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Quantum Errors

Of course, classical information is binary, so the only errors that can occur are bit flips: a 0 becomes a 1, or a 1 becomes a 0. But qubits are more complex, having both a value (0 or 1) that can be in superposition and a phase that can be any angle. How can we correct errors?

Measuring a state, as we have seen, can cause a superposition state to collapse, either completely or partially. We will use the effect to force all errors to behave like either a bit flip (a \(\pi\) rotation about the \(X\) axis), or a phase flip (a \(\pi\) phase rotation about the \(Z\) axis).

To describe a quantum error correcting code, often we use the notation \([[n,k,d]]\), where \(n\) is the number of physical qubits in a block, \(k\) is the number of logical qubits that the block encodes, and \(d\) is the code distance.

In current classical computer systems, error correcting codes are used for storing data on hard disks or transmitting data across a network, but it’s uncommon to keep the data encoded in an error correction code while performing a computation. In quantum systems, however, the error rates are so high that we want to keep the data encoded while performing the computation. Managing the errors as we operate on more than one logical qubit in a block is tricky, so codes encoding only a single logical qubit (\(k = 1\)) are common, with an important exception we will discuss later.

Error correcting codes depend on the ability to extract information about errors. Next, we will delve into the mechanism used in quantum codes.




量子エラー

当然のことながら、従来型の情報はバイナリであるため、起こりうる唯一のエラーはビットフリップです。0は1になり、1は0になります。しかし、量子ビットはもっと複雑で、値(0または1) 重ね合わせることができ、任意の角度にすることができます。 エラーを修正するにはどうすればよいでしょうか?

これまで見てきたように、状態を測定すると、重ね合わせ状態が完全に、もしくは部分的に崩壊する可能性があります。この効果を使用して、すべてのエラーをビットフリップ(\(\pi\)回転)または位相反転(\(Z\)軸周りの\(\pi\)位相回転)のように動作させます。

量子誤り訂正符号を記述するために、多くの場合、\([[n,k,d]]\)表記を使用します。ここで、\(n\)はブロック内の物理量子ビット数、ブロックエンコードの\(k\)は論理量子ビット数、\(d\)はコードの距離です。

現在の古典的なコンピュータシステムでは、誤り訂正符号は、ハードディスク上のデータを記憶したり、ネットワークを介してデータを送信するために使用されていますが、計算を実行している間、データを誤り訂正符号に保つことは珍しいことです。しかし、量子システムでは、誤り率が非常に高く、計算を実行しながらデータをエンコードしたままにしておきたいです。ブロック内の複数の論理量子ビットで動作するときのエラーの管理は難解です。したがって、単一の論理量子ビット(k=1)のみをエンコードするコードが一般的です。

誤り訂正符号は、エラーに関する情報を抽出する能力に依存します。 次に、量子コードで使用されるメカニズムについて解説します。

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Keio University