JP2005269105A - Method and device for correcting quantum error, and method and device for sharing quantum information - Google Patents

Method and device for correcting quantum error, and method and device for sharing quantum information Download PDF

Info

Publication number
JP2005269105A
JP2005269105A JP2004077040A JP2004077040A JP2005269105A JP 2005269105 A JP2005269105 A JP 2005269105A JP 2004077040 A JP2004077040 A JP 2004077040A JP 2004077040 A JP2004077040 A JP 2004077040A JP 2005269105 A JP2005269105 A JP 2005269105A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
qubit
quantum
error correction
block
information
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2004077040A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroo Azuma
広夫 吾妻
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP2004077040A priority Critical patent/JP2005269105A/en
Publication of JP2005269105A publication Critical patent/JP2005269105A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To share secret quantum information and to detect/correct an error occurring on a quantum line during downloading of the quantum information. <P>SOLUTION: Arbitrary quantum information using qubit of quantum two-state system is block encoded with quantum error correction codes at an information source. A plurality of block qubits constituting one block are distributed to a plurality of persons through a quantum communication line. At the information source, a plurality of entangled auxiliary qubit systems to be used at the time of error correction are constituted and distributed to respective persons through the quantum communication line. Using the tensor product of 2×2 Pauli matrix acting on each qubit as an error detection operator, error of the block qubit and auxiliary qubit due to decoherence on the quantum communication line is detected during downloading of the qubit from the information source to each person and then that error is corrected. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、量子エラー訂正方法と訂正装置、および、量子情報を複数人の間で秘密に共有するための情報処理方法と装置に関するものである。   The present invention relates to a quantum error correction method and correction apparatus, and an information processing method and apparatus for secretly sharing quantum information among a plurality of persons.

量子エラー訂正に関する技術、および、量子情報を秘密に共有する技術が研究されている。そこで、まずこれらの分野での従来の技術を説明する。また、量子二状態系(qubit)が位相緩和を受けるモデルを説明する。   Research on techniques related to quantum error correction and techniques for secretly sharing quantum information is underway. Therefore, first, conventional techniques in these fields will be described. A model in which a quantum two-state system (qubit) undergoes phase relaxation will be described.

[量子エラー訂正法]
量子計算機の実現に向けて克服すべき問題の一つに、量子データに発生するエラーをどう処理するかがある。量子力学的な情報(状態)は、通常、古典的な情報よりも、はるかに壊れやすいと考えられている。また、任意の量子状態の完全な複製を作ることは、原理的に不可能であることが示されており、ある量子情報の複製をいくつも作っておいて、エラーによる損傷に備えることは出来ない(非特許文献1)。
[Quantum error correction method]
One of the problems to be overcome for realizing a quantum computer is how to handle errors that occur in quantum data. Quantum mechanical information (state) is usually considered much more fragile than classical information. In addition, it has been shown that it is impossible in principle to make a perfect replica of an arbitrary quantum state, and it is possible to prepare for multiple damages of certain quantum information to prepare for damage due to errors. No (non-patent document 1).

そこで、量子計算機のエラーを除去する方法として、量子エラー訂正コード(非特許文献2)とフォールト・トレラント計算法(非特許文献3)の二つが提案されている。ここでは、まず量子エラー、および、上の二つのエラー除去法の特徴について述べ、次に量子エラー訂正符号の具体例として、Shorの9-qubitコード、DiVincenzo,Shorの5-qubitコード(非特許文献4)を紹介する。また、フォールト・トレラントなエラー訂正操作を5-qubitコードを使って説明する。   Therefore, two methods, a quantum error correction code (Non-Patent Document 2) and a fault-tolerant calculation method (Non-Patent Document 3), have been proposed as methods for removing errors in the quantum computer. Here, we first describe the features of quantum error and the above two error elimination methods, and then, as specific examples of quantum error correction codes, Shor's 9-qubit code, DiVincenzo, Shor's 5-qubit code (non-patent Reference 4) is introduced. In addition, fault-tolerant error correction operations are explained using 5-qubit code.

[量子データのエラー]
量子計算機内部のデータのエラーの原因として、次の二つが考えられている(非特許文献3)。
・デコヒーレンス
量子計算は、外部環境との相互作用によって影響を受けやすく、わずかな計算機内部の予想しない状態の乱れも、計算結果を大きく左右してしまうと考えられる。このような現象はデコヒーレンスと呼ばれる。デコヒーレンスを防ぐには、計算機内部の系を外部の環境から隔離することが最も効果的であるが、これには技術的な限界がある。
・量子ゲートの実行精度
量子計算を実行する際の量子ゲートは、物理的な素子である以上、実行精度に限界がある。この誤差が積もり積もって計算結果を大きく左右してしまう。
[Error in quantum data]
The following two are considered as causes of data errors in the quantum computer (Non-patent Document 3).
・ Decoherence Quantum computation is easily affected by the interaction with the external environment, and even a slight disturbance in the computer's unexpected state may greatly affect the computation results. Such a phenomenon is called decoherence. The most effective way to prevent decoherence is to isolate the computer's internal system from the external environment, but this has technical limitations.
-Quantum gate execution accuracy Since quantum gates when performing quantum computation are physical elements, there is a limit to execution accuracy. This error accumulates and greatly affects the calculation result.

ここで、量子状態にエラーが作用する様子を具体的に見ることにする。一個のqubit|ψ〉Qに外部環境系|e〉Eが相互作用して、任意のユニタリー発展UQEが生じたとする。

Figure 2005269105
このような変換は、一般性を失うことなく次のように書き直せる(非特許文献2)。
Figure 2005269105
ただし、環境系Eの状態を表す|a0E、|a1E、|a2E、|a3Eは、一般に規格化されておらず、互いに直交し合うとも限らない。|0〉Q、|1〉Qはqubit系Qの正規直交基底で、qubitの任意の状態は|ψ〉Q=c0|0〉Q+c1|1〉Qで表される。今後、混乱が生じない場合、添え字E,Qを省略することがある。結合系QEの相互作用は、初期状態が系Qと系Eの状態の直積(productstate)であっても、ユニタリー発展後は一般に、系Q,Eの直積では書き表せない、もつれ合った状態(entangled state)にしてしまう。 Here, we will specifically see how the error acts on the quantum state. Suppose that an external environment system | e> E interacts with a single qubit | ψ> Q , resulting in an arbitrary unitary evolution U QE .
Figure 2005269105
Such conversion can be rewritten as follows without losing generality (Non-Patent Document 2).
Figure 2005269105
However, | a 0 > E , | a 1 > E , | a 2 > E , and | a 3 > E representing the state of the environmental system E are generally not standardized and may not be orthogonal to each other. | 0> Q, | 1> Q is orthonormal basis of qubit system Q, any state of the qubit is | represented by 1> Q | ψ> Q = c 0 | 0> Q + c 1. In the future, the subscripts E and Q may be omitted if there is no confusion. The interaction of coupled system QE is an entangled state that cannot be expressed by the direct product of systems Q and E after unitary development, even if the initial state is the product state of system Q and system E. entangled state).

qubitと環境系Eのユニタリー発展は、次のように書き下せる。

Figure 2005269105
ただし、{σx, σyz}は、qubit系Qに作用するPauli行列で、
Figure 2005269105
という基底に対して、
Figure 2005269105
と表現されるとする。これを見ると、1-qubitの任意のデコヒーレンスは、{I,σx, σy, σz}の項に分解できることが分かる。三つのPauli行列は、それぞれ、σxがビット反転エラー(|0〉←→|1〉)、σzが位相反転エラー(|0〉→−|0〉,|1〉→−|1〉)、σy=iσxσzがビット、位相エラーの混合を表している。実はこのように任意のデコヒーレンスがPauli行列に分解できる性質は、1-qubitだけでなく複数のqubitについても成立する(非特許文献5)。このことを以下で見てみる。 The unitary development of qubit and environment E can be written as follows.
Figure 2005269105
Where {σ x , σ y , σ z } is a Pauli matrix acting on the qubit system Q,
Figure 2005269105
For the basis
Figure 2005269105
It is assumed that From this, it can be seen that any 1-qubit decoherence can be decomposed into {I, σ x , σ y , σ z } terms. In the three Pauli matrices, σ x is a bit inversion error (| 0> ← → | 1>) and σ z is a phase inversion error (| 0> → − | 0>, | 1> → − | 1>) , Σ y = iσ x σ z represents a mixture of bits and phase errors. In fact, the property that an arbitrary decoherence can be decomposed into a Pauli matrix as described above is valid not only for 1-qubits but also for a plurality of qubits (Non-Patent Document 5). Let's look at this below.

複数のqubitが環境系と相互作用して、qubit間に相関のあるエラーを受ける状況を考える。|ψ〉Qをn-qubit系Qの任意の状態、|e〉Eを環境系Eの初期状態、UQEを結合系QEに作用する任意のユニタリー変換とする。UQEの作用する様子は、

Figure 2005269105
ただし、
Figure 2005269105
と表される。{|μ〉E}は系Eの正規完全直交基底で、Σ|μ〉EE〈μ|=IEとする。このとき、
Figure 2005269105
が成立する。例えば、(2)の場合、
Figure 2005269105
となる。(2),(3)は、しばしばKraus表現と呼ばれる(非特許文献6)。 Consider a situation where multiple qubits interact with environmental systems and receive correlated errors between qubits. | ψ> Q is an arbitrary state of the n-qubit system Q, | e> E is an initial state of the environment system E, and U QE is an arbitrary unitary transformation that acts on the coupled system QE. How U QE works is
Figure 2005269105
However,
Figure 2005269105
It is expressed. {| Μ> E } is a normal perfect orthogonal basis of the system E, and Σ | μ> EE <μ | = IE . At this time,
Figure 2005269105
Is established. For example, in the case of (2)
Figure 2005269105
It becomes. (2) and (3) are often called Kraus expressions (Non-Patent Document 6).

μ Qは(3)をみたす任意の2n×2n複素行列で、系Qに作用する。一般に、任意の2n×2n複素行列は、n個のqubitに作用するPauli行列のテンソル積、

Figure 2005269105
の複素数を係数とする和で書き表される。よって、
Figure 2005269105
として、
Figure 2005269105
ただし、
Figure 2005269105
と表される。従って、n-qubitが環境系から任意の相互作用を受ける場合、エラーは各qubitにσx(ビット反転エラー)、σz(位相反転エラー)、σy=iσxσz(ビット、位相エラーの混合)の三種類のどれかの演算子が作用されたものと考えてよい。 A μ Q is an arbitrary 2 n × 2 n complex matrix that satisfies (3) and acts on the system Q. In general, any 2 n × 2 n complex matrix is a tensor product of Pauli matrices acting on n qubits,
Figure 2005269105
Is expressed as a sum with the complex number of. Therefore,
Figure 2005269105
As
Figure 2005269105
However,
Figure 2005269105
It is expressed. Therefore, when n-qubit receives any interaction from the environment, the error is σ x (bit inversion error), σ z (phase inversion error), σ y = iσ x σ z (bit, phase error) It can be considered that one of the three types of operators) is acted upon.

[量子エラーの除去]
量子エラーを適切な符号化によって訂正する量子エラー訂正コードが、これまでに数多く提案されている(非特許文献2)。また、量子エラー訂正コードにさらに工夫を加えたフォールト・トレラント計算法も提案されている(非特許文献3)。そこで、この二つの方法の特徴について説明する。
[Removal of quantum error]
Many quantum error correction codes for correcting quantum errors by appropriate encoding have been proposed so far (Non-Patent Document 2). In addition, a fault-tolerant calculation method in which further improvements are added to the quantum error correction code has been proposed (Non-Patent Document 3). Therefore, the characteristics of these two methods will be described.

量子エラー訂正コードは、量子データの保存、伝送等の静的な場面でのエラーを軽減、除去することを目的としている。k個のqubitの情報をn(>k)個のqubitでブロック符号化し、1ブロック中のt個までのqubitで生じたエラーを修正できるようにする。Shorが最初に9-qubitコード(n=9,k=1,t=1)を発表し、量子エラー訂正の原理的な部分を提案して以来、様々なコードが発表されている。   The purpose of the quantum error correction code is to reduce or eliminate errors in static scenes such as storage and transmission of quantum data. Block information of k pieces of qubits is encoded with n (> k) pieces of qubits so that errors caused by up to t pieces of qubits in one block can be corrected. Since Shor first announced the 9-qubit code (n = 9, k = 1, t = 1) and proposed the principle of quantum error correction, various codes have been announced.

これまでに、提案されてきた多くの量子エラー訂正コードは、基本的に次の方法に依っている。符号化されたn個のqubitは環境系と結合して任意のユニタリー変換を受け、もつれ合った状態となる。そこで、n個のqubitに対して適当な部分的な観測を行って、状態の収縮を起こさせる。この部分的な観測は、例えば、n-qubitのパリティ情報をブロックの9-qubitとは別に用意した補助qubitに書き込み観測することに対応する。観測結果は収縮した後の状態の受けたエラーを表しており、これに応じてエラー訂正に相当するユニタリー変換をn個のqubitに施すのである。このように、Shorの提案した量子エラー訂正コードでは、量子計算機内部の状態に対して、
一部のqubitの観測 → 残りのqubitの状態の収縮
という強い観測の過程が、デコヒーレンス時間内に何度でも行えるものと仮定している。
Until now, many quantum error correction codes that have been proposed basically depend on the following method. The encoded n qubits are combined with the environment system and subjected to arbitrary unitary transformation, and become entangled. Therefore, appropriate partial observations are performed on n qubits to cause state contraction. This partial observation corresponds to, for example, writing and observing n-qubit parity information in an auxiliary qubit prepared separately from the 9-qubit of the block. The observation result represents the error received in the state after contraction, and according to this, unitary transformation equivalent to error correction is applied to n qubits. In this way, in the quantum error correction code proposed by Shor, for the state inside the quantum computer,
Some qubit observations → It is assumed that the process of strong observation of the remaining qubit state contraction can be performed any number of times within the decoherence time.

すでに説明したように、複数のqubitが環境と結合してユニタリー発展した場合、各qubitは、Pauli行列で表されるエラーを受ける。量子エラー訂正コードは、n-qubitの張るベクトル空間を、符号語の状態とPauli行列によって作られるエラーを受けた符号語の状態が互いに直交し合うように、部分空間に分割する問題として定式化される。   As described above, when a plurality of qubits are unitary developed by combining with the environment, each qubit receives an error represented by a Pauli matrix. Quantum error correction code is formulated as a problem that divides the n-qubit vector space into subspaces so that the codeword state and the error codeword state generated by the Pauli matrix are orthogonal to each other. Is done.

このような数学の問題として定式化されて以降、多くの量子エラー訂正コードが考案された。特に、Calderbank,Shor,Steaneの7-qubitコード(n=7,k=1,t=1)は、古典的なエラー訂正コードから量子エラー訂正コードを構成する、より一般的な方法に拡張が可能で、必要に応じて様々な量子コードが設計できる(非特許文献7)。また、DiVincenzo,Shorの5-qubitコード(n=5,k=1,t=1)は、1-qubitの情報を符号化し1-qubitのエラーを除去できるコードとしては、1ブロックを構成するqubitの個数が最小のコードとなっている(非特許文献4)。   Since being formulated as such a mathematical problem, many quantum error correction codes have been devised. In particular, Calderbank, Shor, and Steane 7-qubit codes (n = 7, k = 1, t = 1) are extended to more general methods of constructing quantum error correction codes from classical error correction codes. It is possible and various quantum codes can be designed as required (Non-patent Document 7). The DiVincenzo, Shor 5-qubit code (n = 5, k = 1, t = 1) constitutes one block as a code that can encode 1-qubit information and remove 1-qubit errors. The number of qubits is the smallest code (Non-Patent Document 4).

フォールト・トレラント計算法は、量子データをゲートによって演算操作するような、動的な場面でのエラーを除去、軽減することを目的としている。もっと正確に述べると、量子エラー訂正コードについて、
1.エラー訂正操作中に発生したエラーをどう処理するか、
2.符号化されたn-qubitのブロックを、いちいち復号することなしにゲート操作するにはどうするか、
という二つの問題を解決することを目的としている。
The fault-tolerant calculation method is intended to remove and reduce errors in a dynamic scene where quantum data is operated by a gate. More precisely, regarding quantum error correction codes,
1. How to handle errors that occur during error correction operations,
2. How to gate encoded n-qubit blocks without decoding each one,
The purpose is to solve these two problems.

まず一番目の問題について説明する。量子エラー訂正コードでは、通常、エラー除去のため補助qubitにパリティ情報を書き込み、これを観測する。補助qubitにエラーか発生すると、パリティの検出結果が誤りになるだけでなく、n-qubitの符号語ブロック本体にもエラーが反作用として伝わってしまう。フォールト・トレラント計算では、このエラーによる反作用の拡大を極力抑え、ブロック本体でのエラーが、除去可能なエラー数を超えないように工夫する。   First, the first problem is explained. In the quantum error correction code, normally, parity information is written in an auxiliary qubit for error removal, and this is observed. If an error occurs in the auxiliary qubit, not only will the parity detection result be incorrect, but the error will also be transmitted to the n-qubit codeword block body as a reaction. In fault-tolerant calculation, the expansion of the reaction caused by this error is suppressed as much as possible, and the error in the block body is designed not to exceed the number of errors that can be removed.

二番目の問題は、次のような意味である。本来、量子計算アルゴリズムは、エラー訂正コードに符号化する前のqubitに対するゲート演算操作の組み合わせで表現されている。従って、qubitをブロックに符号化した場合、ブロックにゲート演算を行わなくてはならない。この際、ブロック内の複数のqubitにまたがるゲート操作を行うと、エラーが拡大してしまう可能性がある。ブロック内のエラーが除去可能な範囲内に抑えられるように、ゲート操作をデザインしなくてはならない。   The second problem has the following meaning. Originally, the quantum computation algorithm is expressed by a combination of gate operation operations on qubits before being encoded into an error correction code. Therefore, when a qubit is encoded into a block, a gate operation must be performed on the block. At this time, if a gate operation is performed across a plurality of qubits in a block, there is a possibility that the error is enlarged. The gate operation must be designed so that errors in the block are kept within a removable range.

一番目の問題については、後で5-qubitコードを例に説明する。二番目の問題の解決方法については、非常に煩雑なため省略する。Shorは、Calderbank,Shor,Steaneの7-qubitコードを使って上手くフォールト・トレラント計算を行った場合、1量子ゲートあたりのエラー率をΟ(1/log4s)に抑えられれば、sステップの量子ゲート操作を正しく実行できることを示した。 The first problem will be explained later using the 5-qubit code as an example. The method for solving the second problem will be omitted because it is very complicated. If Shor is a fault-tolerant calculation using the 7-qubit code of Calderbank, Shor, and Steane, the error rate per quantum gate can be reduced to Ο (1 / log 4 s). It was shown that the quantum gate operation can be performed correctly.

[Shorの9-qubitエラー訂正コード]
最初に発表された量子エラー訂正コードで、1-qubitの任意の状態を9-qubitのブロックに符号化し、1-qubitのエラー(デコヒーレンス)を訂正することが可能である(非特許文献2)。
[Shor 9-qubit error correction code]
It is possible to correct a 1-qubit error (decoherence) by encoding an arbitrary 1-qubit state into a 9-qubit block with the quantum error correction code that was first announced (Non-Patent Document 2). ).

まず、次の仮定を置く。9個の各qubitは、それぞれ独立に異なる環境系と相互作用するとする。これは、物理でしばしば行う独立粒子近似である。また、前にも説明したように、9個のqubitの情報を補助qubitに書き込み、この補助qubitを観測して9-qubitの状態を収縮させるという強い観測の過程が、デコヒーレンス時間内に何度でも繰り返せるものとする。   First, make the following assumptions: Each of the nine qubits interacts with different environmental systems independently. This is an independent particle approximation often done in physics. In addition, as explained before, the strong observation process of writing 9 qubit information into the auxiliary qubit and observing the auxiliary qubit to contract the 9-qubit state is what happens within the decoherence time. It can be repeated at any time.

符号化は、次のように行う。1-qubitの任意の状態|ψ〉=c0|0〉+c1|1〉を、

Figure 2005269105
とブロック化する。 Encoding is performed as follows. An arbitrary state of 1-qubit | ψ> = c 0 | 0> + c 1 | 1>,
Figure 2005269105
And block.

ここで、図10に示されるように、一番目のqubit|ψ〉Qにエラーが発生したとする。他のqubitにエラーが発生した場合についても、以下と同様な議論が出来る。図10は、例えば、リニア・トラップされた9個のイオンの一番目|ψ〉Qに外部から光子|e〉Eが相互作用して、任意のユニタリー発展が生じた状況を示している。このときの1-qubitのデコヒーレンスの様子は(1)で表される。 Here, as shown in FIG. 10, it is assumed that an error has occurred in the first qubit | ψ> Q. If an error occurs in another qubit, the same argument can be made as follows. FIG. 10 shows a situation where, for example, an arbitrary unitary development occurs due to the interaction of the photon | e> E from the outside with the first | ψ> Q of nine ions trapped linearly. The state of 1-qubit decoherence at this time is represented by (1).

9-qubit全体でのデコヒーレンスの様子を見ることにする。式変形の見通しを良くするために、次の8個の状態を定義する。

Figure 2005269105
ただし、次の関係が成立することに注意する。
Figure 2005269105
そこで、9-qubit全体でのデコヒーレンスは、
Figure 2005269105
のように与えられる。 Let's look at the state of decoherence in the entire 9-qubit. In order to improve the prospect of formula deformation, the following eight states are defined.
Figure 2005269105
Note that the following relationship holds.
Figure 2005269105
Therefore, decoherence in the entire 9-qubit is
Figure 2005269105
Is given as follows.

このことから、環境系Eを(|a0〉±|a3〉)、(|a1〉±|a2〉)のどれかに上手く収縮させられれば、σx,σz,σzσxを1番目のqubitに作用させることで、状態を{|φ0〉,|φ1〉}に修復可能であることが分かる。しかし、ブロックを構成する9-qubitを直接観測するとブロックの状態が壊れてしまう。そこで、符号化に使った9個のqubitとは別に補助qubitを用意して、これにエラーに関する情報を書き込んで観測することにより、状態を収縮させることにする。補助qubitに書きこまれる情報は、エラーの発生の仕方に関するものであって、符号化された情報とは一切無関係でなくてはならない。これにより、補助qubitの観測で符号化された情報が破壊されることはない。 From this, if the environmental system E is successfully contracted to either (| a 0 > ± | a 3 >) or (| a 1 > ± | a 2 >), σ x , σ z , σ z σ It can be seen that the state can be restored to {| φ 0 >, | φ 1 >} by applying x to the first qubit. However, if the 9-qubits that make up the block are observed directly, the state of the block will be broken. Therefore, in addition to the nine qubits used for encoding, an auxiliary qubit is prepared, and information about errors is written and observed in this auxiliary qubit, thereby reducing the state. The information written in the auxiliary qubit relates to how the error occurs and must be completely independent of the encoded information. As a result, the information encoded by the observation of the auxiliary qubit is not destroyed.

エラーを検出するために図11に示される8個のオペレーターを用意する(非特許文献8)。空白は恒等演算子を表しており、例えば、

Figure 2005269105
で与えられる。オペレーターの働きを見るために、3-qubitを一組として次の計算をしてみる。
Figure 2005269105
これは、
Figure 2005269105
が|Φ±〉に対して、固有値が1であることを示している。図12に、これらの結果をまとめておく。これより、M1,…,M6が、各3-qubitの組が|Φ±〉、|Ψ(1,±)〉、|Ψ(2,±)〉、|Ψ(3,±)〉のどれであるかを識別し、M7,M8が、±の逆転している3-qubitの組を識別することが分かる。 In order to detect an error, eight operators shown in FIG. 11 are prepared (Non-Patent Document 8). The white space represents the identity operator, for example
Figure 2005269105
Given in. To see the operator's work, try the following calculation using 3-qubit as a set.
Figure 2005269105
this is,
Figure 2005269105
Indicates that the eigenvalue is 1 for | Φ ± >. FIG. 12 summarizes these results. From this, M 1 ,..., M 6 are each a set of 3-qubits | Φ ± >, | Ψ (1, ±) >, | Ψ (2, ±) >, | Ψ (3, ±) >. It can be seen that M 7 and M 8 identify a set of 3-qubits that are reversed by ±.

(6)のデコヒーレンスした9-qubitにM1,…,M8を作用させることを考える。例えば、第二項にM7を作用させると、

Figure 2005269105
で、固有値M7=−1が飛び出す。9-qubitの状態にM1,…,M8を作用させたときの固有値を、次の様に補助qubitに書き込む。
Figure 2005269105
ただし、ここでは、演算子Miの固有値もMiと書いている。次に、(M1,…,M8)の固有値を観測する。もし(M1,…,M8)=(0,0,0,0,0,0,1,1)が観測されたなら、(6)の状態は第二項に収縮する。観測結果により、ブロック中の1番目のqubitにσzエラーが作用していることが分かる。そこで、1番目のqubitにσzを作用させてエラー訂正する。 Consider that M 1 ,..., M 8 act on the decohered 9-qubit in (6). For example, if M 7 is applied to the second term,
Figure 2005269105
Thus, the eigenvalue M 7 = −1 pops out. The eigenvalues when M 1 ,..., M 8 are applied to the 9-qubit state are written in the auxiliary qubit as follows.
Figure 2005269105
However, here, the eigenvalue of the operator M i is also written as M i . Next, the eigenvalues of (M 1 ,..., M 8 ) are observed. If (M 1 ,..., M 8 ) = (0, 0 , 0, 0, 0 , 0, 1 , 1 ) is observed, the state of (6) contracts to the second term. From the observation results, it can be seen that the σ z error is acting on the first qubit in the block. Therefore, error correction is performed by applying σ z to the first qubit.

1,…,M8はエルミート演算子であり、異なる固有値の組を持つ固有ベクトルは互いに直交し合う。そのため、固有値の組でエラーの作用した符号化規定を完全に識別できる。ところで、(5)をよく見ると、

Figure 2005269105
より、ブロック中の1番目のqubitにσzエラーが生じた状態と、2番目のqubitにσzエラーが生じた状態は、同じで見分けが付かないことに気づく。しかし、エラー訂正は可能である。つまり、このコードはσzのエラー状態が縮退しているのである。このようなコードを特に、縮退コードと呼ぶことがある。 M 1 ,..., M 8 are Hermitian operators, and eigenvectors having different eigenvalue pairs are orthogonal to each other. Therefore, it is possible to completely identify an encoding rule in which an error has occurred by a set of eigenvalues. By the way, if you look closely at (5),
Figure 2005269105
Thus, it is noticed that the state in which the σ z error occurs in the first qubit in the block and the state in which the σ z error occurs in the second qubit are the same and cannot be distinguished. However, error correction is possible. In other words, this code is a degenerate error state of σ z . Such a code is sometimes called a degenerate code.

エラー訂正のための具体的なゲート・ネットワークを考える。例えば、9-qubitのブロックにM1を作用させたときの固有値は、

Figure 2005269105
より、1番目、2番目のqubitのビット値をmod 2で足し合わせたもの(パリティ)と考えて良い。そこで、図14のようにゲート・ネットワークを組めば、補助qubitにM1の固有値を書き込むことが出来る。ただし、図14で使われているゲートは、controlled-NOT(C-NOT)と呼ばれるもので(図13)、制御qubitが|1〉のときに限り標的qubitを|0〉←→|1〉反転させる。C-NOTゲートは2-qubit間にもつれ合いを生じさせる基本的なゲートの一つである。 Consider a specific gate network for error correction. For example, when M 1 is applied to a 9-qubit block, the eigenvalue is
Figure 2005269105
From this, it can be considered that the bit value of the first and second qubits is added by mod 2 (parity). Therefore, if a gate network is formed as shown in FIG. 14, the eigenvalue of M 1 can be written in the auxiliary qubit. However, the gate used in FIG. 14 is called controlled-NOT (C-NOT) (FIG. 13), and the target qubit is set to | 0> ← → | 1> only when the control qubit is | 1>. Invert. The C-NOT gate is one of the basic gates that cause entanglement between 2-qubits.

7の固有値は次のようにすると良い。1-qubitに対するHadamard変換、

Figure 2005269105
を定義すると、
Figure 2005269105
という関係が得られる。9-qubitの任意の状態を|ψ〉として、
Figure 2005269105
となるので、ブロック中の先頭の6個のqubitについて、それぞれHadamard変換してからパリティ検査すると良い。ゲート・ネットワークは図15で与えられる。 The eigenvalue of M 7 should be as follows: Hadamard transform for 1-qubit,
Figure 2005269105
Define
Figure 2005269105
The relationship is obtained. Any state of 9-qubit is defined as | ψ>.
Figure 2005269105
Therefore, it is preferable to perform parity check after Hadamard conversion for the first six qubits in the block. The gate network is given in FIG.

9-qubit符号化の物理的意味をもう一度考えてみる。最初に述べたように、簡単化のため、各qubitは独立に異なる環境系と相互作用していると考える。一個のqubitと、それに対応する環境とのユニタリー発展を、(1)を参考にして、

Figure 2005269105
と書き下す。|Ψgood〉はエラーの生じていない項、|Ψbad〉はエラーの生じた項を表す。ここで、物理的な根拠はないが、|R0Eが、|R1E,|R2E,|R3Eと直交すると仮定する。これにより、1-qubitのデコヒーレンスの確率が評価しやすくなる。まず、〈Ψgoodbad〉=0が成立する。さらに、〈R0|R0〉=1-pとして、〈Ψgoodgood〉=1-p、〈Ψbadbad〉=pが得られる。これは、各qubitのデコヒーレンスする確率を、古典的な意味で0≦p≦1と考えて良いということである。 Consider again the physical meaning of 9-qubit coding. As mentioned at the beginning, for the sake of simplicity, we think that each qubit interacts independently with a different environmental system. The unitary development of one qubit and the corresponding environment, referring to (1),
Figure 2005269105
Write down. | Ψ good > represents a term in which no error has occurred, and | Ψ bad > represents a term in which an error has occurred. Here, although there is no physical basis, it is assumed that | R 0 > E is orthogonal to | R 1 > E , | R 2 > E , and | R 3 > E. This makes it easier to evaluate the probability of 1-qubit decoherence. First, <Ψ good | Ψ bad > = 0 holds. Furthermore, assuming that <R 0 | R 0 > = 1-p, <Ψ good | Ψ good > = 1-p and <Ψ bad | Ψ bad > = p are obtained. This means that the decoherence probability of each qubit can be considered as 0 ≦ p ≦ 1 in the classical sense.

次に、ブロック全体でのデコヒーレンスの様子を考える(図16)。α番目のqubitの状態を|ψα〉、それに対応する環境系の初期状態を|eα〉とすると、

Figure 2005269105
と書ける。ただし、wt(i)は、i=(i1,…,i9)で“0”でない成分の個数(x,y,zのどれかを値として持つ成分の数)としている。また、(7)の三行目の最初の和を取っている部分を|correctable〉、二つ目の和を取っている部分を|uncorrectable〉としている。|uncorrectable〉がエラー訂正不可能な部分であり、この確率振幅が十分に小さいとき、エラー訂正は有効に働くと言える。前の1-qubitあたりのデコヒーレンス確率pを使うと、エラー訂正不可能な確率は、36p2+Ο(p3)となる。符号化したほうが、しない場合よりも有利になるためには、36p2<pが成立しなくてはならない。従って、p<(1/36)のとき、この9-qubit符号化は意味を持つ。 Next, consider the state of decoherence in the entire block (FIG. 16). If the state of the α-th qubit is | ψ α > and the initial state of the corresponding environmental system is | e α >,
Figure 2005269105
Can be written. However, wt (i) is the number of components that are not “0” with i = (i 1 ,..., I 9 ) (the number of components having any of x, y, and z as values). In addition, the first summing part of the third row in (7) is | correctable>, and the second summing part is | uncorrectable>. | uncorrectable> is the part that cannot be corrected, and when this probability amplitude is sufficiently small, it can be said that error correction works effectively. Using the previous decoherence probability p per 1-qubit, the probability that the error cannot be corrected is 36p 2 + Ο (p 3 ). In order for encoding to be more advantageous than not, 36p 2 <p must hold. Therefore, this 9-qubit encoding is meaningful when p <(1/36).

[DiVincenzo-Shorの5-qubitコード]
このコードは、1-qubitの情報を符号化し、1-qubitの任意のエラーを除去してくれるエラー訂正コードの中で、ブロックを構成するqubit数が最小(5-qubit)と考えられている(非特許文献4)。
[DiVincenzo-Shor 5-qubit code]
This code encodes 1-qubit information and removes any 1-qubit error. It is considered that the number of qubits constituting a block is the smallest (5-qubit). (Non-Patent Document 4).

1-qubitの任意の状態|ξ〉=α|0〉+β|1〉を、次の様に5-qubitで符号化する。

Figure 2005269105
ただし、
Figure 2005269105
このような符号化をS表現と呼ぶことにする。上の式では規格化定数が省かれており、〈ci|cj〉=δijが成立するとする。|c1〉は、|c0〉の各qubitにσxを作用させて、bit値を反転させたものであることに注意する。 Any 1-qubit state | ξ> = α | 0> + β | 1> is encoded with 5-qubit as follows.
Figure 2005269105
However,
Figure 2005269105
Such encoding will be referred to as S representation. In the above equation, the normalization constant is omitted, and it is assumed that <c i | c j > = δ ij holds. Note that | c 1 > is the bit value inverted by applying σ x to each qubit of | c 0 >.

この符号化が、1-qubitの任意のエラーを除去してくれることを確かめたい。i番目のqubit(i=0,1,2,3,4)に対するエラーを、Xi=σx,Yi=σy,Zi=σzと書くことにする。考慮するエラーは次の16通りとなる。

Figure 2005269105
このコードでは、符号語|c0〉±|c1〉と、符号語に上のエラーが作用した状態の合わせて32個の状態が全て互いに直交し合っており、4個のパリティ検査演算子でエラーが完全に識別できる。このことを以下に順を追って説明する。 I want to make sure that this encoding removes any 1-qubit errors. The error for the i-th qubit (i = 0,1,2,3,4) is written as X i = σ x , Y i = σ y , Z i = σ z . The following 16 errors are considered.
Figure 2005269105
In this code, the code word | c 0 > ± | c 1 > and the state in which the above error is applied to the code word, all 32 states are orthogonal to each other, and four parity check operators Can fully identify the error. This will be explained step by step below.

まず、S表現の符号語(|c0〉±|c1〉)は、5-qubitの円循環の置換に対して不変である。次に、S表現の0,1番目のqubitにHadamard変換Hを作用させる。

Figure 2005269105
上の、|c'0〉、|c'1〉を見ると、どちらも0,1,2,4番目のqubitのパリティが偶であることに気づく。そこで、
Figure 2005269105
という符号化を、L3表現と呼ぶことにする。0,1,2,4番目のqubitのパリティを検出する演算子として、
Figure 2005269105
を考えると、|c'0〉、|c'1〉はM3を作用させても不変である。 First, the code word of the S expression (| c 0 > ± | c 1 >) is invariant to permutation of a 5-qubit circular cycle. Next, Hadamard transformation H is applied to the 0th and 1st qubits of the S expression.
Figure 2005269105
Looking at | c ′ 0 > and | c ′ 1 > above, you can see that the parity of the 0 , 1 , 2, and 4th qubits is even. there,
Figure 2005269105
The coding that will be referred to as L 3 expression. As an operator to detect the parity of the 0, 1, 2, 4th qubit,
Figure 2005269105
Therefore, | c ′ 0 > and | c ′ 1 > are unchanged even when M 3 is applied.

以下、同様にして、L4表現を、

Figure 2005269105
0表現を
Figure 2005269105
1表現を
Figure 2005269105
と定める。 In the same manner, the L 4 expression is
Figure 2005269105
L 0 expression
Figure 2005269105
L 1 expression
Figure 2005269105
It is determined.

3,M4,M0,M1は、S表現の基底で考えると、

Figure 2005269105
となる。{K3,K4,K0,K1}は円循環の関係になっており、S表現の基底の線形結合|ψ〉=α(|c0〉+|c1〉)+β(|c0〉−|c1〉)を不変に保つ(固有値が1という意味である)。実は、これらの四つの演算子で16種類のエラーが識別可能である。 M 3 , M 4 , M 0 and M 1 are considered based on the basis of the S expression.
Figure 2005269105
It becomes. {K 3 , K 4 , K 0 , K 1 } have a circular relationship, and the linear combination of the basis of the S expression | ψ> = α (| c 0 > + | c 1 >) + β (| c 0 > − | c 1 >) is kept unchanged (meaning that the eigenvalue is 1). In fact, these four operators can identify 16 types of errors.

このことは、次の例で理解できる。S表現の符号化情報|ψ〉にσz (4)エラーが生じたとする。

Figure 2005269105
より、
Figure 2005269105
で、K1,K3の固有値は−1,1である。16種類のエラーに対する固有値の組は図17のとおりで、全て異なっているのが分かる。 This can be seen in the following example. Assume that a σ z (4) error occurs in the encoded information | ψ> of the S expression.
Figure 2005269105
Than,
Figure 2005269105
The eigenvalues of K 1 and K 3 are −1 and 1. The sets of eigenvalues for the 16 types of errors are as shown in FIG. 17 and are all different.

パリティ検査演算子、K3,K4,K0,K1は全てエルミートであり、異なる固有値の組の状態は互いに直交する。従って、5-qubitの張る25=32次元のヒルベルト空間は、二つの符号語とそれに発生する16種類の1-qubitエラーの、計32個の互いに直交し合う一次元部分空間に分割される。このコードは、符合語に異なるエラーが生じた状態の間で縮退が起こらない。このようなコードを、非縮退コードと呼ぶことがある。 The parity check operators K 3 , K 4 , K 0 , and K 1 are all Hermite, and the states of different eigenvalue pairs are orthogonal to each other. Accordingly, the 2 5 = 32 dimensional Hilbert space spanned by 5-qubit is divided into a total of 32 mutually orthogonal one-dimensional subspaces of two codewords and 16 kinds of 1-qubit errors that occur in them. . This code does not degenerate between states with different errors in the codeword. Such a code may be referred to as a non-degenerate code.

[エラー検出のフォールト・トレラント化]
ここでは、前に説明したフォールト・トレラント計算法の二つの目的のうちの、エラー訂正操作中にエラーが発生したらどうするかについて議論する(非特許文献3)。これより先、5-qubitコードを例に取って説明するが、他のエラー訂正コードにも適用可能である。
[Fault tolerant error detection]
Here, of the two purposes of the fault-tolerant calculation method described above, what to do when an error occurs during an error correction operation is discussed (Non-Patent Document 3). Prior to this, a 5-qubit code will be described as an example, but the present invention can also be applied to other error correction codes.

ここで取り扱うエラーは、qubitと環境との相互作用によるデコヒーレンス、量子ゲートの動作誤差の両方によるものだが、これらは、全て、量子ゲート実行時にσx,σy,σzのエラーが作用したものと考えても一般性は失われない。これらのエラーは、もつれ合いを生じさせるゲート操作によって他のqubitへ飛び火する。このことを見るために、C-NOTを作用させる直前の標的qubitにσzエラーが作用した場合を考える(図18)。この場合、C-NOTを作用させた後の、制御qubit、標的qubitの両方に、σzエラーが作用しているのと等価となる。これは、1-qubitに発生したエラーが、C-NOTゲートによって、二つのqubitに伝わり拡大したものと解釈できる。 The errors handled here are due to both decoherence due to the interaction between the qubit and the environment, and quantum gate operation errors. All of these errors were caused by errors of σ x , σ y , and σ z when the quantum gate was executed. Generality is not lost even if it thinks. These errors ignite to other qubits by gate operations that cause entanglement. To see this, consider the case where a σ z error acts on the target qubit immediately before C-NOT is applied (FIG. 18). In this case, it is equivalent to the σ z error acting on both the control qubit and the target qubit after C-NOT is applied. This can be interpreted as an error that occurred in 1-qubit propagated to two qubits by a C-NOT gate and expanded.

最初に、何の工夫もなく5-qubitに対してパリティ検出を行うと、どのような不都合が起こるかについて考える。図19のように、補助qubitを一つだけ使ってM3の固有値を求めるとする。二つ目のC-NOTゲートにエラーが発生した場合、エラーは補助qubitだけでなく、ブロック内の三つのqubitにまで伝わる。このコードは、本来1-qubitのエラーしか訂正できないので、エラーの取りきれる範囲を超えてしまう。従って、このような方法は良いとは言えない。 First, let's consider what kind of inconvenience occurs when parity detection is performed on 5-qubit without any ingenuity. As shown in FIG. 19, it is assumed that the eigenvalue of M 3 is obtained using only one auxiliary qubit. If an error occurs in the second C-NOT gate, the error is transmitted not only to the auxiliary qubit but also to the three qubits in the block. Since this code can only correct 1-qubit errors, it is beyond the range of errors. Therefore, such a method is not good.

図19のかわりに、次の方法を考える。補助qubitとして4-qubitの状態、

Figure 2005269105
を用意する。ただし、wt(b)は二進数列bの全bit値の和で、これをbのweightと呼ぶ。|Φ〉はweightが偶の基底の重ね合わせである。図20のように、ブロック|ψ〉と補助qubit|Φ〉の各qubitに対して、C-NOTを作用させる。|Φ〉の中の1-qubitでエラーが発生しても、ブロックに伝わるエラーの数は1個で抑えられる。これは除去可能な範囲である。 Instead of FIG. 19, consider the following method. 4-qubit status, as auxiliary qubit
Figure 2005269105
Prepare. However, wt (b) is the sum of all bit values of the binary sequence b, and is called the weight of b. | Φ> is a superposition of bases whose weight is even. As shown in FIG. 20, C-NOT is applied to each qubit of block | ψ> and auxiliary qubit | Φ>. Even if an error occurs in 1-qubit in | Φ>, the number of errors transmitted to the block can be reduced to one. This is a removable range.

図20によってパリティ検出が出来る仕組を説明する。パリティ検出操作中にエラーが発生しなければ、符号語|ψ〉のパリティは偶か奇の二種類のみ、また補助qubit|Φ〉のパリティは必ず偶である。図20のようにC-NOTでパリティ検出操作を行っても、|ψ〉と|Φ〉の間にもつれ合いは生じない。従って|Φ〉を観測しても|ψ〉に状態の収縮は起こらない。このことは、次のように考えると理解しやすい。   A mechanism capable of parity detection will be described with reference to FIG. If no error occurs during the parity detection operation, the codeword | ψ> has only two kinds of parity, even or odd, and the auxiliary qubit | Φ> always has an even parity. Even if the parity detection operation is performed with C-NOT as shown in FIG. 20, no entanglement occurs between | ψ> and | Φ>. Therefore, even when | Φ> is observed, the state does not shrink at | ψ>. This can be easily understood by thinking as follows.

まず、|ψ〉も|Φ〉もパリティが偶の場合、四つのC-NOT操作で|Φ〉の偶数個のqubitが|0〉←→|1〉反転するが、もともと、|Ψ〉はweightが偶な全ての項を等しい重みで重ね合わせたものなので、全体として状態は不変である。よって、

Figure 2005269105
でもつれ合いは生じない。|Φ〉の各qubitを{|0〉,|1〉}の基底で観測して、|b0〉(wt(b0)=even)を得たとする。これは、|Φ〉が|b0〉に収縮したことを意味するが、このとき|ψ〉に状態の収縮は起こらない。 First, if both | ψ> and | Φ> have an even parity, the even number of qubits in | Φ> are inverted by | 0> ← → | 1> in four C-NOT operations. Since all terms with an even weight are overlapped with equal weight, the state is unchanged as a whole. Therefore,
Figure 2005269105
No entanglement occurs. Assume that | b 0 > (wt (b 0 ) = even) is obtained by observing each qubit of | Φ> on the basis of {| 0>, | 1>}. This means that | Φ> contracted to | b 0 >, but no state contraction occurs at | ψ>.

一方、|ψ〉のパリティが奇の場合、補助qubit|Φ〉はC-NOT操作で奇数個のqubitが|0〉←→|1〉反転し、weightが奇なあらゆる基底の重ね合わせ|Φ'〉に変化するが、もつれ合いは生じず、

Figure 2005269105
となる。補助qubitの観測で|Φ'〉はweightが奇な基底の一つに収縮するが、|ψ〉に収縮は起こらず、何の影響も与えない。 On the other hand, if the parity of | ψ> is odd, the auxiliary qubit | Φ> is a C-NOT operation and the odd number of qubits is inverted by | 0> ← → | 1>'>, But no entanglement,
Figure 2005269105
It becomes. In the observation of the auxiliary qubit, | Φ '> shrinks to one of the odd weight bases, but | ψ> does not shrink and has no effect.

補助qubitに|Φ〉を使う方法でも、やはり、パリティ検出を誤る場合はあるので、何回か測定を繰り返して多数決を行わなくてはならない。一回のパリティ検査中に補助qubit系にエラーが発生する古典的確率0<ε<1が与えられたとする。M回の検出で多数決を行い、誤ったパリティを得る確率は

Figure 2005269105
程度である。パリティ検出を誤る確率を0<t<1で抑えたいとすると、
Figure 2005269105
より、繰り返し回数は、
Figure 2005269105
と評価できる。logtというオーダーで考えると非常に効率的といえる。 Even with the method using | Φ> for the auxiliary qubit, there is a case where the parity detection is erroneous, so the majority must be made by repeating the measurement several times. Suppose that a classical probability 0 <ε <1 is given that an error occurs in the auxiliary qubit system during one parity check. The probability of making a majority decision with M detections and getting the wrong parity is
Figure 2005269105
Degree. If we want to suppress the probability of erroneous parity detection with 0 <t <1,
Figure 2005269105
Therefore, the number of repetitions is
Figure 2005269105
Can be evaluated. Considering the order of logt, it can be said that it is very efficient.

パリティ検出過程で、ブロック中のどれか一つのqubitにエラーが発生した場合、パリティを誤って検出する可能性が出てくるが、少なくとも、ブロック内のエラー数は一個で抑えられており、依然、エラー除去可能である。パリティ検出を数回繰り返し、検出結果を多数決で決めれば問題ない。   If an error occurs in any one qubit in the block during the parity detection process, there is a possibility that the parity is erroneously detected, but at least the number of errors in the block is suppressed to one, and it is still Error removal is possible. There is no problem if the parity detection is repeated several times and the detection result is determined by majority vote.

なお、ここでは、5-qubitのブロックと補助qubitの全体で、たかだか一個のエラーしか発生しないとしている。これは、全qubitで一個のエラーが生じる時間をτとして、時間τ内に符号語による保存、エラー訂正を行ってしまわなくてはならないということである。もし、長時間にわたって量子情報を保存したい場合は、周期τでこれらの操作を繰り返す。   Here, it is assumed that only one error occurs in the entire 5-qubit block and auxiliary qubit. This means that the time at which one error occurs in all qubits is τ, and storage and error correction by a code word must be performed within the time τ. If the quantum information is to be stored for a long time, these operations are repeated with a period τ.

では、|Φ〉を用意するにはどうするかを考える。|Φ〉を初期状態|0000〉から基本ゲート操作によって素朴に作り出すとすれば、以下の手順になる(図21)。

Figure 2005269105
(9)の一行目から二行目への変換で、状態にもつれ合いが生じたことが見て取れる。この際、図21からも明らかなように、一番目のqubitにエラーが発生すると、残りのqubitにもエラーが伝わってしまう。このように、直積状態(product state)から、もつれ合った状態(entangled state)への変換をフォールト・トレラント化するのは難しい。 Let's consider how to prepare | Φ>. If | Φ> is simply created from the initial state | 0000> by the basic gate operation, the procedure is as follows (FIG. 21).
Figure 2005269105
(9) It can be seen that the transformation from the first line to the second line caused entanglement in the state. At this time, as is apparent from FIG. 21, if an error occurs in the first qubit, the error is also transmitted to the remaining qubits. Thus, it is difficult to make the conversion from the product state to the entangled state fault tolerant.

しかし、この問題は次のような方法で回避できる。まず、(9)の二行目の猫状態を作り終えた段階で、任意の二つのqubitを選び出してビットの値についてパリティ検査を行い、もしパリティが奇ならその4-qubitは捨て去り作り直す。パリティ検査を数回繰り返せば、手元にあるのは、

Figure 2005269105
と思って良い。上の式には任意の相対位相エラーeが残っており、各qubitにHadamard変換を施すと、
Figure 2005269105
となるが、再度、ランダムなパリティ検査を行えば、高い確率で|Φ〉を得ることが可能となる。 However, this problem can be avoided by the following method. First, at the stage where the cat state in the second row in (9) is completed, any two qubits are selected and a parity check is performed on the bit value. If the parity is odd, the 4-qubit is discarded and recreated. If you repeat the parity check several times,
Figure 2005269105
You can think. In the above equation, there is an arbitrary relative phase error e , and when Hadamard transform is applied to each qubit,
Figure 2005269105
However, if random parity check is performed again, | Φ> can be obtained with high probability.

最後に、図22に、5-qubitコードのフォールト・トレラントなエラー訂正のゲート・ネットワークを示す。M3,M4,M0,M1の固有値を測定する際の補助qubitは図中では一本の線で表されているが、4-qubitの|Φ〉を使って、これまでに説明してきた方法で観測するとする。操作中、符号後の表現がL3,L4,L0,L1と変化していることにも注意する。四つの固有値を得たら、古典コンピュータ等によりエラーの位置と種類を判定し、エラー訂正を行う。 Finally, FIG. 22 shows a 5-qubit code fault tolerant error correction gate network. The auxiliary qubit for measuring the eigenvalues of M 3 , M 4 , M 0 , and M 1 is represented by a single line in the figure, but it has been explained so far using 4-qubit | Φ>. Suppose that you observe with the method that you have done. Note also that during operation, the post-sign representation changes to L 3 , L 4 , L 0 , L 1 . When the four eigenvalues are obtained, the position and type of error are determined by a classical computer or the like, and error correction is performed.

[量子情報を秘密に共有する方法]
量子エラー訂正コードを使って、量子情報を秘密のうちに複数人の間で共有する方法が提案されている(非特許文献9)。ここでは、Shor-DiVincenzoの5-qubitコードを使ってこの方法を具体的に説明する。
[How to share quantum information in secret]
A method has been proposed in which quantum information is secretly shared among multiple people using a quantum error correction code (Non-patent Document 9). Here, this method is explained concretely by using the 5-qubit code of Shor-DiVincenzo.

1-qubitの任意の状態α|0〉+β|1〉(|α|2+|β|2=1)を使って符号化し、|ψ〉=α|c0〉+β|c1〉を得たとする。次に、1ブロックを構成する5個のqubitを5人に分け与えたとする。この場合、0番目と1番目のqubitを持つ二人が共同で自分たちの手元にあるqubitを観測しても、

Figure 2005269105
で、α,βに関する情報は何も得られない。ただし、I4は4×4単位行列とする。 Coding using any 1-qubit state α | 0> + β | 1> (| α | 2 + | β | 2 = 1) to obtain | ψ> = α | c 0 > + β | c 1 > Suppose. Next, it is assumed that five qubits constituting one block are given to five people. In this case, even if two people with the 0th and 1st qubits jointly observe the qubit at their hands,
Figure 2005269105
No information about α and β can be obtained. However, I 4 is a 4 × 4 unit matrix.

実は、この場合、

Figure 2005269105
が成立し、五人の内の任意の二人が共同で観測しても、|ψ〉に関する情報は一切得られない。また、上の結果より、明らかにi番目のqubitの密度演算子は、
Figure 2005269105
ただしI2は2×2単位行列となり、一人が手元のqubitを観測しても何も情報は得られない。 In fact, in this case
Figure 2005269105
Even if any two of the five members observe together, no information about | ψ> is obtained. From the above result, the density operator of the i-th qubit is clearly
Figure 2005269105
However, I 2 is a 2 × 2 unit matrix, and no information can be obtained even if one person observes the qubit at hand.

しかし、逆に考えると、五人の内の任意の三人以上が共同で操作を行えば、元々の量子情報を完全に復元できることになる。この方法の特徴は、情報を取り出すために協力し合う人数によって、元々の情報が全く得られないか、完全に得られるかのどちらかに決まってしまう点にある。このような5-qubitコードによる量子情報の秘密の共有は、((3,5))threshold schemeと呼ばれている。   However, conversely, if any three or more of the five perform joint operations, the original quantum information can be completely restored. The feature of this method is that the original information cannot be obtained at all or can be completely obtained depending on the number of people who cooperate to extract the information. Such secret sharing of quantum information by the 5-qubit code is called ((3, 5)) threshold scheme.

((3,5))threshold schemeは、任意の1-qubitを捨て去っても、残りの4-qubitで元の符号化情報を復元できるということである。そして、このような状態は((3,4))threshold schemeを与える。前の((3,5))threshold schemeは1-qubitの純粋状態で与えられる量子情報を5-qubitの純粋状態に符号化したのに対し、((3,4))threshold schemeでは4-qubitの混合状態に符号化することになる。   The ((3, 5)) threshold scheme means that even if any 1-qubit is discarded, the original encoded information can be restored with the remaining 4-qubit. Such a state gives a ((3, 4)) threshold scheme. The previous ((3, 5)) threshold scheme encoded quantum information given in the pure state of 1-qubit into the pure state of 5-qubit, whereas in the ((3, 4)) threshold scheme, 4- It will be encoded into a mixed state of qubit.

((3,4))threshold schemeを詳しく見てみることにする。(8)の0番目のqubitを観測して確率1/2で|0〉が得られた場合、符号語は、

Figure 2005269105
に収縮する。確率1/2で|0〉が得られた場合、
Figure 2005269105
に収縮する。従って、1-qubitの量子情報α|0〉+β|1〉は、
Figure 2005269105
に符号化される。 ((3,4)) Let's take a closer look at the threshold scheme. When the 0th qubit in (8) is observed and | 0> is obtained with probability 1/2, the codeword is
Figure 2005269105
Shrink to. If | 0> is obtained with probability 1/2,
Figure 2005269105
Shrink to. Therefore, 1-qubit quantum information α | 0> + β | 1>
Figure 2005269105
Is encoded.

例えば、上のρに対して、先頭の2-qubit密度演算子は、

Figure 2005269105
で与えられる。しかし、{|φ0〉,|φ1〉}を使った符号、|ψ'〉=α|φ0〉+β|φ1〉では、
Figure 2005269105
となり、((3,4))threshold schemeを実現しない。
Figure 2005269105
をエラー訂正コードとして見ると、次のようになる。符号語の部分空間を不変にする演算子は、
Figure 2005269105
の三つで、エラーの作用した符合語に対する固有値は図23で与えられる。これにより、((3,4))threshold schemeは1-qubitのエラー検出が可能と分かる。 For example, for the above ρ, the leading 2-qubit density operator is
Figure 2005269105
Given in. However, in the code using {| φ 0 >, | φ 1 >}, | ψ ′> = α | φ 0 > + β | φ 1 >
Figure 2005269105
And ((3,4)) threshold scheme is not realized.
Figure 2005269105
As an error correction code, it is as follows. The operator that makes the subspace of the codeword invariant is
Figure 2005269105
In FIG. 23, the eigenvalues for the code word affected by the error are given in FIG. This shows that the ((3, 4)) threshold scheme can detect 1-qubit errors.

[位相緩和モデル]
本明細書では、量子通信回線などにおいて、qubit系と環境系が相互作用して、qubitに位相緩和(位相エラー)が生じる場合について考察している。そこで、このようなエラーが起こるモデルを示しておく。
[Phase relaxation model]
In this specification, a case is considered in which phase relaxation (phase error) occurs in the qubit due to the interaction between the qubit system and the environment system in a quantum communication line or the like. Therefore, a model in which such an error occurs is shown.

qubit系Qと環境系(熱浴)Rのハミルトニアンとして、次のものを考える(非特許文献10)。

Figure 2005269105
ただし、
Figure 2005269105
は輻射場の生成、消滅演算子とする。上の式より、[σz,H]=0は明らかで、qubit系において位相のデコヒーレンスのみ起こると分かる。これは次のように考えれば良い。1-qubitの密度行列は、一般に、
Figure 2005269105
ただしai(i=x,y,z)は実数、と書ける。I,σzの項はHで引き起こされるユニタリー変換、
Figure 2005269105
で不変であり、このモデルではσx,σyの項のみ変化が引き起こされる。これにより、位相緩和(デコヒーレンス)のみ生じ、密度行列の対角成分の変化である散逸は起こらない。時刻t=0でのqubit系Qと環境系Rの密度行列を、
Figure 2005269105
ただし、
Figure 2005269105
とする。これは、環境系Rとして、熱平衡状態にある輻射場を考えていることに相当する。 As the Hamiltonian of the qubit system Q and the environment system (heat bath) R, the following is considered (Non-patent Document 10).
Figure 2005269105
However,
Figure 2005269105
Is an operator for generating and annihilating the radiation field. From the above equation, [σ z , H] = 0 is clear, and it can be seen that only phase decoherence occurs in the qubit system. This can be considered as follows. The 1-qubit density matrix is generally
Figure 2005269105
However, a i (i = x, y, z) can be written as a real number. I, σ z terms are unitary transformations caused by H,
Figure 2005269105
In this model, only the terms σ x and σ y are changed. As a result, only phase relaxation (decoherence) occurs, and dissipation that is a change in the diagonal component of the density matrix does not occur. The density matrix of qubit system Q and environment system R at time t = 0
Figure 2005269105
However,
Figure 2005269105
And This is equivalent to considering a radiation field in a thermal equilibrium state as the environmental system R.

このような系は、相互作用表示を取ると扱いやすい。

Figure 2005269105
ただし、Pは時間順序演算子で、
Figure 2005269105
とする。計算により、
Figure 2005269105
ただし、
Figure 2005269105
が得られる。 Such a system is easy to handle if an interaction display is taken.
Figure 2005269105
Where P is a time order operator and
Figure 2005269105
And By calculation
Figure 2005269105
However,
Figure 2005269105
Is obtained.

時刻tでのqubitの密度行列は、

Figure 2005269105
で与えられる。(10)の結果を代入すると、
Figure 2005269105
ただし、
Figure 2005269105
となる。これは、次のように書き換え可能である、
Figure 2005269105
ただし、
Figure 2005269105
としている。これより、qubit系がσzエラーのみ受けていることが分かる。
W.K.Wootters, W.H.Zurek, 'A single quantum cannot be cloned', Nature, 299, p.802-803(1982) P.W.Shor, 'Scheme for reducing decoherence in quantum computer memory', Phys. Rev. A 52, 2493(1995) P.W.Shor,'Fault-tolerant quantum computation',Proc.37th Annual Symposium on Foundations of Computer Science,IEEE Computer Soc.Press,1996,pp.56-65 D.P.DiVincenzo and P.W.Shor, 'Fault-Tolerant Error Correction with Efficient Quantum Codes', Phys. Rev.Lett. 77, 3260(1996), C.H.Bennett, D.P.DiVincenzo, J.A.Smolin and W.K.Wootters, 'Mixed-state entanglement and quantum error correction', Phys. Rev.A 54,3824(1996) A.Ekertand C.Macchiavello, 'Error Correction for Quantum Communication', Phys.Rev.Lett.77,2585(1996),J.Preskill and A.Kitaev, lecture notes §7, CaliforniaInstitute ofTechnology,(1997-1999),http://www.theory.caltech.edu/people/preskill/ph229/ B.Schumacher, 'Sebding entanglement through noisyquantum channel', Phys. Rev.A 54, 2614(1996) A.R.Calderbank and P.W.Shor, 'Good quantum error-correcting codes exist', Phys. Rev.A 54,1098(1996), A.Steane,'Multiple particle interference and quantum error correction', Proc.R.Soc.Lond.A 452,2551(1996), A.Steane, 'Simple quantum error-correcting codes', Phys. Rev.A 54,4741(1996) D.Gottesman,Ph.D.thesis,California Institute of Technology,LANL quantum Physics archive quant-ph/9705052 R.Cleve, D.Gottesman and H-K.Lo, 'How to Share a Quantum Secret', Phys. Rev. Lett. 83,648(1999), J.Preskill and A.Kitaev,lecture notes §7, California Institute of Technology,(1997-1999), http://www.theory.caltech.edu/people/preskill/ph229/ G.M.Palma, K-A.Suominen and A.K.Ekert, Quantum Computers and Dissipation', LANL quantum physics archive quant-ph/9702001 The density matrix of qubit at time t is
Figure 2005269105
Given in. Substituting the result of (10)
Figure 2005269105
However,
Figure 2005269105
It becomes. This can be rewritten as
Figure 2005269105
However,
Figure 2005269105
It is said. From this, it can be seen that the qubit system receives only σ z error.
WKWootters, WHZurek, 'A single quantum cannot be cloned', Nature, 299, p.802-803 (1982) PWShor, 'Scheme for reducing decoherence in quantum computer memory', Phys. Rev. A 52, 2493 (1995) PWShor, 'Fault-tolerant quantum computation', Proc. 37th Annual Symposium on Foundations of Computer Science, IEEE Computer Soc. Press, 1996, pp. 56-65 DPDiVincenzo and PWShor, 'Fault-Tolerant Error Correction with Efficient Quantum Codes', Phys. Rev. Lett. 77, 3260 (1996), CHBennett, DPDiVincenzo, JASmolin and WKWootters, 'Mixed-state entanglement and quantum error correction', Phys. Rev. A 54,3824 (1996) A. Ekertand C. Macchiavello, 'Error Correction for Quantum Communication', Phys. Rev. Lett. 77, 2585 (1996), J. Preskill and A. Kitaev, lecture notes §7, California Institute of Technology, (1997-1999), http://www.theory.caltech.edu/people/preskill/ph229/ B. Schumacher, 'Sebding entanglement through noisyquantum channel', Phys. Rev. A 54, 2614 (1996) ARCalderbank and PWShor, 'Good quantum error-correcting codes exist', Phys. Rev. A 54, 1098 (1996), A. Steane, 'Multiple particle interference and quantum error correction', Proc. R. Soc. Lond. A 452 , 2551 (1996), A. Steane, 'Simple quantum error-correcting codes', Phys. Rev. A 54,4741 (1996) D. Gottesman, Ph.D. thesis, California Institute of Technology, LANL quantum Physics archive quant-ph / 9705052 R. Cleve, D. Gottesman and HK.Lo, 'How to Share a Quantum Secret', Phys. Rev. Lett. 83,648 (1999), J. Preskill and A. Kitaev, lecture notes §7, California Institute of Technology, (1997-1999), http://www.theory.caltech.edu/people/preskill/ph229/ GMPalma, KA.Suominen and AKEkert, Quantum Computers and Dissipation ', LANL quantum physics archive quant-ph / 9702001

量子エラー訂正コードを使って、量子情報を複数人で秘密に共有する場合、何人で秘密の共有を行うのか、また、情報を完全に復元するのに最低で何人の協力が必要かにより、選択すべき符号化方法が異なってくる。   When using a quantum error correction code to share secret information among multiple people, select how many people will share the secret and how many people will need to cooperate to restore the information completely. The encoding method to be different is different.

また、情報を共有するまでの手続きを考えた場合、秘密の情報を発する情報源でブロック符号化を行い、ブロックを構成する各qubitを量子通信回線を通じて各人に配ることが想定される。現実の量子回線では、環境との相互作用によりデコヒーレンスが発生し、配送されるqubitはエラーを受ける。そのため、qubitが配送され終わった時点で、エラー検出、訂正を行うのが望ましい。
本発明は、いくつかの特別な場合についての、秘密の量子情報を共有するための符号化方法、および、量子回線で受けたエラーの検出、訂正方法を提供することを目的とする。
Also, when considering the procedure until information is shared, it is assumed that block coding is performed by an information source that emits secret information, and each qubit constituting the block is distributed to each person through a quantum communication line. In an actual quantum line, decoherence occurs due to interaction with the environment, and the delivered qubit receives an error. Therefore, it is desirable to perform error detection and correction when the qubit is delivered.
An object of the present invention is to provide an encoding method for sharing secret quantum information and a method for detecting and correcting an error received in a quantum line for some special cases.

上記の目的を達成するための本発明による量子エラー訂正方法は、
量子二状態系であるqubitを使った任意の量子情報を、情報源において、量子エラー訂正コードでブロック符号化し、1ブロックを構成する複数のブロックqubitを量子通信回線で複数人に配り、
前記情報源において、エラー訂正の際に使用するもつれ合った複数の補助qubit系を構成し、これらを各人に前記量子通信回線で配り、
前記量子エラー訂正コードのエラー検出演算子として各qubitに作用する2×2Pauli行列のテンソル積を用いて、前記情報源から各人にqubitを配送する間の量子通信回線でのデコヒーレンスによる前記ブロックqubit及び補助qubitのエラーを検出、訂正する。
In order to achieve the above object, a quantum error correction method according to the present invention comprises:
Arbitrary quantum information using qubit that is a quantum two-state system is block-coded with a quantum error correction code at an information source, and a plurality of blocks qubit constituting one block are distributed to a plurality of people through a quantum communication line.
In the information source, a plurality of tangled auxiliary qubit systems used for error correction are configured, and these are distributed to each person through the quantum communication line,
The block due to decoherence in a quantum communication line during delivery of a qubit from the information source to each person using a tensor product of 2 × 2 Pauli matrix acting on each qubit as an error detection operator of the quantum error correction code Detect and correct qubit and auxiliary qubit errors.

また、上記の目的を達成する本発明の量子エラー訂正装置は、
量子二状態系であるqubitを使った任意の量子情報を、情報源において、量子エラー訂正コードでブロック符号化し、1ブロックを構成する複数のブロックqubitを量子通信回線で複数人に配る第1配信手段と、
前記情報源において、エラー訂正の際に使用するもつれ合った複数の補助qubit系を構成し、これらを前記複数人の各人に前記量子通信回線で配る第2配信手段と、
前記量子エラー訂正コードのエラー検出演算子として各qubitに作用する2×2Pauli行列のテンソル積を用いて、前記情報源から各人にqubitを配送する間の量子通信回線でのデコヒーレンスによる前記ブロックqubit及び補助qubitのエラーを検出、訂正する検出/訂正手段とを備える。
In addition, the quantum error correction device of the present invention that achieves the above-described object,
The first distribution in which arbitrary quantum information using qubit, which is a quantum two-state system, is block-coded with a quantum error correction code at an information source, and a plurality of blocks qubit constituting one block are distributed to a plurality of people through a quantum communication line Means,
In the information source, a plurality of entangled auxiliary qubit systems used in error correction are configured, and the second distribution means distributes these to each of the plurality of persons through the quantum communication line;
The block due to decoherence in a quantum communication line during delivery of a qubit from the information source to each person using a tensor product of 2 × 2 Pauli matrix acting on each qubit as an error detection operator of the quantum error correction code Detecting / correcting means for detecting and correcting qubit and auxiliary qubit errors.

また、上記の目的を達成するための本発明による量子情報共有方法は、
量子二状態系であるqubitを使った任意の量子情報を、情報源において、量子エラー訂正コードでブロック符号化し、1ブロックを構成する複数のブロックqubitを量子通信回線で複数人に配り、
前記情報源において、エラー訂正の際に使用するもつれ合った複数の補助qubit系を構成し、これらを各人に前記量子通信回線で配ることによって任意の量子情報を複数人で共有し、
前記ブロックqubit及び補助qubitは、前記量子エラー訂正コードのエラー検出演算子として各qubitに作用する2×2Pauli行列のテンソル積を用いることにより、前記情報源から各人にqubitを配送する間の量子通信回線でのデコヒーレンスによるエラーを検出、訂正可能であることを特徴とする。
In addition, the quantum information sharing method according to the present invention for achieving the above object is as follows:
Arbitrary quantum information using qubit that is a quantum two-state system is block-coded with a quantum error correction code at an information source, and a plurality of blocks qubit constituting one block are distributed to a plurality of people through a quantum communication line.
In the information source, a plurality of tangled auxiliary qubit systems used for error correction are configured, and by distributing these to each person through the quantum communication line, arbitrary quantum information is shared by a plurality of persons,
The block qubit and the auxiliary qubit use a tensor product of 2 × 2 Pauli matrix acting on each qubit as an error detection operator of the quantum error correction code, so that a quantum between delivering the qubit from the information source to each person is used. It is possible to detect and correct errors due to decoherence in a communication line.

更に、上記の目的を達成するための本発明による量子情報共有装置は、
量子二状態系であるqubitを使った任意の量子情報を、情報源において、量子エラー訂正コードでブロック符号化し、1ブロックを構成する複数のブロックqubitを量子通信回線で複数人に配る第1配信手段と、
前記情報源において、エラー訂正の際に使用するもつれ合った複数の補助qubit系を構成し、これらを前記複数人の各人に前記量子通信回線で配る第2配信手段とを備え、
前記ブロックqubit及び補助qubitは、前記量子エラー訂正コードのエラー検出演算子として各qubitに作用する2×2Pauli行列のテンソル積を用いることにより、前記情報源から各人にqubitを配送する間の量子通信回線でのデコヒーレンスによるエラーを検出、訂正可能である。
Furthermore, a quantum information sharing apparatus according to the present invention for achieving the above object is as follows.
The first distribution in which arbitrary quantum information using qubit, which is a quantum two-state system, is block-coded with a quantum error correction code at an information source, and a plurality of blocks qubit constituting one block are distributed to a plurality of people through a quantum communication line Means,
The information source comprises a plurality of tangled auxiliary qubit systems used in error correction, and a second distribution means for distributing them to each of the plurality of persons through the quantum communication line,
The block qubit and the auxiliary qubit use a tensor product of 2 × 2 Pauli matrix acting on each qubit as an error detection operator of the quantum error correction code, so that a quantum between delivering the qubit from the information source to each person is used. It is possible to detect and correct errors due to decoherence in the communication line.

本発明によれば、秘密の量子情報を共有することが可能となるとともに、その量子情報の配信の間に量子回線で受けたエラーを検出し、訂正することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to share secret quantum information and to detect and correct an error received on the quantum line during the distribution of the quantum information.

以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

以下の第1の実施形態においては、4人で秘密の共有を行い、1人では量子情報について何も得られず、2人では部分的な情報しか得られず、3人以上だと情報を完全に復元することが出来る符号化方法を説明する。また、第2の実施形態においては、6人で秘密の共有を行い、2人以下では量子情報について何も得られず、3人では協力する人の組み合わせによって元々の情報が完全に得られるか、全く得られないかのどちらかに分かれ、4人以上だと情報を完全に復元することが出来る符号化方法を説明する。また、各実施形態において、これらの符号での、エラーを検出するための演算子、および、エラーを受けた符合語にこれらの演算子を作用させたときの固有値を調べ、エラー検出、訂正をフォールト・トレラントに行うためのゲート・ネットワークを構成する。ゲート・ネットワークにおいて補助qubitとして使用する複数のqubitのもつれ合った状態は、情報源で構成し、各qubitを量子通信回線で各人に配送する。そのため、ブロックqubit、補助qubit共に回線の途中でエラーを受けるが、これら全体でのエラーの検出、訂正を行う。   In the following first embodiment, four people share secrets, one person can obtain nothing about quantum information, two people can obtain only partial information, and three or more can share information. An encoding method that can be completely restored will be described. Also, in the second embodiment, 6 people share a secret, and 2 or less people get nothing about quantum information, and 3 people can get the original information completely by the combination of cooperating people The coding method can be divided into either one of them, which cannot be obtained at all, and the information can be completely restored when there are four or more people. Further, in each embodiment, an operator for detecting an error in these codes and an eigenvalue when these operators are applied to a code word that has received an error are checked, and error detection and correction are performed. Configure a gate network to be fault tolerant. The entangled state of a plurality of qubits used as auxiliary qubits in the gate network is composed of information sources, and each qubit is delivered to each person through a quantum communication line. For this reason, both the block qubit and the auxiliary qubit receive an error in the middle of the line, but errors are detected and corrected as a whole.

以上により、量子通信回線を通じて各人にqubitが配送され終わった時点で、エラー検出、訂正を行う際、例えば、ある二人が、互いのqubitを持ち寄って、2-qubitにまたがるユニタリー変換を作用させて、2-qubit間にもつれ合いを生じさせるようなことはできない。qubitを持っている複数人は、古典通信回線を通じて連絡し合うこと、および、各人の持つqubitに対して任意のユニタリー変換を行うことの、二種類の操作しか許されていない。上述した、フォールト・トレラントなエラー訂正を行えば、このような状況でのエラー検出、訂正が可能となる。   As described above, when error detection and correction are performed when qubits are delivered to each person through the quantum communication line, for example, two people bring each other's qubits and perform unitary transformation across 2-qubits. It is not possible to cause entanglement between 2-qubits. Multiple people who have qubits are allowed only two types of operations: communicating through classical communication lines and performing arbitrary unitary transformations on each person's qubit. If the fault-tolerant error correction described above is performed, the error can be detected and corrected in such a situation.

(第1の実施形態)
第1の実施形態は、4人で量子情報の共有を行なうための量子エラー訂正方法と訂正装置、および、量子情報を複数人の間で秘密に共有する方法と装置について説明したものである。
(First embodiment)
The first embodiment describes a quantum error correction method and correction apparatus for sharing quantum information among four persons, and a method and apparatus for secretly sharing quantum information among a plurality of persons.

すなわち、量子二状態系(qubit)を使った、任意の量子情報の入力手段、記憶手段、演算手段、出力手段を用意し、任意の量子情報を、量子エラー訂正コードでブロック符号化し、1ブロックを構成する複数の量子二状態系(qubit)を複数人に配ることで、元の量子情報を秘密にしたまま共有、保存する際、情報源から各人にqubitを配送する間の量子通信回線でのデコヒーレンスによるエラーを検出、訂正し、情報源から各人にqubitを配送する間の量子通信回線でのデコヒーレンスによるエラーを除去する際、複数人の間で古典通信回線を使って連絡し合いながら、各人が手元に持つqubitに任意のユニタリー変換を作用させることで、エラー検出、訂正できる、フォールト・トレラントな性質を持ち、量子通信回線でブロック中の一個のqubitが位相エラーを受けた際にはこれを訂正し、また、補助qubit中の一個のqubitが位相エラーを受けた際にはこれを検出することを特徴とする量子エラー訂正方法と訂正装置が開示される。   That is, an arbitrary quantum information input means, storage means, calculation means, and output means using a quantum two-state system (qubit) are prepared, and arbitrary quantum information is block-coded with a quantum error correction code, and one block By distributing multiple quantum two-state systems (qubits) that make up qubits to multiple people, when the original quantum information is shared and stored secretly, the quantum communication line between delivering the qubits from the information source to each person When detecting and correcting errors due to decoherence in the network, and removing errors due to decoherence in the quantum communication line during the delivery of qubits from the information source to each person, multiple people are contacted using the classical communication line However, each unit has a fault-tolerant property that can be detected and corrected by applying arbitrary unitary transformations to the qubits held by each person. A quantum error correction method and a correction apparatus are disclosed, which corrects this when receiving a signal, and detects a phase error when one qubit in an auxiliary qubit receives a phase error. .

また、さらに、上記構成において、任意の量子情報をブロック符号化する量子エラー訂正コードとして、1-qubitを4-qubitで符号化し、各qubitを4人に配布することで秘密の共有を行い、1人では量子情報について何も得られず、2人では部分的な情報しか得られず、3人以上だと情報を完全に復元することが出来ることを特徴とする、量子情報を複数人の間で秘密に共有する方法と装置について説明する。   Further, in the above configuration, as a quantum error correction code for block encoding arbitrary quantum information, 1-qubit is encoded with 4-qubit, and each qubit is distributed to four people to share secrets, One person can obtain nothing about quantum information, two can obtain only partial information, and three or more can fully restore information. A secret sharing method and apparatus will be described.

次の4-qubitコードを考える。

Figure 2005269105
ただし、規格化定数は省略しており、〈ci|cj〉=δijとする。この4-qubitコードは、エラーがσzタイプに限られるなら、1-qubitエラーが訂正可能である。しかし、任意のエラーが発生する状況では、1-qubitのσxエラーが検出可能であるのみで、1-qubitのσyエラーとσzエラーを区別できない。従って、このコードは位相エラーのみ発生する系では有効と考えられる。さらに、このコードには、以下で議論するように、いくつかの特徴が見られる。 Consider the following 4-qubit code:
Figure 2005269105
However, the normalization constant is omitted, and <c i | c j > = δ ij is assumed. This 4-qubit code can correct a 1-qubit error if the error is limited to the σ z type. However, in a situation where an arbitrary error occurs, only the 1-qubit σ x error can be detected, and the 1-qubit σ y error cannot be distinguished from the σ z error. Therefore, this code is considered effective in a system in which only a phase error occurs. In addition, the code has several features, as discussed below.

まず、どのようなエラーが訂正可能か、詳しく調べることにする。次の関係に着目する。

Figure 2005269105
ただし、
Figure 2005269105
これより、{|c0〉,|c1〉}を不変にする演算子が三つ見付かったことになる。Kiとエラーを表すPauli行列との交換、反交換関係を調べることにする。
Figure 2005269105
これより、例えば、符号化された任意の状態|ψ〉=α|c0〉+β|c1〉の0番目のqubitに位相エラーσz (0)が作用した場合、K0|ψ〉=|ψ〉に注意すると、
Figure 2005269105
で、固有値−1が得られる。図2にエラーとK0,K1,K2の固有値の関係をまとめておく。これを見ると、1-qubitのσxタイプのエラーが検出可能なこと、また、σzとσyのエラーの区別が付かないことが分かる。これは、
Figure 2005269105
という事情による。 First, we will investigate in detail what errors can be corrected. Focus on the following relationship:
Figure 2005269105
However,
Figure 2005269105
From this, three operators that make {| c 0 >, | c 1 >} invariant have been found. Let us examine the exchange and anti-exchange relations between K i and Pauli matrices representing errors.
Figure 2005269105
Thus, for example, when the phase error σ z (0) acts on the 0th qubit of an encoded arbitrary state | ψ> = α | c 0 > + β | c 1 >, K 0 | ψ> = Note that | ψ>
Figure 2005269105
Thus, the eigenvalue −1 is obtained. FIG. 2 summarizes the relationship between the error and the eigenvalues of K 0 , K 1 , and K 2 . From this, it can be seen that 1-qubit σ x type errors can be detected, and that σ z and σ y errors cannot be distinguished. this is,
Figure 2005269105
It depends on the circumstances.

この4-qubitコードはエラー訂正という面では不完全だが、秘密の共有という観点では良い性質を持っている。4-qubitコードの中の任意の1-qubitを観測することを考える。4-qubitの密度演算子をρ=|ψ〉〈ψ|、ただし、|ψ〉=α|c0〉+β|c1〉、|α|2+|β|2=1とすると、その中の1-qubitの密度演算子は、

Figure 2005269105
で与えられる。これは、4-qubit中の1個のqubitだけを観測しても、量子情報(α,βについての情報)を全く得ることが出来ないことを意味する。 This 4-qubit code is incomplete in terms of error correction, but has good properties in terms of secret sharing. Consider observing any 1-qubit in a 4-qubit code. If the 4-qubit density operator is ρ = | ψ><ψ |, where | ψ> = α | c 0 > + β | c 1 >, | α | 2 + | β | 2 = 1, The 1-qubit density operator is
Figure 2005269105
Given in. This means that even if only one qubit in 4-qubit is observed, quantum information (information about α and β) cannot be obtained at all.

しかし、2個のqubitを観測した場合、事情は異なってくる。0番目と1番目のqubitを観測する場合、

Figure 2005269105
また、
Figure 2005269105
で、二人の観測者は|α|2,|β|2を統計的な情報として得ることが出来る。0番目と2番目のqubitを観測する場合、
Figure 2005269105
また、
Figure 2005269105
で、二人の観測者はIm(αβ*)を統計的な情報として得ることが出来る。特に、もともとの情報がα=0またはβ=0の古典情報だった場合、ρ(0,1),ρ(0,3),ρ(2,3),ρ(1,2)は観測によって完全に知ることが出来る。 However, when two qubits are observed, the situation is different. When observing the 0th and 1st qubit,
Figure 2005269105
Also,
Figure 2005269105
Thus, the two observers can obtain | α | 2 and | β | 2 as statistical information. When observing the 0th and 2nd qubits,
Figure 2005269105
Also,
Figure 2005269105
Thus, the two observers can obtain Im (αβ * ) as statistical information. In particular, if the original information was classical information with α = 0 or β = 0, ρ (0,1) , ρ (0,3) , ρ (2,3) , ρ (1,2) You can know completely.

そこで、任意の量子情報をこの4-qubitコードで符号化し、4人が各自1-qubitずつ持つことにすれば、秘密を共有し合うことが出来る。たとえ一人が、残りの三人に無断で量子状態を観測しても、秘密情報を得ることは一切できない。これは、三人の同意があれば情報を取り出すことが可能ということでもある。また、二人が合意すれば情報を部分的に破壊することも出来る。図3に、0,1,2番目のqubitを持つ三人による復号化の手順を示す。ネットワークの途中で、controoled-controlled σz(CC-σz)ゲートと呼ばれる、二つの制御qubitが共に|1〉のときのみ標的qubitにσzを作用させるゲートを使用している。これにより、

Figure 2005269105
と変換され、0番目のqubitに元々の量子情報が復元される。 Therefore, if arbitrary quantum information is encoded with this 4-qubit code and each of the four people has 1-qubit, secrets can be shared. Even if one person observes the quantum state without the permission of the other three, no secret information can be obtained. This also means that information can be retrieved with the consent of the three people. Moreover, if two people agree, information can also be partially destroyed. FIG. 3 shows a decoding procedure by three persons having the 0th, 1st and 2nd qubits. In the middle of the network, a gate called a controlled-controlled σ z (CC-σ z ) gate that applies σ z to the target qubit is used only when the two controlled qubits are both | 1>. This
Figure 2005269105
And the original quantum information is restored to the 0th qubit.

このような、秘密の共有に使用できるという性質は、4-qubitでは、このコード特有の性質になっている。同じ4-qubitコードでも、

Figure 2005269105
では、|ψ〉=α|φ0〉+β|φ1〉、|α|2+|β|2=1、ρ=|ψ〉〈ψ|とすると、1-qubitの密度演算子は、
Figure 2005269105
で与えられる。これは、一人が手元のqubitを観測しても、何らかの情報が得られることを示している。ただし、元の情報が古典的であるならば、秘密は守られる。 This kind of property that can be used for secret sharing is unique to this code in 4-qubit. Even with the same 4-qubit code
Figure 2005269105
Then, if | ψ> = α | φ 0 > + β | φ 1 >, | α | 2 + | β | 2 = 1, ρ = | ψ><ψ |, the density operator of 1-qubit is
Figure 2005269105
Given in. This shows that even if one person observes the qubit at hand, some information can be obtained. However, if the original information is classic, the secret is preserved.

ここで、秘密の共有の手順をより具体的に考えてみることにする(図5)。ある情報源で、秘密にしたい高価な情報が発せられたとする。情報が量子情報であれば、完全な複製を作ることは不可能で、そのまま直ちに4-qubitに符号化されたとする。符号化は、例えば図4のゲート・ネットワークを組めば良い。これにより、1-qubitの任意の状態α|0〉+β|1〉は、

Figure 2005269105
と符号化される。 Here, the secret sharing procedure will be considered more specifically (FIG. 5). Suppose that a certain information source provides expensive information that you want to keep secret. If the information is quantum information, it is impossible to make a complete copy, and it is immediately encoded into 4-qubit as it is. For example, the gate network shown in FIG. As a result, any state α | 0> + β | 1> of 1-qubit is
Figure 2005269105
Is encoded.

次に、四つのqubitは量子通信回線を通って四人に配られる。ここで、回線において位相エラー(σzエラー)が発生するが、情報源と符号化装置、および、四人のqubitを操作する装置では、エラーが発生しない(または、無視できるほどエラー発生確率が小さい)状況を考える。 Next, four qubits are distributed to four people through quantum communication lines. Here, a phase error (σ z error) occurs in the line. However, in the information source, the encoding device, and the device that operates four qubits, no error occurs (or the error occurrence probability is negligible). (Small) Think about the situation.

qubitの配送が行われた直後、四人は共同でエラー訂正を行わなくてはならない。このとき、四人は、各自の持つqubitをユニタリー変換すること、互いに古典情報を送り合うことは出来るが、異なる者の持つ二つのqubitにもつれ合いを生じさせるような操作、例えば二人の持つqubit間でC-NOTを行うなどはできないとする。これは、フォールト・トレラントにエラー訂正することと同じである。   Immediately after the delivery of qubit, the four must work together to correct the error. At this time, the four people can unitary transform their qubit and send classical information to each other, but operations that cause entanglement between two qubits of different people, for example, the qubit of two people Suppose you can't do C-NOT. This is the same as fault-tolerant error correction.

図1に、このコードをフォールト・トレラントにエラー訂正するネットワークを示す。ただし、

Figure 2005269105
とする。ここで、
Figure 2005269105
という関係を利用している。 FIG. 1 shows a network for error correction of this code in a fault tolerant manner. However,
Figure 2005269105
And here,
Figure 2005269105
Is used.

0,1,2,3番目のqubitは、A,B,C,Dの四人が持っていると考える。Miの固有値を書き込む補助qubitも、複数のqubitからなるweightが偶な基底の重ね合わせ|Φ〉を使い、各qubitをA,B,C,Dが分け合って持つことにする。|Φ〉も情報源で作り、図5のように回線を使って各人に配るとすれば、補助qubitに生じるエラーもσzタイプと考えて良い。 It is considered that the four people A, B, C, and D have the 0, 1, 2, and 3rd qubits. The auxiliary qubit for writing the eigenvalue of M i also uses a superposition | Φ> of weights consisting of a plurality of qubits, and each qubit is shared by A, B, C, and D. If | Φ> is also created from information sources and distributed to each person using a line as shown in FIG. 5, the error that occurs in the auxiliary qubit can be considered as the σ z type.

ここで、σzエラーは4-qubitおよび補助qubitを合わせた全体のうちの1-qubitにのみ発生するとする。エラー訂正の手順を検討してみる。M0,M1のパリティ検査のとき、補助qubitにσzエラーが生じていると、4-qubitコードにはσxエラーが一個伝わる。これは、もう一度パリティ検査を繰り返せば検出可能である。 Here, it is assumed that the σ z error occurs only in 1-qubit of the total of 4-qubit and auxiliary qubit. Consider the error correction procedure. If a σ z error occurs in the auxiliary qubit during the parity check of M 0 and M 1 , one σ x error is transmitted to the 4-qubit code. This can be detected by repeating the parity check once again.

また、M2,のパリティ検査で補助qubitのσzエラーがブロック内の4-qubitに伝わる場合については、次のように考えると良い。1番目、2番目のqubitにエラーが伝わる場合、必ずσzエラーとなる。一方、0番目、3番目のqubitにエラーが伝わる場合、

Figure 2005269105
でσyエラーとなる。ブロック内にσyエラーが生じると、σzエラーとの区別が出来ず取り扱いが難しそうに思えるが、パリティ検査を二回繰り返し、一回目と二回目の検査結果を比較すると問題は回避できる。 The case where the σ z error of the auxiliary qubit is transmitted to the 4-qubit in the block by the parity check of M 2 , can be considered as follows. When an error is transmitted to the first and second qubits, a σ z error always occurs. On the other hand, if an error is transmitted to the 0th and 3rd qubits,
Figure 2005269105
Causes a σ y error. When a σ y error occurs in a block, it seems difficult to handle it because it cannot be distinguished from a σ z error, but the problem can be avoided by repeating the parity check twice and comparing the first and second check results.

例えば、一回目の検査で(M0,M1,M2=(1,1,1)が得られ、このときのM2測定でσy (3)がエラーとして発生したとする。二回目の検査では(M0,M1,M2=(1,-1,1)が得られる。よって、4-qubitのブロック内にはσz (1)かσy (3)のどちらかのエラーが生じていると分かるが、どちらかに特定することは出来ない。しかし、一回目と二回目のパリティ検査の結果の比較により、少なくとも一回目のM2測定で補助qubitからエラーが伝わってきたことは分かる。 For example, assume that (M 0 , M 1 , M 2 = ( 1 , 1 , 1) is obtained in the first inspection, and σ y (3) is generated as an error in the M 2 measurement at this time. (M 0 , M 1 , M 2 = (1, -1, 1) is obtained. Therefore, in the 4-qubit block, either σ z (1) or σ y (3) is obtained. Although it is known that an error has occurred, it cannot be specified as either, but by comparing the results of the first and second parity checks, the error is transmitted from the auxiliary qubit at least in the first M 2 measurement. I understand that.

以上の考察から、補助qubitから4-qubitブロックに伝わったエラーは、訂正は出来ないが、必ず検出可能である。このようなパリティ検査を繰り返し、結果を古典通信回線で四者間で知らせ合い、エラーを同定する。エラー検出はされたが訂正不可能な場合は、各自qubitを捨てて、再度、情報源から符号化されたqubitを受け取るようにすれば良い。   From the above considerations, errors transmitted from the auxiliary qubit to the 4-qubit block cannot be corrected, but can always be detected. Such parity check is repeated, and the result is communicated between the four parties through the classical communication line, and the error is identified. If an error is detected but cannot be corrected, each qubit is discarded and the encoded qubit is received from the information source again.

(第2の実施形態)
本実施形態は、6人で量子情報を秘密に共有することを可能とする方法と装置について説明したものである。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, a method and apparatus that enable six people to share quantum information in a secret manner will be described.

すなわち、量子二状態系(qubit)を使った、任意の量子情報の入力手段、記憶手段、演算手段、出力手段を用意し、任意の量子情報を、量子エラー訂正コードでブロック符号化し、1ブロックを構成する複数の量子二状態系(qubit)を複数人に配ることで、元の量子情報を秘密にしたまま共有、保存する際、情報源から各人にqubitを配送する間の量子通信回線でのデコヒーレンスによるエラーを検出、訂正し、情報源から各人にqubitを配送する間の量子通信回線でのデコヒーレンスによるエラーを除去する際、複数人の間で古典通信回線を使って連絡し合いながら、各人が手元に持つqubitに任意のユニタリー変換を作用させることで、エラー検出、訂正できる、フォールト・トレラントな性質を持ち、量子通信回線でブロック、および、補助qubit中の一個のqubitがエラーを受けた際、これを検出することを特徴とする量子エラー訂正方法と訂正装置を説明する。   That is, an arbitrary quantum information input means, storage means, calculation means, and output means using a quantum two-state system (qubit) are prepared, and arbitrary quantum information is block-coded with a quantum error correction code, and one block By distributing multiple quantum two-state systems (qubits) that make up the qubit to multiple people, when the original quantum information is shared and stored secretly, the quantum communication line between delivering the qubit from the information source to each person When detecting and correcting errors due to decoherence in the network, and removing errors due to decoherence in the quantum communication line during the delivery of qubits from the information source to each person, multiple people are contacted using the classical communication line However, each unit has a fault-tolerant property that can be detected and corrected by applying arbitrary unitary transformations to the qubits at hand. A quantum error correction method and a correction apparatus characterized by detecting an error when each qubit receives an error will be described.

また、さらに、任意の量子情報をブロック符号化する量子エラー訂正コードとして、1-qubitを6-qubitで符号化し、各qubitを6人に配布することで秘密の共有を行い、2人以下では量子情報について何も得られず、3人では協力する人の組み合わせによって元々の情報が完全に得られるか、全く得られないかのどちらかに分かれ、4人以上だと情報を完全に復元することが出来ることを特徴とする、量子情報を複数人の間で秘密に共有する方法と装置について説明する。   Furthermore, as a quantum error correction code for block coding of arbitrary quantum information, 1-qubit is encoded with 6-qubit, each qubit is distributed to 6 people, and secret is shared. There is nothing about quantum information, and the three people can either get the original information completely or not at all depending on the combination of cooperating people, and if it is four or more, the information is completely restored A method and apparatus for secretly sharing quantum information among a plurality of persons will be described.

次の二種類の6-qubitコードを考える。

Figure 2005269105
ただし、規格化定数は省略している。これら四つの状態は互いに直交し合う。これらの6-qubitコードは1-qubitのエラーが検出可能である。さらに、これらのコードを上手く利用すれば、6人が秘密の共有を行い、任意の二人が共同で秘密情報を取り出すのを無効にすることができる。 Consider the following two 6-qubit codes:
Figure 2005269105
However, normalization constants are omitted. These four states are orthogonal to each other. These 6-qubit codes can detect 1-qubit errors. Furthermore, if these codes are used successfully, 6 people can share secrets, and any two people can disable the extraction of secret information jointly.

まず、エラー訂正の性質について詳しく調べることにする。次の五つの演算子を用意する。

Figure 2005269105
次の関係が成立する。
Figure 2005269105
これより、
Figure 2005269105
を不変にする演算子が5個見付かったことになる。図6にエラーとKi(i=0,…,4)の固有値の関係をまとめておく。 First, we will investigate in detail the nature of error correction. Prepare the following five operators.
Figure 2005269105
The following relationship holds.
Figure 2005269105
Than this,
Figure 2005269105
5 operators have been found to make the invariant. FIG. 6 summarizes the relationship between errors and eigenvalues of K i (i = 0,..., 4).

次のような符号化による秘密の共有を考える。1-qubitの量子情報|ψ〉=α|0〉+β|1〉を、混合状態、

Figure 2005269105
で符号化する。6-qubit中の任意の2-qubitの密度演算子は、
Figure 2005269105
となる。これは、6-qubit中の2個のqubitだけを観測しても、量子情報(α,βについての情報)を全く得ることが出来ないことを意味する。また、上の結果より、6-qubit中の任意の1-qubitの密度演算子は、
Figure 2005269105
となる。6-qubit中の3-qubitの密度演算子については、
Figure 2005269105
および
Figure 2005269105
が成立する。(15)の場合、α,βの情報を完全に取り出すことが出来る。 Consider sharing secrets with the following encoding: 1-qubit quantum information | ψ> = α | 0> + β | 1>
Figure 2005269105
Encode with Any 2-qubit density operator in 6-qubit is
Figure 2005269105
It becomes. This means that quantum information (information about α and β) cannot be obtained at all even if only two qubits in 6-qubit are observed. From the above result, the density operator of any 1-qubit in 6-qubit is
Figure 2005269105
It becomes. For the 3-qubit density operator in 6-qubit,
Figure 2005269105
and
Figure 2005269105
Is established. In the case of (15), the information of α and β can be completely extracted.

そこで、任意の量子情報をこの6-qubitの混合状態のコードで符号化し、6人が各自1-qubitずつ持つことにすれば、秘密を共有し合うことが出来る。たとえ二人までが残りの人に無断で量子状態を観測しても、秘密情報を得ることは一切できない。これは、少なくとも四人の同意があれば情報を取り出すことが可能ということでもある。例えば、0,1,2,3番目のqubitを持つ四人が共同で秘密情報を取り出すには、図7のゲート・ネットワークで示される操作をすれば良い。三人が共同で観測する場合は、秘密情報を完全に取り出すことが出来る組み合わせと、一切取り出せない組み合わせが存在する。   Therefore, if arbitrary quantum information is encoded with this 6-qubit mixed state code and each of the six people has 1-qubit, secrets can be shared. Even if up to two people observe the quantum state without the permission of the rest, no secret information can be obtained. This also means that information can be retrieved with the consent of at least four people. For example, in order for four people having 0th, 1st, 2nd and 3rd qubits to jointly extract confidential information, the operation shown in the gate network of FIG. 7 may be performed. When three people observe jointly, there are combinations that can completely extract confidential information and combinations that cannot be extracted at all.

最後に、この6-qubitコードでの符号化方法を説明する。このコードは、

Figure 2005269105
の二種類のコードが1/2ずつの確率で混じっている。一つ目の符号は例えば図8(i)のゲート・ネットワークを組めば良い。これにより、1-qubitの任意の状態は、
Figure 2005269105
と符号化される。二つ目の符号は図8(ii)のゲート・ネットワークを組めば良い。図8(i),図8(ii)の二つのネットワークのどちらかで確率1/2で符号化すれば(13)が得られる。 Finally, an encoding method using the 6-qubit code will be described. This code
Figure 2005269105
The two types of codes are mixed with a probability of 1/2. For example, the first code may be a gate network shown in FIG. With this, any state of 1-qubit is
Figure 2005269105
Is encoded. The second code may be formed by the gate network shown in FIG. 8 (ii). If encoding is performed with probability 1/2 in one of the two networks of FIG. 8 (i) and FIG. 8 (ii), (13) is obtained.

(第3の実施形態)
本実施形態は、第1の実施形態の量子二状態系(qubit)を使った、任意の量子情報の入力手段、記憶手段、演算手段、出力手段について説明したものである。なお、上記の第2の実施形態での量子二状態系(qubit)を使った情報処理の過程でも、これらの情報の入力手段、記憶手段、演算手段、出力手段は共通して使用される。
(Third embodiment)
In this embodiment, arbitrary quantum information input means, storage means, calculation means, and output means using the quantum two-state system (qubit) of the first embodiment are described. In the information processing process using the quantum two-state system (qubit) in the second embodiment, the information input means, storage means, calculation means, and output means are commonly used.

また、使用する量子二状態系(qubit)として、電子、核子等のスピン、特に、固体中の電子、核子のスピン、高分子化合物中の核子のスピン、また、イオンの基底状態と励起状態を利用することを特徴とする、量子エラー訂正方法と訂正装置、並びに、量子情報を複数人の間で秘密に共有する方法と装置について説明する。   In addition, as the quantum two-state system (qubit) used, spins of electrons, nucleons, etc., especially electrons in solids, spins of nucleons, spins of nucleons in polymer compounds, and ground and excited states of ions A quantum error correction method and correction apparatus, and a method and apparatus for secretly sharing quantum information among a plurality of persons will be described.

前の第1,2の実施形態で使用したqubitは、互いに直交し合う二状態を基底とするヒルベルト空間を実現する量子系であれば、どのよう物理系であっても本質的な違いはない。qubitの候補としては、例えば、電子、核子等のスピン、特に、固体中の電子、核子のスピン、高分子化合物中の核子のスピン、また、イオンの基底状態と励起状態が挙げられる。   The qubit used in the previous first and second embodiments has no essential difference in any physical system as long as it is a quantum system that realizes a Hilbert space based on two states that are orthogonal to each other. . Examples of qubit candidates include spins of electrons and nucleons, particularly electrons in solids, spins of nucleons, spins of nucleons in polymer compounds, and ground and excited states of ions.

例えば、核子のスピンについて考えてみる。一様な静磁場B(ベクトル)の中での、二個の核スピンのハミルトニアンは、次の様に与えられる。

Figure 2005269105
(16)の第二項はZeeman項、第三項はスピン−スピン相互作用項を表している。ここで、磁場がz軸を向いていて(B=(0,0,B0))、また、スピン−スピン相互作用がZeeman効果によるエネルギー準位のずれより十分に小さいとする。すなわち、
Figure 2005269105
とする。z方向の強い磁場のために、二つのスピンはz方向にそろった方がエネルギーが低く抑えられ、第三項はz成分のスカラー相互作用に近似できる。ハミルトニアンは、
Figure 2005269105
ただし、
Figure 2005269105
となる。ここで、ωA−ωBはわずかに異なるとし、そのずれを、Δε=|ωA−ωB|とする。エネルギー準位のずれをまとめると、図9のようになる。 For example, consider the nucleon spin. The Hamiltonian of two nuclear spins in a uniform static magnetic field B (vector) is given by
Figure 2005269105
The second term of (16) represents the Zeeman term, and the third term represents the spin-spin interaction term. Here, it is assumed that the magnetic field is directed to the z-axis (B = (0,0, B 0 )) and that the spin-spin interaction is sufficiently smaller than the energy level shift due to the Zeeman effect. That is,
Figure 2005269105
And Because of the strong magnetic field in the z direction, the energy of the two spins aligned in the z direction is kept low, and the third term can be approximated by a z-component scalar interaction. Hamiltonian
Figure 2005269105
However,
Figure 2005269105
It becomes. Here, it is assumed that ω A −ω B is slightly different, and the deviation is Δε = | ω A −ω B |. The energy level shift is summarized as shown in FIG.

スピンをz方向に対角化したときの下向きを|1〉、上向きを|0〉とすると、核スピン系をqubit系と見なすことができる。核スピンを複数個用意すれば、複数個のqubit系を用意したことになる。このqubit系に初期状態として|0…0〉を入力したいのであれば、z軸方向の十分強い一様な静磁場B=(0,0,B)を核スピン系全体にかければ良い。これにより、全ての核スピンが磁場の方向に整列する。従って、外部磁場と核スピンの相互作用(Zeeman効果)による制御が、この場合の情報の入力手段となる。   When the spin is diagonalized in the z direction and the downward direction is | 1> and the upward direction is | 0>, the nuclear spin system can be regarded as a qubit system. If multiple nuclear spins are prepared, multiple qubit systems are prepared. If it is desired to input | 0 ... 0> as an initial state to this qubit system, a sufficiently strong uniform static magnetic field B = (0, 0, B) in the z-axis direction may be applied to the entire nuclear spin system. This aligns all nuclear spins in the direction of the magnetic field. Therefore, control by the interaction between the external magnetic field and the nuclear spin (Zeeman effect) becomes the information input means in this case.

一度、核スピンの量子状態が確定すれば、少なくともデコヒーレンス時間以内であれば、状態は保持される。そこで、これを情報の記憶手段と考えて良い。   Once the quantum state of the nuclear spin is determined, the state is retained at least within the decoherence time. Therefore, this may be considered as information storage means.

演算手段は以下のようになる。qubit系に施される演算は全て、qubit系の張るヒルベルト空間上のユニタリー変換である。複数のqubitに対する任意のユニタリー変換は、1-qubitの任意のユニタリー変換と、2-qubit間のC-NOTゲートを組み合わせることで実現可能である。これらのユニタリー変換は、図9に示される状態間のエネルギー準位差からわずかにずれたエネルギーに相当する周波数の電磁波(レーザーパルス)を核スピンに照射することで実行できる。電磁波を照射された核スピンでは、周波数に相当するエネルギー差のある準位間でBloch振動を起こす。レーザーパルスの強度と照射時間を調節すれば目的の状態に自由に遷移させることが出来る。   The calculation means is as follows. All operations performed on the qubit system are unitary transformations on the Hilbert space that the qubit system stretches. Arbitrary unitary transformation for multiple qubits can be realized by combining arbitrary unitary transformation of 1-qubit and C-NOT gate between 2-qubits. These unitary transformations can be executed by irradiating nuclear spins with electromagnetic waves (laser pulses) having a frequency corresponding to energy slightly shifted from the energy level difference between the states shown in FIG. In nuclear spins irradiated with electromagnetic waves, Bloch oscillations occur between levels with energy differences corresponding to frequencies. If the intensity of the laser pulse and the irradiation time are adjusted, the target state can be freely changed.

例えば、

Figure 2005269105
の周波数の電磁波を照射すれば、|↓↓〉,|↓↑〉との間でユニタリー回転が実行できる。共鳴パルスを上手く組み合わせれば、C-NOTも実行できる。従って、外部磁場と核スピンの相互作用(Zeeman効果)、および、スピン−スピン相互作用によるエネルギー準位のずれを利用したBloch振動が、この場合の情報の演算手段となる。 For example,
Figure 2005269105
Unitary rotation can be executed between | ↓↓> and | ↓ ↑>. If the resonance pulses are combined well, C-NOT can also be executed. Therefore, Bloch oscillation using the interaction between the external magnetic field and the nuclear spin (Zeeman effect) and the energy level shift due to the spin-spin interaction is the information calculation means in this case.

qubitから出力を得るとは、核スピンのz軸方向を観測することである。これを行う方法についても、様々なものが考案されている。最も理解しやすい方法は、量子力学の導入でしばしば例に出されるシュテルン−ゲルラッハ装置と呼ばれるもので、測定したい核スピンをビームとして、一様でない磁場中を通過させる(「ファインマン物理学V量子力学」、砂川重信訳、岩波書店(1979))。磁場とその勾配はz方向を向いているとし、核子のビームは磁場と垂直に入射するとする。核子のビームはスピンのz方向成分によって分裂し、これを検出すれば核スピンのz軸方向を観測したことになる。また、核スピンの情報を電子スピンに置き換え、これを観測する方法が、文献(B.E.Kane, 'A silicon-based nuclear spin quantum computer', Nature, 393, p.133-137(1998))で提案されている。よって、これらを情報の出力手段と見なすこととする。   Obtaining output from qubit means observing the z-axis direction of nuclear spins. Various methods for doing this have also been devised. The most easily understood method is called the Stern-Gerlach device, which is often given as an example in the introduction of quantum mechanics. The nuclear spin to be measured is passed through a non-uniform magnetic field as a beam. ”Translated by Shigenobu Sunagawa, Iwanami Shoten (1979)). Assume that the magnetic field and its gradient are oriented in the z direction, and the nucleon beam is incident perpendicular to the magnetic field. The nucleon beam is split by the z-direction component of the spin, and if this is detected, the z-axis direction of the nuclear spin is observed. Also, a method of observing nuclear spin information by replacing it with electron spin was proposed in the literature (BEKane, 'A silicon-based nuclear spin quantum computer', Nature, 393, p.133-137 (1998)). Has been. Therefore, these are regarded as information output means.

以上は核スピンを例にとって説明したが、他の物理系をqubitとして使用した場合も、情報の入力手段、記憶手段、演算手段、出力手段を用意することが可能であり、そこで使われる物理的な考え方も、上の説明と共通する部分が多い。   The above has been described by taking nuclear spins as an example, but even when other physical systems are used as qubits, it is possible to prepare information input means, storage means, calculation means, and output means, and the physical used there There are many similarities to this explanation.

文献(J.I.Cirac and P.Zoller, 'Quantum Computations with Cold Trapped Ions', Phys. Rev. Lett.74,4091(1995))には、Cold Trapped Ionsと呼ばれる方法で、C-NOTゲートを実行する方法が議論されている。この場合、n個のイオンを直線状に捕獲し、各イオンの基底状態と第一励起状態をqubitの{|0〉,|1〉}と見なす。量子ゲートの操作は、外部から各イオンへレーザー照射することによって実現される。   In the literature (JICirac and P. Zoller, 'Quantum Computations with Cold Trapped Ions', Phys. Rev. Lett. 74, 4091 (1995)) Has been discussed. In this case, n ions are captured linearly, and the ground state and the first excited state of each ion are regarded as qubit {| 0>, | 1>}. The operation of the quantum gate is realized by irradiating each ion with a laser from the outside.

直線状に捕獲されたイオンは、クーロン相互作用し、各イオンは平衡点を中心に振動する。この振動モードが量子化されると、phononとなって、補助qubitとして利用できる。先の文献では、このphononモードを巧みに利用して、C-NOTゲートを実行する方法が提案されている。   The ions trapped in a straight line interact with each other, and each ion oscillates around the equilibrium point. When this vibration mode is quantized, it becomes a phonon and can be used as an auxiliary qubit. In the previous document, a method for executing the C-NOT gate by skillfully using this phonon mode has been proposed.

以上説明したように、第1の実施形態(及び第3の実施形態)によれば、量子二状態系(qubit)を使った、任意の量子情報の入力手段、記憶手段、演算手段、出力手段を用意し、任意の量子情報を、量子エラー訂正コードでブロック符号化し、1ブロックを構成する複数のqubitを複数人に配ることで、元の量子情報を秘密にしたまま共有、保存する際、情報源から各人にqubitを配送する間の量子通信回線でのデコヒーレンスによるエラーを検出、訂正するために、ブロック符号化する量子エラー訂正コードのエラー検出演算子として、各qubitに作用する2×2Pauli行列のテンソル積を用意し、さらに、情報源において、エラー訂正の際に使用するもつれ合った複数の補助qubit系を構成し、これらを各人に量子通信回線で配り、ブロックqubit、補助qubitの両方のエラーを検出、訂正することを特徴とする、量子エラー訂正方法、装置並びに量子情報を複数人の間で秘密に共有する方法及び装置が実現できる。   As described above, according to the first embodiment (and the third embodiment), arbitrary quantum information input means, storage means, calculation means, and output means using a quantum two-state system (qubit). When the arbitrary quantum information is block-encoded with the quantum error correction code, and a plurality of qubits constituting one block are distributed to a plurality of people, the original quantum information is secretly shared and stored. Acts on each qubit as an error detection operator for a block-coded quantum error correction code in order to detect and correct errors due to decoherence in the quantum communication line during the delivery of the qubit from the information source to each person 2 X2Pauli matrix tensor product is prepared. In addition, in the information source, multiple entangled auxiliary qubit systems used for error correction are configured, distributed to each person via quantum communication lines, block qubit, auxiliary qubit Detecting both errors, characterized by correcting, quantum error correction method, apparatus and method and apparatus for shared secret among the plurality of persons quantum information can be realized.

また、上記第1の実施形態によれば、情報源から各人にqubitを配送する間の量子通信回線でのデコヒーレンスによるエラーを除去する際、補助qubitとして、情報源においてbit列のHamming重みが偶である全ての基底を等しい係数で重ね合わせた状態を構成し、これらのqubitを各人に量子通信回線で配送し、複数人の間で古典通信回線を使って連絡し合いながら、各人が手元に持つqubitに任意のユニタリー変換を作用させることで、エラー検出、訂正をフォールト・トレラントに行うことを特徴とする、量子エラー訂正方法、装置並びに量子情報を複数人の間で秘密に共有する方法及び装置が実現できる。   In addition, according to the first embodiment, when removing an error due to decoherence in the quantum communication line during the delivery of a qubit from the information source to each person, the Hamming weight of the bit string in the information source is used as an auxiliary qubit. Are constructed by superimposing all the bases that are even with the same coefficient, delivering these qubits to each person via quantum communication lines, and communicating with each other using classical communication lines among each person, Quantum error correction method, device, and quantum information are secretly shared among multiple people by performing fault detection and correction error-tolerant by applying arbitrary unitary transformation to qubit held by a person A sharing method and apparatus can be realized.

また、上記第1の実施形態によれば、任意の量子情報をブロック符号化する量子エラー訂正コードとして、1-qubitを4-qubit、

Figure 2005269105
で符号化し、各qubitを4人に配布することで秘密の共有を行い、1人では量子情報について何も得られず、2人では部分的な情報しか得られず、3人以上だと情報を完全に復元することが出来ることを特徴とする、量子エラー訂正方法、装置並びに量子情報を複数人の間で秘密に共有する方法及び装置が実現できる。 Further, according to the first embodiment, as a quantum error correction code for block-coding arbitrary quantum information, 1-qubit is changed to 4-qubit,
Figure 2005269105
It is encoded with, and each qubit is distributed to 4 people to share secrets, 1 person can get nothing about quantum information, 2 people can get only partial information, 3 people or more information Can be completely restored, and a quantum error correction method and apparatus, and a method and apparatus for secretly sharing quantum information among a plurality of persons can be realized.

また、第1の実施形態によれば、任意の量子情報をブロック符号化する量子エラー訂正コードとして、1-qubitを4-qubitで符号化し、量子通信回線でブロック中の一個のqubitが位相エラーを受けた際、これを訂正し、また、補助qubit中の一個のqubitが位相エラーを受けた際、これを検出することを特徴とする、請求項9に記載の、量子エラー訂正方法、装置並びに量子情報を複数人の間で秘密に共有する方法及び装置が実現できる。   In addition, according to the first embodiment, as a quantum error correction code for block encoding arbitrary quantum information, 1-qubit is encoded with 4-qubit, and one qubit in the block is a phase error in the quantum communication line. 10. The quantum error correction method and device according to claim 9, wherein when a qubit in the auxiliary qubit receives a phase error, the phase error is detected when the qubit receives a phase error. In addition, a method and apparatus for secretly sharing quantum information among a plurality of people can be realized.

また、第2の実施形態によれば、任意の量子情報をブロック符号化する量子エラー訂正コードとして、1-qubitを6-qubit、

Figure 2005269105
の二種類のコードを等しい古典統計的な確率で発生させた混合状態で符号化し、各qubitを6人に配布することで秘密の共有を行い、2人以下では量子情報について何も得られず、3人では協力する人の組み合わせによって元々の情報が完全に得られるか、全く得られないかのどちらかに分かれ、4人以上だと情報を完全に復元することが出来ることを特徴とする、量子エラー訂正方法、装置並びに量子情報を複数人の間で秘密に共有する方法及び装置が実現できる。 Further, according to the second embodiment, as a quantum error correction code for block-coding arbitrary quantum information, 1-qubit is changed to 6-qubit,
Figure 2005269105
The two types of codes are encoded in a mixed state generated with equal classical statistical probabilities, and each qubit is distributed to 6 people to share secrets. With 2 or less people, nothing can be obtained about quantum information It is characterized in that the original information can be obtained completely or not at all by the combination of three people who cooperate, and the information can be completely restored when there are four or more people In addition, a quantum error correction method and apparatus, and a method and apparatus for secretly sharing quantum information among a plurality of persons can be realized.

また、第2の実施形態によれば、任意の量子情報をブロック符号化する量子エラー訂正コードとして、1-qubitを6-qubitの二種類のコードを等しい古典統計的な確率で発生させた混合状態で符号化し、量子通信回線でブロック、および、補助qubit中の一個のqubitがエラーを受けた際、これを検出することを特徴とする、量子エラー訂正方法、装置並びに量子情報を複数人の間で秘密に共有する方法及び装置が実現できる。   Further, according to the second embodiment, as a quantum error correction code for block encoding arbitrary quantum information, 1-qubit is a mixture of two types of 6-qubit codes generated with equal classical statistical probability. Quantum error correction method, apparatus, and quantum information of a plurality of persons, characterized by detecting when one of the qubits in the block and the auxiliary qubit has received an error. A method and apparatus for secretly sharing between files can be realized.

また、第3の実施形態によれば、使用する量子二状態系(qubit)として、電子、核子等のスピン、特に、固体中の電子、核子のスピン、高分子化合物中の核子のスピン、また、イオンの基底状態と励起状態を利用することを特徴とする、量子エラー訂正方法、装置並びに量子情報を複数人の間で秘密に共有する方法及び装置が実現できる。   Further, according to the third embodiment, as the quantum two-state system (qubit) to be used, spins of electrons, nucleons, etc., in particular, electrons in solids, spins of nucleons, spins of nucleons in polymer compounds, In addition, a quantum error correction method and apparatus, and a method and apparatus for secretly sharing quantum information among a plurality of persons, characterized by utilizing the ground state and excited state of ions, can be realized.

本発明の第1の実施形態で使われる、4-qubitコードのフォールト・トレラントなエラー訂正ネットワークを表した図である。It is a figure showing the fault-tolerant error correction network of 4-qubit code used in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態で使われる、4qubitコードでのエラーとK0,K1,K2の固有値を表した図である。It is a figure showing the error in 4 qubit code and the eigenvalues of K 0 , K 1 , K 2 used in the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態で使われる、4-qubitコードでの0,1,2番目のqubitによる復号ネットワークを表した図である。It is a figure showing the decoding network by the 0th, 1st, 2nd qubit in the 4-qubit code used in the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態で使われる、4-qubitコードでの符号化ネットワークを表した図である。It is a figure showing the encoding network in 4-qubit code | cord | chord used in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態で使われる、4-qubitコードでの秘密の共有の手順を表した図である。It is a figure showing the procedure of the secret sharing in 4-qubit code | cord | chord used in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態で使われる、6-qubitコードでのエラーとKi(i=0,…,4)の固有値を表した図である。Used in the second embodiment of the present invention, errors and K i in 6-qubit code (i = 0, ..., 4 ) is a view showing eigenvalues. 本発明の第2の実施形態で使われる、6-qubitコードでの0,1,2,3番目のqubitによる復号ネットワークを表した図である。It is a figure showing the decoding network by the 0, 1, 2, 3rd qubit in 6-qubit code | cord | chord used by the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態で使われる、6-qubitコードでの符号化ネットワークを表した図である。It is a figure showing the encoding network in 6-qubit code used in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の実施形態で使われる、二個の核スピン系におけるZeeman項、スカラー結合項によるエネルギーシフトを表した図である。It is a figure showing the energy shift by a Zeeman term and a scalar coupling term in two nuclear spin systems used in the embodiment of the present invention. 一般的な、9-qubitコードでの光子とqubitの相互作用を表した図である。It is a diagram showing the interaction between photons and qubits in a general 9-qubit code. 一般的な、9-qubitコードでのエラーを検出するオペレーターを表した図である。It is a figure showing the operator who detects the error in a general 9-qubit code. 一般的な、9-qubitコードでのオペレーターの固有ケットと固有値を表した図である。It is a figure showing the operator's eigenket and eigenvalue in a general 9-qubit code. 一般的な、controlled-NOTゲートを表すネットワークを表した図である。It is a figure showing the network showing a general controlled-NOT gate. 一般的な、9-qubitコードでのM1の固有値を検出するネットワークを表した図である。General, is a diagram showing the network that detects the eigenvalues of M 1 in 9-qubit code. 一般的な、9-qubitコードでのMの固有値を検出するネットワークを表した図である。General, is a diagram showing the network that detects the eigenvalues of M 7 with 9-qubit code. 一般的な、9-qubitコードの独立粒子近似での各qubitと環境との相互作用を表した図である。It is a figure showing the interaction between each qubit and the environment in the general independent particle approximation of 9-qubit code. 一般的な、5-qubitコードでの16種類のエラーと{K3,K4,K0,K1}の固有値を表した図である。It is a figure showing 16 kinds of errors in a general 5-qubit code and eigenvalues of {K 3 , K 4 , K 0 , K 1 }. 一般的な、補助qubitからのエラーの反作用を表した図である。It is a figure showing the reaction of the error from a general auxiliary qubit. 一般的な、5-qubitコードでの補助qubitを一つだけ使ったパリティ検出を表した図である。It is a figure showing the parity detection which used only one auxiliary qubit with a general 5-qubit code. 一般的な、5-qubitコードでのフォールト・トレラントなパリティ検出を表した図である。It is a figure showing the fault-tolerant parity detection in a general 5-qubit code. 一般的な、補助qubit|Φ〉を作るネットワークを表した図である。It is a figure showing the network which makes a general auxiliary qubit | Φ>. 一般的な、5-qubitコードのフォールト・トレラント化されたエラー訂正の全ネットワークを表した図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a general network of fault correction in a general 5-qubit code with fault tolerance. 一般的な、((3,4))threshold schemeのエラー固有値を表した図である。It is a figure showing the error specific value of a general ((3,4)) threshold scheme.

Claims (16)

量子二状態系であるqubitを使った任意の量子情報を、情報源において、量子エラー訂正コードでブロック符号化し、1ブロックを構成する複数のブロックqubitを量子通信回線で複数人に配り、
前記情報源において、エラー訂正の際に使用するもつれ合った複数の補助qubit系を構成し、これらを各人に前記量子通信回線で配り、
前記量子エラー訂正コードのエラー検出演算子として各qubitに作用する2×2Pauli行列のテンソル積を用いて、前記情報源から各人にqubitを配送する間の量子通信回線でのデコヒーレンスによる前記ブロックqubit及び補助qubitのエラーを検出、訂正することを特徴とする量子エラー訂正方法。
Arbitrary quantum information using qubit that is a quantum two-state system is block-coded with a quantum error correction code at an information source, and a plurality of blocks qubit constituting one block are distributed to a plurality of people through a quantum communication line.
In the information source, a plurality of tangled auxiliary qubit systems used for error correction are configured, and these are distributed to each person through the quantum communication line,
The block due to decoherence in a quantum communication line during delivery of a qubit from the information source to each person using a tensor product of 2 × 2 Pauli matrix acting on each qubit as an error detection operator of the quantum error correction code A quantum error correction method characterized by detecting and correcting qubit and auxiliary qubit errors.
前記複数の補助qubitは、前記情報源においてbit列のHamming重みが偶である全ての基底を等しい係数で重ね合わせた状態を構成して得られたqubitであり、
前記複数人の間で古典通信回線を使って連絡し合いながら、各人が手元に持つブロックqubitに任意のユニタリー変換を作用させることで、エラー検出、訂正をフォールト・トレラントに行うことを特徴とする請求項1に記載の量子エラー訂正方法。
The plurality of auxiliary qubits are qubits obtained by configuring a state in which all bases whose Hamming weights of the bit string are even in the information source are overlapped with an equal coefficient,
It is characterized by performing fault detection and correction in a fault-tolerant manner by allowing an arbitrary unitary transformation to act on the block qubit held by each person while communicating with each other using a classical communication line. The quantum error correction method according to claim 1.
前記量子エラー訂正コードを用いたブロック符号化は、
Figure 2005269105
で表される1-qubitから4-qubitへのブロック符号化であり、
該量子エラー訂正コードを用いて任意の量子情報をブロック符号化し、各qubitを4人に配布することを特徴とする請求項2に記載の量子エラー訂正方法。
Block encoding using the quantum error correction code is:
Figure 2005269105
Block coding from 1-qubit to 4-qubit represented by
3. The quantum error correction method according to claim 2, wherein arbitrary quantum information is block-encoded using the quantum error correction code, and each qubit is distributed to four persons.
ブロックqubit及び補助qubitのエラーの前記検出、訂正は、量子通信回線でブロック中の一個のqubitが位相エラーを受けた際にはこれを訂正し、また、補助qubit中の一個のqubitが位相エラーを受けた際にはこれを検出することを特徴とする請求項3に記載の量子エラー訂正方法。 The above detection and correction of block qubit and auxiliary qubit errors are corrected when one qubit in the block receives a phase error in the quantum communication line, and one qubit in the auxiliary qubit also corrects the phase error. The quantum error correction method according to claim 3, wherein the quantum error correction method detects when the error is received. 前記量子エラー訂正コードを用いたブロック符号化は、1-qubitから6-qubitへのブロック符号化である、
Figure 2005269105
の二種類のコードを、等しい古典統計的な確率で発生させた混合状態で用いたブロック符号化であり、
該量子エラー訂正コードを用いて任意の量子情報を符号化し、各qubitを6人に配布することを特徴とする請求項2に記載の量子エラー訂正方法。
The block encoding using the quantum error correction code is a block encoding from 1-qubit to 6-qubit.
Figure 2005269105
Is a block coding using two types of codes in a mixed state generated with equal classical statistical probability,
3. The quantum error correction method according to claim 2, wherein arbitrary quantum information is encoded using the quantum error correction code, and each qubit is distributed to six persons.
任意の量子情報を前記量子エラー訂正コードでブロック符号化し、量子通信回線でブロックqubit、および、補助qubit中の一個のqubitがエラーを受けた際、これを検出することを特徴とする請求項5に記載の量子エラー訂正方法。 6. Arbitrary quantum information is block-encoded with the quantum error correction code, and when a block qubit and one qubit in an auxiliary qubit receive an error in a quantum communication line, this is detected. The quantum error correction method described in 1. 使用する量子二状態系(qubit)として、電子、核子等のスピン、特に、固体中の電子、核子のスピン、高分子化合物中の核子のスピン、また、イオンの基底状態と励起状態を利用することを特徴とする請求項2乃至6のいずれかに記載の量子エラー訂正方法。 Quantum two-state systems (qubits) to be used are spins of electrons, nucleons, etc., especially electrons in solids, spins of nucleons, spins of nucleons in polymer compounds, and ground and excited states of ions The quantum error correction method according to any one of claims 2 to 6. 量子二状態系であるqubitを使った任意の量子情報を、情報源において、量子エラー訂正コードでブロック符号化し、1ブロックを構成する複数のブロックqubitを量子通信回線で複数人に配る第1配信手段と、
前記情報源において、エラー訂正の際に使用するもつれ合った複数の補助qubit系を構成し、これらを前記複数人の各人に前記量子通信回線で配る第2配信手段と、
前記量子エラー訂正コードのエラー検出演算子として各qubitに作用する2×2Pauli行列のテンソル積を用いて、前記情報源から各人にqubitを配送する間の量子通信回線でのデコヒーレンスによる前記ブロックqubit及び補助qubitのエラーを検出、訂正する検出/訂正手段とを備えることを特徴とする量子エラー訂正装置。
The first distribution in which arbitrary quantum information using qubit, which is a quantum two-state system, is block-coded with a quantum error correction code at an information source, and a plurality of blocks qubit constituting one block are distributed to a plurality of people through a quantum communication line Means,
In the information source, a plurality of entangled auxiliary qubit systems used in error correction are configured, and the second distribution means distributes these to each of the plurality of persons through the quantum communication line;
The block due to decoherence in a quantum communication line during delivery of a qubit from the information source to each person using a tensor product of 2 × 2 Pauli matrix acting on each qubit as an error detection operator of the quantum error correction code A quantum error correction apparatus comprising: detection / correction means for detecting and correcting errors of qubits and auxiliary qubits.
前記複数の補助qubitは、前記情報源においてbit列のHamming重みが偶である全ての基底を等しい係数で重ね合わせた状態を構成して得られたqubitであり、
前記検出/訂正手段は、前記複数人の間で古典通信回線を使って連絡し合いながら、各人が手元に持つブロックqubitに任意のユニタリー変換を作用させることで、エラー検出、訂正をフォールト・トレラントに行うことを特徴とする請求項8に記載の量子エラー訂正装置。
The plurality of auxiliary qubits are qubits obtained by configuring a state in which all bases whose Hamming weights of the bit string are even in the information source are overlapped with an equal coefficient,
The detection / correction means performs fault detection / correction by applying an arbitrary unitary transformation to the block qubit held by each person while communicating with each other using a classical communication line. 9. The quantum error correction apparatus according to claim 8, wherein the quantum error correction apparatus is tolerant.
前記第1配信手段における前記量子エラー訂正コードを用いたブロック符号化は、
Figure 2005269105
で表される1-qubitから4-qubitへのブロック符号化であり、
該量子エラー訂正コードを用いて任意の量子情報をブロック符号化し、各qubitを4人に配布することを特徴とする請求項9に記載の量子エラー訂正装置。
Block encoding using the quantum error correction code in the first distribution means is:
Figure 2005269105
Block coding from 1-qubit to 4-qubit represented by
The quantum error correction apparatus according to claim 9, wherein arbitrary quantum information is block-encoded using the quantum error correction code, and each qubit is distributed to four persons.
前記検出/訂正手段は、量子通信回線でブロックqubit中の一個のqubitが位相エラーを受けた際、これを訂正し、また、補助qubit中の一個のqubitが位相エラーを受けた際、これを検出することを特徴とする請求項10に記載の量子エラー訂正装置。 The detection / correction means corrects when one qubit in the block qubit receives a phase error in the quantum communication line, and corrects this when one qubit in the auxiliary qubit receives a phase error. The quantum error correction apparatus according to claim 10, wherein the quantum error correction apparatus detects the quantum error correction apparatus. 前記第1杯新手段における前記量子エラー訂正コードを用いたブロック符号化は、1-qubitから6-qubitへのブロック符号化である、
Figure 2005269105
の二種類のコードを、等しい古典統計的な確率で発生させた混合状態で用いたブロック符号化であり、
該量子エラー訂正コードを用いて任意の量子情報を符号化し、各qubitを6人に配布することを特徴とする請求項9に記載の量子エラー訂正装置。
Block encoding using the quantum error correction code in the first cup new means is block encoding from 1-qubit to 6-qubit.
Figure 2005269105
Is a block coding using two types of codes in a mixed state generated with equal classical statistical probability,
The quantum error correction apparatus according to claim 9, wherein arbitrary quantum information is encoded using the quantum error correction code, and each qubit is distributed to six persons.
前記検出/訂正手段は、量子通信回線でブロックqubit、および、補助qubit中の一個のqubitがエラーを受けた際、これを検出することを特徴とする請求項12に記載の量子エラー訂正装置。 13. The quantum error correction apparatus according to claim 12, wherein the detection / correction means detects a block qubit and one qubit in the auxiliary qubit received an error in the quantum communication line. 使用する量子二状態系(qubit)として、電子、核子等のスピン、特に、固体中の電子、核子のスピン、高分子化合物中の核子のスピン、また、イオンの基底状態と励起状態を利用することを特徴とする請求項9乃至13のいずれかに記載の量子エラー訂正装置。 Quantum two-state systems (qubits) to be used are spins of electrons and nucleons, especially electrons in solids, spins of nucleons, spins of nucleons in polymer compounds, and ground and excited states of ions The quantum error correction apparatus according to claim 9, wherein the quantum error correction apparatus is provided. 量子二状態系であるqubitを使った任意の量子情報を、情報源において、量子エラー訂正コードでブロック符号化し、1ブロックを構成する複数のブロックqubitを量子通信回線で複数人に配り、
前記情報源において、エラー訂正の際に使用するもつれ合った複数の補助qubit系を構成し、これらを各人に前記量子通信回線で配ることによって任意の量子情報を複数人で共有し、
前記ブロックqubit及び補助qubitは、前記量子エラー訂正コードのエラー検出演算子として各qubitに作用する2×2Pauli行列のテンソル積を用いることにより、前記情報源から各人にqubitを配送する間の量子通信回線でのデコヒーレンスによるエラーを検出、訂正可能であることを特徴とする量子情報共有方法。
Arbitrary quantum information using qubit that is a quantum two-state system is block-coded with a quantum error correction code at an information source, and a plurality of blocks qubit constituting one block are distributed to a plurality of people through a quantum communication line.
In the information source, a plurality of tangled auxiliary qubit systems used for error correction are configured, and by distributing these to each person through the quantum communication line, arbitrary quantum information is shared by a plurality of persons,
The block qubit and the auxiliary qubit use a tensor product of 2 × 2 Pauli matrix acting on each qubit as an error detection operator of the quantum error correction code, so that a quantum between delivering the qubit from the information source to each person is used. A quantum information sharing method characterized in that an error due to decoherence in a communication line can be detected and corrected.
量子二状態系であるqubitを使った任意の量子情報を、情報源において、量子エラー訂正コードでブロック符号化し、1ブロックを構成する複数のブロックqubitを量子通信回線で複数人に配る第1配信手段と、
前記情報源において、エラー訂正の際に使用するもつれ合った複数の補助qubit系を構成し、これらを前記複数人の各人に前記量子通信回線で配る第2配信手段とを備え、
前記ブロックqubit及び補助qubitは、前記量子エラー訂正コードのエラー検出演算子として各qubitに作用する2×2Pauli行列のテンソル積を用いることにより、前記情報源から各人にqubitを配送する間の量子通信回線でのデコヒーレンスによるエラーを検出、訂正可能であることを特徴とする量子情報共有装置。
The first distribution in which arbitrary quantum information using qubit, which is a quantum two-state system, is block-coded with a quantum error correction code at an information source, and a plurality of blocks qubit constituting one block are distributed to a plurality of people through a quantum communication line Means,
The information source comprises a plurality of tangled auxiliary qubit systems used in error correction, and a second distribution means for distributing them to each of the plurality of persons through the quantum communication line,
The block qubit and the auxiliary qubit use a tensor product of 2 × 2 Pauli matrix acting on each qubit as an error detection operator of the quantum error correction code, so that a quantum between delivering the qubit from the information source to each person is used. A quantum information sharing apparatus capable of detecting and correcting errors due to decoherence in a communication line.
JP2004077040A 2004-03-17 2004-03-17 Method and device for correcting quantum error, and method and device for sharing quantum information Withdrawn JP2005269105A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004077040A JP2005269105A (en) 2004-03-17 2004-03-17 Method and device for correcting quantum error, and method and device for sharing quantum information

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004077040A JP2005269105A (en) 2004-03-17 2004-03-17 Method and device for correcting quantum error, and method and device for sharing quantum information

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005269105A true JP2005269105A (en) 2005-09-29

Family

ID=35093194

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004077040A Withdrawn JP2005269105A (en) 2004-03-17 2004-03-17 Method and device for correcting quantum error, and method and device for sharing quantum information

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005269105A (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006093976A (en) * 2004-09-22 2006-04-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd Quantum state restoration apparatus
JP2011120096A (en) * 2009-12-04 2011-06-16 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Quantum error-estimating device, quantum error-estimating method, program thereof, quantum error-correcting device, and quantum error-correcting method
KR101233860B1 (en) 2012-02-08 2013-02-15 고려대학교 산학협력단 Apparatus and method for creating quantum words
WO2018033823A1 (en) * 2016-08-17 2018-02-22 International Business Machines Corporation Efficient reduction of resources for the simulation of fermionic hamiltonians on quantum hardware
CN113508405A (en) * 2019-02-27 2021-10-15 德国尤里希研究中心 Method and apparatus for quantum dislocation false detection
CN114745074A (en) * 2022-03-08 2022-07-12 青岛理工大学 Topological SEMION error correction method for quantum communication in noise environment

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006093976A (en) * 2004-09-22 2006-04-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd Quantum state restoration apparatus
JP4552577B2 (en) * 2004-09-22 2010-09-29 パナソニック株式会社 Quantum state restoration device
JP2011120096A (en) * 2009-12-04 2011-06-16 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Quantum error-estimating device, quantum error-estimating method, program thereof, quantum error-correcting device, and quantum error-correcting method
KR101233860B1 (en) 2012-02-08 2013-02-15 고려대학교 산학협력단 Apparatus and method for creating quantum words
WO2013118931A1 (en) * 2012-02-08 2013-08-15 고려대학교 산학협력단 Apparatus and method for designing quantum code
US9564924B2 (en) 2012-02-08 2017-02-07 Korea University Research And Business Foundation Apparatus and method for designing quantum code
WO2018033823A1 (en) * 2016-08-17 2018-02-22 International Business Machines Corporation Efficient reduction of resources for the simulation of fermionic hamiltonians on quantum hardware
GB2566885A (en) * 2016-08-17 2019-03-27 Ibm Efficient reduction of resources for the simulation of fermionic hamiltonians on quantum hardware
US10599989B2 (en) 2016-08-17 2020-03-24 International Business Machines Corporation Efficient reduction of resources for the simulation of fermionic Hamiltonians on quantum hardware
CN113508405A (en) * 2019-02-27 2021-10-15 德国尤里希研究中心 Method and apparatus for quantum dislocation false detection
CN113508405B (en) * 2019-02-27 2024-04-23 德国尤里希研究中心 Method and apparatus for qubit error detection
CN114745074A (en) * 2022-03-08 2022-07-12 青岛理工大学 Topological SEMION error correction method for quantum communication in noise environment
CN114745074B (en) * 2022-03-08 2023-09-26 青岛理工大学 Topology SEMION error correction method for quantum communication in noise environment

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Terhal Quantum error correction for quantum memories
Preskill Battling decoherence: the fault-tolerant quantum computer
Preskill Quantum computing: pro and con
Knill et al. Introduction to quantum error correction
Helwig Absolutely maximally entangled qudit graph states
Fujiwara Ability of stabilizer quantum error correction to protect itself from its own imperfection
Girvin Introduction to quantum error correction and fault tolerance
Steane Introduction to quantum error correction
Brun Quantum error correction
Yoshida Decoding the entanglement structure of monitored quantum circuits
Nagy et al. Quantum computation and quantum information
Brun et al. Teleportation-based fault-tolerant quantum computation in multi-qubit large block codes
Steane Quantum error correction
JP2005269105A (en) Method and device for correcting quantum error, and method and device for sharing quantum information
Steane Quantum computing and error correction
Kempe Approaches to quantum error correction
JP2003158519A (en) Method and apparatus for cryptographing quantum state and quantum information
Park et al. Noise-tolerant parity learning with one quantum bit
Devitt et al. The idiots guide to quantum error correction
Patil et al. Clifford Manipulations of Stabilizer States: A graphical rule book for Clifford unitaries and measurements on cluster states, and application to photonic quantum computing
Bergamaschi Pauli manipulation detection codes and applications to quantum communication over adversarial channels
Guillaud Repetition Cat Qubits
Lee et al. Randomly Monitored Quantum Codes
Mondal et al. Quantum Circuits for Stabilizer Error Correcting Codes: A Tutorial
Paetznick Resource optimization for fault-tolerant quantum computing

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20070605