JP4552577B2 - Quantum state restoration device - Google Patents
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Description
本発明は、量子情報処理において、量子情報が量子計算や量子通信等の処理により壊れた場合に、壊れた量子情報を元の状態に戻す復元処理を行う量子状態復元装置に関するものである。 The present invention relates to a quantum state restoration device that performs restoration processing for returning broken quantum information to an original state when the quantum information is broken by processing such as quantum computation or quantum communication in quantum information processing.
従来の情報の復元のための技術としては、例えば古典情報処理(量子情報処理と区別するために従来の情報処理をこう呼ぶ)においては、情報を冗長にコピーして記憶するバックアップにより実現されることが多い。例えば、mビット情報(数1)に対し(数2)のように符号語を割り当てる(2m、m)符号化である。 For example, classical information processing (referred to as conventional information processing in order to distinguish it from quantum information processing) is realized by a backup in which information is redundantly copied and stored. There are many cases. For example, (2m, m) encoding in which a code word is assigned to m-bit information (Equation 1) as shown in (Equation 2).
これが量子情報に対してもできるとすれば、量子情報ρに対して(数3)のようにρのテンソル積による符号化を行うことになる。 If this can be done for the quantum information, the quantum information ρ is encoded by a tensor product of ρ as shown in (Equation 3).
しかし、量子情報を量子情報処理で特徴的な重ね合わせの量子状態で表現した場合には、このようなコピーが不可能であることが量子非複製不可能定理で証明されている(例えば、非特許文献1第2.4章参照)。よって(数3)のような単純な符号化によるバックアップは不可能である。そこで、量子情報の誤り訂正には量子状態に特有の量子誤り訂正が必要となる(例えば、非特許文献1 第13章、非特許文献2参照)。 However, when quantum information is represented by a quantum state of superposition characteristic in quantum information processing, it is proved by the quantum non-replicatable theorem that such copying is impossible (for example, non-replication theorem) (See Patent Document 1, Chapter 2.4). Therefore, backup by simple encoding as in (Equation 3) is impossible. Therefore, quantum error correction specific to the quantum state is required for error correction of quantum information (see, for example, Chapter 13 of Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).
ここでは、量子誤り訂正方式について図2を用いて簡単に説明する。 Here, the quantum error correction method will be briefly described with reference to FIG.
図2において、201は、処理を行う情報を表す入力量子状態|Ψ>と補助量子状態|Φ>とでエンタングルメントを生成するエンタングルメント生成部であり、202はエンタングルメント生成部201で生成されたエンタングルメント状態|Ψ’>を格納する情報処理用量子メモリであり、203は情報処理用量子メモリ202に保存されている量子状態|Ψ’>に対して量子情報処理を施す量子情報処理部であり、204は量子情報処理部203の処理中に外部揺動に起因してエラーが発生した場合に情報処理用量子メモリ202に格納されている量子状態の復元を行う量子誤り訂正部である。
In FIG. 2, 201 is an entanglement generation unit that generates entanglement with an input quantum state | Ψ> and an auxiliary quantum state | Φ> representing information to be processed, and 202 is generated by the
以下このように構成された従来の量子復元装置の動作について説明する。 The operation of the conventional quantum restoration device configured as described above will be described below.
まず入力量子状態により情報を表現する。量子情報の表現としては、量子2準位系の直交する2つの状態|0>、|1>で表現する量子ビットが代表的である。例えば、光子の偏光、半導体中にドープされたイオンの核スピンや、量子ドットでの電子などで量子ビットを表現することができる。 First, information is expressed by the input quantum state. As a representation of quantum information, qubits represented by two orthogonal states | 0> and | 1> of a quantum two-level system are typical. For example, quantum bits can be expressed by photon polarization, nuclear spin of ions doped in a semiconductor, electrons in quantum dots, and the like.
エンタングルメント生成部201では、この入力量子状態|Ψ>と、補助量子状態|Φ>の間でエンタングルメントを生成する。例えば、|Ψ>と|Φ>の制御NOTをとると、その出力である|Ψ’>はエンタングルメント状態になる。例えば、イオンの核スピンで量子ビットを実現する場合は、隣接するイオンの核スピン同士が局在する電子を媒介として相互作用することを用いて、隣接イオン間に設けられたJ−Gateに電圧を印加して局在電子の広がりを制御することで、一方の核スピンが上向きの時のみ、もう一方の核スピンを回転させるという制御NOTの動作を実現できる。あるいは、量子ビットが光子の偏光で実現される場合は、ビームスプリッターなどの光学素子で実現できる。
The
どのようなエンタングルメントを生成するかは、量子誤り訂正部204において、量子ビットのエラーが訂正できるように決める必要がある。通常は、非特許文献1に示されているように、入力量子状態|Ψ>と、補助量子状態|Φ>の間に、適切な制御NOTを掛けることが多い。
What entanglement is to be generated needs to be determined by the quantum
エンタングルメント生成部201で生成された、エンタングルメント状態の量子状態|Ψ’>は、情報処理用量子メモリ202に保存される。
The entanglement state quantum state | Ψ '> generated by the
量子情報処理部203は、情報処理用量子メモリ202に格納された量子状態にたいして処理を行う。例えば量子計算の色々な演算が開発されている(例えば、非特許文献2参照)。物理的な操作は、量子状態を保持しているイオンへ外部からレーザを当てる、液体中の分子にNMRで磁場を変化させる、光子を光学素子を組み合せた回路に通すなどさまざまな方法がある(例えば、非特許文献3参照)。
The quantum
量子誤り訂正部204では、量子情報処理部203の処理中に、量子ビットにエラーが発生した場合、非特許文献1に記載されているような量子ビットの誤り訂正処理を行い、情報処理用量子メモリ202に格納された量子状態の復元を行う。
When an error occurs in the qubit during the processing of the quantum
また、さらに特定位置の量子ビットの誤りを効率的に訂正する誤り訂正方式も提案されている(例えば、非特許文献4、非特許文献5参照)。 Further, an error correction method for efficiently correcting an error of a qubit at a specific position has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5).
一方、量子状態のエラーを減少させる方法として、量子誤り訂正処理を用いずに、量子状態が外部揺動に起因して壊されることを防ぐことにより、エラーが生じること自体を減少させる量子状態破壊防止処理がある。このような処理の例としては、量子情報が記憶された量子ビットに光パルスを断続的に照射し、光エコー現象と等価な物理現象をくり返し誘導することによって、量子ビットの量子状態を散逸が起こる前の量子状態に戻すことによって、量子状態の破壊を防ぐものなどがある(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、以上のような量子誤り訂正に基づく量子状態復元装置では、量子誤り訂正部204が、補助量子状態も含めたすべての量子ビットに等しくエラーが生じる可能性があるという前提で設計されており、そのため、全体としては量子ビットの少数の誤りにしか対応できないという課題があった。もともと量子誤り訂正は、外部揺動によって生じる少数量子ビットのエラーをアルゴリズムによって訂正する目的に作られたものであり、量子情報処理等によって生じる量子ビットの多数の誤りには対応することは困難である。例えば非特許文献1に記載のD.P.DivincenzoとShorの5量子ビットの量子誤り訂正符号は、2量子ビット以上の誤りを復元することは出来ない。
However, in the quantum state restoration device based on the quantum error correction as described above, the quantum
また、量子状態破壊防止処理によって、量子状態のエラー自体を減少する方法では、メモリされている量子状態に対して記憶された時の量子状態に保つことを目的としているため、そもそもメモリされている量子状態を人為的に変化させる量子情報処理との両立が難しいという課題がある。また、常に量子状態破壊防止処理を行うため、量子情報処理との量子状態へのアクセスの衝突も問題となる。 In addition, the method of reducing the quantum state error itself by the quantum state destruction prevention process aims to keep the stored quantum state for the stored quantum state. There is a problem that coexistence with quantum information processing that artificially changes the quantum state is difficult. In addition, since the quantum state destruction prevention process is always performed, the collision of access to the quantum state with the quantum information processing is also a problem.
本発明は上記課題を解決するためになされ、その目的とするところは、量子情報処理によって生じる量子ビットの多数の誤りにも対応可能で、かつ頻繁に量子状態を変化させる量子情報処理を行うことも可能な量子状態復元装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to perform quantum information processing that can cope with many errors of qubits caused by quantum information processing and frequently changes the quantum state. It is another object of the present invention to provide a quantum state restoration device that can also be used.
上記従来の課題を解決するために、本発明の量子状態復元装置は、入力された量子状態に対し量子符号化を施す量子符号化部と、量子符号化された量子状態の量子ビットの一部を保存する情報処理用量子メモリ部と、量子符号化された量子状態の量子ビットの残りを量子状態の破壊を防ぐように保存する保存用量子メモリ部と、情報処理用量子メモリ部の状態が破壊された場合、破壊された量子ビットと保存用量子メモリ部に格納されている量子ビットから量子状態を復元する量子復元部を備える。 In order to solve the above-described conventional problems, a quantum state restoration device according to the present invention includes a quantum coding unit that performs quantum coding on an input quantum state, and a part of a quantum bit of the quantum state that has been quantum coded. The state of the information processing quantum memory unit, the storage quantum memory unit for storing the rest of the quantum-coded quantum state qubits so as to prevent the destruction of the quantum state, and the state of the information processing quantum memory unit In the case of destruction, a quantum restoration unit that restores the quantum state from the destroyed qubit and the qubit stored in the storage quantum memory unit is provided.
以上のように、本発明は、量子情報処理部のエラーによって生じる情報用量子メモリのエラーが多い場合にも、破壊された量子ビットと保存用量子メモリの破壊されていない量子ビットから量子復元を行うことにより、正しく元の量子状態を復元することが可能となる。 As described above, the present invention performs quantum reconstruction from a broken qubit and an unbroken qubit in a storage quantum memory even when there are many errors in the information quantum memory caused by errors in the quantum information processing unit. By doing so, it becomes possible to correctly restore the original quantum state.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における量子状態復元装置を示すものである。図1において101は入力量子状態|Ψ>から量子符号化を施し、符号化された量子状態|Ψc>を生成する量子符号化部であり、102は量子符号化部101で生成された量子状態の量子ビットの一部を保存しておく情報処理用量子メモリであり、103は量子符号化部101で生成された量子状態の残りの量子ビットを保存しておく保存用量子メモリであり、104は情報処理用量子メモリに保存されている量子ビットに対して量子情報処理を施す量子情報処理部であり、105は保存用量子メモリ103に保存されている量子状態の破壊を防ぐ量子状態破壊防止処理部であり、106は情報処理用量子メモリ102の量子ビットが壊れてエラーのある量子ビットになった場合に、保存用量子メモリ103に保存されている量子ビットも含めて、エラーのある量子状態|Ψ’c>からもとの入力量子状態|Ψ>を復元する量子復元部である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a quantum state restoration device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1,
以下動作について説明する。まず、量子符号化部101では、量子復元部106における誤り訂正がうまく機能するように量子符号化を行う。例えば、非特許文献2で提案されている、(3m、m)特定位置量子誤り訂正符号や、(2m+1、m)特定位置量子誤り訂正符号に基づいて、入力量子状態|Ψ>と、符号化のための補助量子状態|Φ>を用いてエンタングルメント生成を行えばよい。
The operation will be described below. First, the
入力量子状態|Ψ>がm量子ビットからなる場合、(数4)のように表すことができる。この場合、(3m、m)特定位置量子誤り訂正符号では、(数4)の入力量子状態|Ψ>を3m量子ビット符号化により、(数5)のように符号化された量子状態|Ψc>に量子符号化する。 When the input quantum state | Ψ> is composed of m qubits, it can be expressed as (Equation 4). In this case, in the (3m, m) specific position quantum error correction code, the input quantum state | Ψ> in (Expression 4) is converted into the quantum state | Ψ as expressed in (Expression 5) by 3m quantum bit encoding. Quantize to c >.
ここで、|Sj>は(数6)で表される直交状態であり、j、kはそれぞれm桁の2進数表現を表す。また、WH(j・k)はハミング重みであり、j、kのm桁の2進数表現についてビット毎のANDをとった後、そのハミング重みを計算した値を表している。 Here, | S j > is an orthogonal state represented by (Expression 6), and j and k each represent an m-digit binary number expression. Further, W H (j · k) is a Hamming weight, and represents a value obtained by calculating the Hamming weight after performing AND for each bit with respect to the m-digit binary representation of j and k.
この(3m、m)特定位置量子誤り訂正符号では、m量子ビットの入力量子状態|Ψ>を表すのに3m量子ビットが必要となる。 In this (3m, m) specific position quantum error correction code, 3 m qubits are required to represent the input quantum state | Ψ> of m qubits.
この符号化された量子状態|Ψc>のうち1〜m量子ビットを情報処理用量子メモリ102に格納し、残りのm+1〜3m量子ビットを保存用量子メモリ103に格納する。
Among the encoded quantum states | Ψ c >, 1 to m qubits are stored in the information
また、より効率の良い符号化として(2m+1,m)特定位置量子誤り訂正符号がある。この場合は(数4)のm量子ビットの入力量子状態|Ψ>を、2m+1量子ビット符号化により、(数7)のように符号化された量子状態|Ψc>に量子符号化する。ここで|Sj>は(数8)で表される直交状態であり、jはm桁の2進数表現を表す。 As a more efficient encoding, there is a (2m + 1, m) specific position quantum error correction code. In this case, the input quantum state | ψ> of m qubits of (Equation 4) is quantum-encoded by 2m + 1 qubit coding into the quantum state | ψ c > encoded as shown in (Equation 7). Here, | S j > is an orthogonal state represented by (Expression 8), and j represents an m-digit binary number expression.
この(2m+1、m)特定位置量子誤り訂正符号では、m量子ビットの入力量子状態|Ψ>を表すのに2m+1量子ビットが必要となる。 In this (2m + 1, m) specific position quantum error correction code, 2m + 1 qubits are required to represent the input quantum state | Ψ> of m qubits.
この場合、符号化された量子状態|Ψc>のうち1〜m量子ビットを情報処理用量子メモリ102に格納し、残りのm+1〜2m+1量子ビットを保存用量子メモリ103に格納する。
In this case, 1 to m qubits of the encoded quantum state | Ψ c > are stored in the information
量子情報処理部104では、情報処理用量子メモリ102に格納された量子状態に対して処理を行う。ここでの処理としては、非特許文献3などに記載されている量子コンピュータの処理や、量子状態の読み出し、書き出し、量子状態の通信などがある。
The quantum
量子状態破壊防止処理部105では、保存用量子メモリ103に格納されている量子ビットが外部揺動に起因して壊され、誤りが生じないような処理を行う。このような処理の例としては、特許文献1に示される光パルスによる光エコー現象を用いた量子状態破壊防止処理などがある。
The quantum state destruction
量子復元部106では、量子情報処理部104の処理により情報処理用量子メモリ102の量子ビットが壊れてエラーが発生した場合に、その壊れた量子ビットと、保存用量子メモリ103に保存されている量子ビットの両方を用いて量子復元処理を行い、入力量子状態|Ψ>を復元する。
In the
量子状態の復元は、情報処理用量子メモリ102と保存用量子メモリ103に別れて格納されている量子状態|Ψ’c>に対して処理を行う。この量子状態のうち情報処理用量子メモリ102に格納されていた量子ビットにのみエラーが生じていることになる。このような特定の位置にエラーが生じていることが判っている場合は、どこにエラーが生じるか判らない場合の通常の量子誤り訂正に比べて能力の高い、非特許文献2に記載されているような特定位置量子誤り訂正を用いることが可能となる。この特定位置量子誤り訂正の処理の例を以下に示す。
The restoration of the quantum state is performed on the quantum state | Ψ ′ c > stored separately in the information
まず、(3m、m)符号化で(数5)のように符号化した場合の復号化方法を考える。この符号のStabilizer Sは、3m−m=2m個の要素をもち、(数9)のように表すことができる。 First, consider a decoding method in the case of (3m, m) encoding as shown in (Equation 5). The Stabilizer S of this code has 3m−m = 2m elements and can be expressed as (Equation 9).
ここで、Stabilizer Sの要素gkは(数10)で与えられる。 Here, the element g k of Stabilizer S is given by (Equation 10).
このような場合、以下のような復号法が考えられる。 In such a case, the following decoding method can be considered.
(1)i=1,2,...,mについて、giの測定結果が−1であればi量子ビット目を位相反転する。 (1) i = 1, 2,. . . , M, if the measurement result of g i is −1, the phase of the i-th qubit is inverted.
(2)i=1,2,...,mについて、gm+iの測定結果が−1であればi量子ビット目をビット反転する。 (2) i = 1, 2,. . . , M, if the measurement result of g m + i is −1, the i-th qubit is bit-inverted.
更に、一部の量子ビットのみを使って復号する、以下のような効率のよい復号法が考えられる。 Furthermore, an efficient decoding method as described below, in which decoding is performed using only some qubits, can be considered.
(1)Zm+1〜Z2mで表されるオブザーバブル(スピン系ではZ軸方向のスピ ンに対応)の測定を行う。 (1) An observable represented by Z m + 1 to Z 2m (corresponding to a spin in the Z-axis direction in a spin system) is measured.
(2)i=1,2,...,mについて、オブザーバブルZm+iの測定結果が−1であれば、2m+i量子ビット目を位相反転させる。 (2) i = 1, 2,. . . , M, if the measurement result of the observable Z m + i is −1, the phase of the 2m + i qubit is inverted.
(3)2m+1〜3m量子ビット目が、入力量子状態|Ψ>と等しいものとなる。 (3) The 2m + 1 to 3m qubits are equal to the input quantum state | Ψ>.
次に、(2m+1、m)符号化で(数7)のように符号化した場合の復号化法について説明する。この符号化のStabilizer Sは(2m+1)−m=m+1個の要素をもち、(数11)のように表すことができる。 Next, a decoding method when (2m + 1, m) encoding is performed as shown in (Expression 7) will be described. Stabilizer S of this encoding has (2m + 1) −m = m + 1 elements and can be expressed as (Equation 11).
ここで、Stabilizer Sの要素gkは(数12)で与えられる。 Here, the element g k of Stabilizer S is given by (Equation 12).
この符号は、1〜m量子ビット目のうちの任意の偶数個の量子ビットに位相反転誤りが生じても状態が変化しないという特徴がある。このような場合、以下のような復号法が考えられる。 This code is characterized in that the state does not change even if a phase inversion error occurs in any even number of qubits of the 1 to m qubits. In such a case, the following decoding method can be considered.
(1)g0の測定結果が−1であれば1〜m量子ビット目のいずれかを位相反転する。 (1) If the measurement result of g 0 is −1, the phase of any of the 1st to m-th qubits is inverted.
(2)i=1,2,...,mについて、giの測定結果が−1であれば、i量子ビット目をビット反転する。 (2) i = 1, 2,. . . , M, if the measurement result of g i is −1, the i-th qubit is bit-inverted.
更に、符号語の全量子ビットにエラーが生じるのでなく1〜m量子ビットにはエラーが生じるが、それ以外のビットにはエラーが生じないとした場合、以下のような効率のよい復号法が考えられる。 Furthermore, if an error does not occur in all qubits of a codeword but an error occurs in 1 to m qubits, but no error occurs in other bits, an efficient decoding method as described below can be used. Conceivable.
(1)オブザーバブルZm+1の測定を行う。 (1) The observable Z m + 1 is measured.
(2)Zm+1の測定結果が1であれば、m+2量子ビット目を位相反転する。 (2) If the measurement result of Z m + 1 is 1, the phase of the m + 2 qubit is inverted.
(3)m+2〜2m+1量子ビット目が、入力量子状態|Ψ>と等しいものとなる。 (3) The (m + 2 to 2m + 1) th qubit is equal to the input quantum state | Ψ>.
このように量子復元部106において、情報処理用量子メモリ102の壊れた量子ビットと保存用量子メモリ103の量子ビットから、元の入力量子状態|Ψ>を復元することができる。よって元の入力量子状態|Ψ>を用いて、もう一度、量子情報処理部104の処理を最初からやり直すことができる。
Thus, the
なお、量子情報処理部104において、全てのステップを一度に処理するのではなく、ある程度のステップが完了した段階で、その結果の量子状態を、再度量子符号化部101で量子符号化して、段階的に処理を行うことも可能である。この場合、量子情報処理により量子状態が壊れた場合にも、最初に戻るのではなく、途中の段階から再開することが可能となる。
Note that the quantum
量子情報処理部104における処理としては、量子コンピュータにおける量子計算の他に、量子メモリとして、情報処理用量子メモリ102に記憶された量子ビットを単に読み書きする処理や、情報処理用量子メモリ102に記憶された量子ビットを通信路で伝送する量子通信などの処理等がある。量子メモリにおいては、例えば不正アクセスなどにより量子ビットが壊される場合や、量子通信において伝送エラーや盗聴などにより量子ビットが壊される場合などが考えられる。このような場合においても、保存用量子メモリ103の破壊を防止した量子ビットを併せて用いることにより能力の高い量子復元が可能となる。
As processing in the quantum
本発明の量子復元装置は、量子情報処理や量子情報伝達等による多数の量子ビットにエラーが生じた場合も量子状態を復元することが可能なので、量子情報処理を行う量子コンピュータや、量子情報伝達を行う量子通信のバックアップ等として有用である。 The quantum restoration device of the present invention can restore the quantum state even when an error occurs in a large number of qubits due to quantum information processing, quantum information transmission, and the like. This is useful as a backup for quantum communication.
また、量子情報を記憶する場合の量子メモリ、量子クレジットカード等へも適応が可能である。 Further, the present invention can be applied to a quantum memory, a quantum credit card, etc. when storing quantum information.
101 量子符号化部
102 情報処理用量子メモリ
103 保存用量子メモリ
104 量子情報処理部
105 量子状態破壊防止処理部
106 量子復元部
201 エンタングルメント生成部
202 情報処理用量子メモリ
203 量子情報処理部
204 量子誤り訂正部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
量子符号化された量子状態の一部を保存する情報処理用量子メモリ部と、
量子符号化された量子状態の残りを量子状態の破壊を防ぐように保存する保存用量子メモリ部と、
情報処理用量子メモリ部の状態が破壊された場合、破壊された量子状態と保存用量子メモリ部に格納されている量子状態から量子状態を復元する量子復元部からなる量子状態復元装置。 A quantum coding unit that performs quantum coding on the input quantum state;
An information processing quantum memory unit for storing a part of the quantum-encoded quantum state;
A storage quantum memory for storing the rest of the quantum-encoded quantum state to prevent destruction of the quantum state;
A quantum state restoration device comprising a quantum restoration unit that restores a quantum state from the destroyed quantum state and the quantum state stored in the storage quantum memory unit when the state of the information processing quantum memory unit is destroyed.
The quantum state restoration device according to claim 1, wherein a result of information processing on the quantum state of the information processing memory unit is quantum-encoded by the quantum encoding unit.
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