它们不可避免地受到噪声的污染,因此通常会失去功率或变得不可靠,无法直接使用。在这里,我们证明了如何有效地通用噪声资源可以净化执行的量子力学,这普遍适用于任何合理的量子资源的法律的基本限制。更明确地说,我们推导出非平凡的下界的错误转换任何满秩噪声状态的任何目标纯资源状态的任何自由协议(包括概率的)-这是不可能实现完美的资源净化,即使是概率。我们的定理表明了蒸馏效率的强烈限制,蒸馏是一种广泛使用的资源纯化程序,是量子信息科学许多关键应用的基础。特别是,这个一般性的结果诱导的第一个显式下界的魔态蒸馏,实现可扩展的容错量子计算的领先计划的资源成本。标准的误差校正为基础的方法的影响进行了具体讨论。
2020-08-06 quant-ph
Efficient Entanglement Purification Circuit Design for Dual-Species Atom Arrays
Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago(芝加哥大学普里茨克分子工程学院);Mathematics and Computer Science Division, Argonne National Laboratory(阿贡国家实验室数学与计算机科学部);The Center for Quantum Science and Technology, Department of Complex Systems, Weizmann Institute of Science(魏兹曼科学研究所复杂系统系量子科学与技术中心);Department of Physics, University of Chicago(芝加哥大学物理系)
该研究针对双物种里德伯原子阵列,将双向纠缠纯化协议推广至任意稳定子码,提出低开销电路设计,为双物种平台的近期实现提供实用指导,助力可扩展纠缠分发与容错量子技术发展。
2026-09-07 quant-ph
Virtual Channel Purification
本文提出虚拟信道纯化(VCP)协议,结合旗标容错与虚拟态纯化思想,在无需目标态和噪声模型知识的情况下实现强误差抑制,并衍生出虚拟误差校正(VEC)协议,以低采样成本实现QEC级保护,适用于量子网络任务。
2025-03-28 quant-ph
Bounding quantum gate error rate based on reported average fidelity
量子计算的显著实验进展的例证是最近宣布的令人印象深刻的平均门量子数超过99.9%的单量子位门和99%的双量子位门。虽然这些高数字让人乐观地认为容错量子计算是触手可及的,但平均门保真度与容错要求之间的联系并不直接。在这里,我们使用报告的平均门保真度来确定量子门错误率的上限,这是评估容错量子计算进展的适当度量,我们证明了这个界限对于一般噪声是渐近紧的。虽然这个界限是不太可能饱和的实验噪声,我们使用明确的例子表明,该界限表示真实的错误率和报告的平均保真度之间的实际偏差。我们引入泡利距离作为这种偏差的度量,我们表明,泡利距离的知识,使更严格的估计错误率的量子门。
2015-12-27 quant-ph
Fault-tolerant and secure long-distance quantum communication via uncorrectable-error-injection
针对量子隐形传态方案资源开销大、复杂度高的问题,提出基于不可纠正错误注入的容错安全量子通信方案,无需纠缠分发且降低资源需求,在低错误率场景下减少传输开销并保持相当保真度,为相关应用提供可扩展实用替代方案。
2025-11-13 quant-ph
Dynamical purification phase transitions induced by quantum measurements
以测量结果为条件,连续监测量子多体系统的环境减少(净化)系统的约化密度矩阵的熵。我们表明,对于混合初始状态,系统内的测量和纠缠相互作用之间的平衡竞争可以导致(i)在恒定的系统大小无关的速率下局部纯化的相和(ii)纯化时间在系统大小中呈指数发散的“混合”相之间的动态纯化相变。在混合相的剩余熵密度意味着存在一个量子错误保护的子空间,其中量子信息是可靠的编码对未来的非幺正演化的系统。我们发现,这些代码是潜在的相关性容错量子计算,因为它们往往是高度退化,并满足编码的信息密度和错误阈值之间的最佳权衡。在1+1维的空间局域模型中,这种混合初态的相变与最近发现的一类纯初态的纠缠相变同时发生。由于错误保护子空间的形成,1+1维中初始完全混合状态的互信息随时间呈次线性增长。这里研究的净化过渡也推广到具有长程相互作用的系统,在那里传统的纠缠过渡概念必须重新表述。纯化动力学可能是实验中更强大的过渡探测器,其中不完美通常会减少纠缠并将系统推向混合状态。我们描述了在先进的量子计算平台和容错量子计算的背景下研究这类新的非平衡量子动力学的动机。
2020-07-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Fault-tolerant Quantum Communication with Minimal Physical Requirements
我们描述了一种新的协议,量子中继器,使长距离量子通信,通过现实的,有损耗的光子信道。与以前的建议相反,我们的协议在每个中继站仅使用两个量子位的协议的每一步都采用了主动净化的任意错误。由于这些最小的物理要求,本协议可以实现在简单的物理系统,如固态单光子发射器。作为一个例子,我们展示了如何在钻石中的氮空位色心可以用来实现该协议,使用核和电子自旋形成两个量子位。
2005-11-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fault-tolerant Preparation of Distant Logical Bell Pair -- with application in the magic square game
针对容错非定域博弈中噪声导致纠缠消耗激增的问题,提出接口电路与逻辑 EPP,制备并纯化远距离逻辑 Bell 对,在级联 Steane 码下实现指数级 Bell 对节省并给出噪声阈值。
2025-03-17 quant-ph
Symmetric channel verification for purifying noisy quantum channels
本文提出利用量子信道固有对称性的对称信道验证(SCV)协议,以检测并纠正破缺对称噪声,并给出仅需单量子比特辅助比特的硬件高效实现。
2025-10-20 quant-ph
Entanglement Purification with Quantum LDPC Codes and Iterative Decoding
针对分布式量子计算与量子网络中的纠缠纯化需求,本文提出用 QLDPC 码蒸馏 GHZ 态并采用 MSA 迭代译码,在码率0.118下取得约0.7974的最优输入阈值,并扩展至可扩展的大多粒子 GHZ 协议。
2024-01-16 cs.IT math.IT quant-ph
Quantum Error Suppression with Subgroup Stabilisation
本文提出基于阶为 M 的对称子群投影的量子态纯化装置,以适中开销将相干与随机错误各抑制 1/M,并证明其在退极化输入下的概率与采样成本均渐近最优。
2024-06-13 quant-ph
Purifying GHZ States Using Degenerate Quantum Codes
简并量子码是不显示完全错误伴随式的码。它们隐藏完整错误伴随式的能力使它们在某些量子信息处理任务中成为强大的资源。特别是,最容错的方法来纯化去极化贝尔态使用单向通信已知的日期涉及退化量子码。在这里,我们研究了三个密切相关的纯化方案之间共享的$m \geq 3$球员通过简并量子码和单向经典通信的去极化GHZ态。我们发现,我们的计划容忍更多的噪音比所有其他的单向方案已知的日期,进一步证明了退化量子码在量子信息处理的有效性。
2008-08-15 quant-ph
Single-qubit loss-tolerant quantum position verification protocol secure against entangled attackers
本研究通过半定规划为基于BB84态的量子位置验证协议确定紧致损耗-错误界限,提出单量子比特协议,可抵御线性纠缠攻击并容忍光子损耗,同时扩展至多基情形以增强容限。
2025-07-09 quant-ph
Early fault-tolerant simulations of the Hubbard model
本文提出一种新的解析方法优化了Hubbard模型早期容错模拟的误差界限,并引入适用于任意尺寸晶格的plaquette Trotterization技术,在相位估计任务中显著降低了非Clifford门数量。
2024-07-24 quant-ph
Qutrit Magic State Distillation
魔态蒸馏(MSD)是一种在容错量子计算中起核心作用的纯化协议。MSD协议的步骤的重复迭代仅使用稳定器操作从混合资源状态的多个副本生成纯单个非稳定器状态或魔术状态。因此,混合资源国家促进了稳定器操作的全面普及。魔态蒸馏是量子比特计算中的一个重要方法,但在高维量子比特计算中,魔态蒸馏的研究还很少。在这里,我们描述了一个一般的方法来研究MSD在更高的维度。我们使用它来研究一个基于5-qutrit稳定码的qutrit MSD协议的特性。我们表明,该协议提取的非稳定器魔术状态,并确定两种类型的状态,这是吸引子的迭代映射。最后,我们将展示如何将这些状态转换,通过稳定器电路单独,到一个适合的状态注入实施的非克利福德相位门,使非克利福德酉计算。
2012-06-08 quant-ph
Freely Scalable Quantum Technologies using Cells of 5-to-50 Qubits with Very Lossy and Noisy Photonic Links
精细的量子控制现在已经在小离子阱、氮空位中心和超导量子比特簇中实现。我们可以把这样一个系统看作是一个通用的细胞,它具有从通信到大规模计算的各种技术用途,只要这个细胞能够与其他细胞联网,并克服互连中的任何噪声。在这里,我们展示了容损纠缠纯化使量子计算在当今现实的噪声和有损链路上变得可行:通过适度复杂的小区设计,并使用网络噪声阈值为13.3%的表面码协议,我们发现,以2MHz的速率尝试纠缠但遭受98%光子损失的互连可以导致千赫兹的计算机时钟速度(即高保真度稳定器测量的速率)。改进的链路将大大提高时钟速度。我们的模拟采用了在离子阱器件中已经实现的保真度的局部门。
2014-07-24 quant-ph
Purification-based quantum error mitigation of pair-correlated electron simulations
本研究在超导量子处理器20个量子比特上验证基于纯化的量子错误缓解策略,在seniority-zero电子配对子空间模拟中实现一到两个数量级的错误降低,实现了迄今最大规模的关联化学变分算法,并指出超经典模拟仍需硬件大幅提升。
2022-10-19 quant-ph
Secure Multiparty Quantum Computation with (Only) a Strict Honest Majority
秘密共享和多方计算(也称为“安全函数求值”)是现代密码学中的基本原理,允许一组相互不信任的参与者在唯一的假设下执行正确的分布式计算,其中一些人会诚实地遵守协议。本文研究了需要多少信任--也就是说,有多少参与者必须保持诚实--才能使分布式量子计算成为可能。提出了一个可验证的量子秘密共享协议(VQSS)和一个通用的安全多方量子计算协议(MPQC),该协议可以容忍n个参与者中的任意(n-1)/2(向下取整)个欺骗者.这些任务的先前协议分别容忍(n-1)/4(四舍五入)和(n-1)/6(四舍五入)作弊者。我们达到的阈值是严格的-即使在经典的情况下,如果任何n/2个玩家的集合都可以作弊,“公平”的多方计算也是不可能的。我们的协议依赖于近似量子纠错码,它可以容忍比传统的,精确的代码更大的错误比例。我们引入新的家庭的认证方案和近似代码量身定制的需要,我们的协议,以及新的状态净化技术沿线的容错量子线路中使用的。
2008-01-10 quant-ph
Data-Efficient Error Mitigation for Physical and Algorithmic Errors in a Hamiltonian Simulation
本研究提出数据高效一维外推法,同时缓解Trotter化量子电路中的物理与算法误差,并可与纯化QEM结合,数值实验表明其优于现有外推方法。
2025-09-10 quant-ph
Contextuality supplies the magic for quantum computation
量子计算机有望比经典计算机有巨大的优势,但最基本的问题“量子计算的能量来源是什么?”“仍然难以捉摸在这里,我们证明了一个显着的等价性之间的发病的上下文和通用量子计算的可能性,通过魔术状态蒸馏。这是一个概念上令人满意的链接,因为上下文提供了一个独特的量子现象的基本特征之一,此外,魔态蒸馏是实验实现容错量子计算的主要模型。此外,这种联系为量子信息的资源提出了一个统一的范式:量子理论的非定域性是一种特殊的上下文,而非定域性已经被认为是实现量子通信优势的关键资源。除了澄清这些基本问题之外,这项工作还提出了量子计算的资源框架,该框架具有许多实际应用,例如表征不同的理论和实验方案之间的效率和权衡,以实现强大的量子计算,并限制量子算法经典模拟的开销成本。
2014-10-15 quant-ph
A new approximate Eastin-Knill theorem
本文提出单次机制下的近似Eastin-Knill定理,证明量子纠错码支持通用横向门集且近似纠正局部擦除的充要条件是Choi态条件最小熵受限于最坏情况错误概率的函数,并给出实例验证。
2025-05-29 quant-ph
Fundamental limitations on distillation of quantum channel resources
量子信道是量子系统动力学的基础,但在许多实际环境中,需要处理的是信道本身。我们建立了通用的限制处理的量子态和通道,表示在不去定理和定量界限的形式下,最一般的转换协议下的一般量子信道资源的操纵。专注于蒸馏任务的类-这可以理解为无论是净化的嘈杂的通道到单一的,或提取基于状态的资源从通道-我们开发的基本限制在这种转换和全面的下限开销的任何蒸馏协议的错误。在渐近设置中,我们的结果产生广泛适用的界限蒸馏速率。我们证明了我们的结果,通过应用程序的容错量子计算,在那里我们获得了最先进的魔术状态蒸馏的开销成本的下限,以及量子通信,在那里我们恢复了一些强逆界量子信道容量。
2021-07-17 math-ph math.MP quant-ph
Benchmarking quantum logic operations relative to thresholds for fault tolerance
本文利用门集层析成像研究超导量子处理器上的随机编译,证明其能消除相干错误并使平均与最坏情况错误率相等,从而为验证容错阈值和界定近期算法失败率提供可行基准测试方法。
2023-12-01 quant-ph
Coherent error threshold for quantum LDPC codes
Yau Mathematical Sciences Center, Tsinghua University(清华大学丘成桐数学科学中心);State Key Laboratory of Low Dimensional Quantum Physics, Department of Physics, Tsinghua University(清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室);Joint Center for Quantum Information and Computer Science, University of Maryland(马里兰大学量子信息与计算机联合中心);Shanghai Institute for Mathematics and Interdisciplinary Sciences (SIMIS)(上海数学与交叉学科研究院)
本研究证明一般量子LDPC码对局部相干噪声具有非零码容量阈值,通过簇重求和技术,在距离为对数阶时实现逻辑恢复误差随码距离指数衰减,为容错量子计算提供鲁棒性保证。
2026-09-18 quant-ph