JP5376482B1 - Quantum error correction method, quantum error correction device, and quantum information storage device - Google Patents

Quantum error correction method, quantum error correction device, and quantum information storage device Download PDF

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Abstract

【課題】量子誤り訂正方法の提供。
【解決手段】格子構造の辺上のデータ量子ビットの誤りを訂正する方法であって、同構造の頂点の第1Zエラー用量子ビットにZエラーシンドロームを準備するステップと、Zエラーシンドロームを第2Zエラー用量子ビットにコピーするステップと、Zエラーシンドローム依存のハミルトニアン下で第2Zエラー用量子ビットおよび冷却用量子ビットを冷却するステップと、冷却用量子ビットの量子状態をデータ量子ビットにフィードバックするステップと、同構造の面心の第1Xエラー用量子ビットにXエラーシンドロームを準備するステップと、Xエラーシンドロームを第2Xエラー用量子ビットにコピーするステップと、Xエラーシンドローム依存のハミルトニアン下で第2Xエラー用量子ビットおよび冷却用量子ビットを冷却するステップと、冷却用量子ビットの量子状態をデータ量子ビットにフィードバックするステップと、を有する方法。
【選択図】図4
A quantum error correction method is provided.
A method for correcting an error of a data qubit on a side of a lattice structure, comprising: preparing a Z error syndrome for a first Z error qubit at a vertex of the structure; A step of copying to the error qubit, a step of cooling the second Z error qubit and the cooling qubit under a Hamiltonian dependent on the Z error syndrome, and a step of feeding back the quantum state of the cooling qubit to the data qubit A step of preparing an X error syndrome for the first X error qubit having the same structure, a step of copying the X error syndrome to the second X error qubit, and a second X under a Hamiltonian dependent on the X error syndrome Cool error qubits and cooling qubits Method comprising the step, a step of feeding back the quantum state of the cooling qubits data qubit, the.
[Selection] Figure 4

Description

技術分野は、量子情報格納技術に関し、特に、量子ビットが担う量子情報の誤りを訂正するための技術に関する。   The technical field relates to a quantum information storage technique, and more particularly, to a technique for correcting an error in quantum information carried by a qubit.

量子情報処理にとって、信頼性の高い情報ストレージは非常に重要であり、これを達成する標準的なアプローチは、量子誤り訂正と呼ばれる手法を用いることである(非特許文献1)。   Reliable information storage is very important for quantum information processing, and a standard approach to achieve this is to use a technique called quantum error correction (Non-patent Document 1).

量子誤り訂正の手順は一般的に、まず、それぞれの量子ビットを選択的に射影測定することから始まる。そして、その膨大な数の測定結果を古典コンピュータで処理する。最後に、処理結果に基づいてそれぞれの量子ビットへと選択的にフィードバック操作をする。このようにして、量子情報に誤りが起きる前の状態へと戻すことにより、量子ビット系で増大しようとするエントロピーを減少させることができる。この一連の流れを連続して繰り返すことで、大規模な量子情報を外部ノイズから長時間守ることができる。   The quantum error correction procedure generally begins with a selective projection measurement of each qubit. The huge number of measurement results are processed by a classical computer. Finally, a feedback operation is selectively performed on each qubit based on the processing result. In this way, entropy that is to be increased in the qubit system can be reduced by returning to the state before the error occurs in the quantum information. By repeating this series of flows continuously, large-scale quantum information can be protected from external noise for a long time.

量子誤り訂正技術にもとづいて、さまざまな誤り耐性量子計算アーキテクチャが提案されている。理論的な研究においては、多くの場合、古典情報処理、処理デバイスへの入出力は一瞬で完璧になされることが仮定されている。しかしながら、実際は、古典処理にはシステムサイズの多項式時間かかってしまい、結局これが量子情報処理のサイズや速度を制限するボトルネックとなってしまう。   Various error-tolerant quantum computing architectures have been proposed based on quantum error correction technology. In theoretical research, it is often assumed that classical information processing and input / output to a processing device are completed in an instant. In practice, however, classical processing takes a system time polynomial time, which eventually becomes a bottleneck that limits the size and speed of quantum information processing.

また、エンタングルメントした数多くの量子ビットの中から選択的に一つの量子ビットを素早く的確に操作・測定しなければならないということは、実験的に非常にチャレンジングである。いまだにどのような物理系が大規模量子情報処理デバイスとして実現可能な拡張性を有しているかは明確にはなっていない。   In addition, it is experimentally very challenging to operate and measure one qubit quickly and accurately from a large number of entangled qubits. It is still unclear what kind of physical system has expandability that can be realized as a large-scale quantum information processing device.

たとえば、量子ドットや超伝導量子ビットといった人工原子を用いて実現するモノリシック型アーキテクチャでは、エンタングルメントが十分可能になるぐらい量子ビット間を近づけながら、選択的操作・測定のための莫大な数のチャンネルを持たせて集積化する必要がある。しかしながら、操作・測定のためのチャンネルを近づけすぎると、モデル化の難しい新たなノイズ源を導入してしまう。また、大量生産される人工原子量子ビットの個性の歩留まりの低さも集積化を難しくしている。   For example, in a monolithic architecture realized using artificial atoms such as quantum dots and superconducting qubits, a huge number of channels for selective manipulation and measurement while the qubits are close enough to allow entanglement. Need to be integrated. However, if the channels for operation and measurement are too close, a new noise source that is difficult to model will be introduced. In addition, the low individuality yield of mass-produced artificial atomic qubits makes integration difficult.

他方、分散型アーキテクチャでは、量子ビットが互いにアイソレートされており、選択的操作・測定が容易であるが、そのような離れた量子ビット間にエンタングルメントを持たせるのに長時間かかってしまう。これらの従来のフレームワークでの問題は制御方法や物質開発のブレークスルーによって解決されると信じられているが、別の新しいアーキテクチャを考案する試みは非常に重要であろう。   On the other hand, in the distributed architecture, the qubits are isolated from each other and can be selectively operated and measured. However, it takes a long time to provide entanglement between such distant qubits. Although these traditional framework problems are believed to be solved by breakthroughs in control methods and material development, attempts to devise other new architectures will be very important.

P. W. Shor, Phys. Rev. A, 52, R2493, 1995.P. W. Shor, Phys. Rev. A, 52, R2493, 1995.

従来提案されている量子誤り訂正技術は、システムサイズ、端的には量子誤り訂正を適用する量子ビットの数、の増大に応じて、必要な処理の量(例えば、要求される古典情報処理の計算負荷)および装置規模(量子ビットに対し選択的な操作を行うための操作チャンネルの数)が増大する、という不利点があった。これを鑑み、本発明の実施形態により、システムサイズに依存せずに実施可能な量子誤り訂正方法、同方法に従って量子誤りを訂正する量子誤り訂正装置、当該量子情報格納装置誤り訂正装置を備えた量子情報格納装置(量子情報ストレージ)が提供される。   Conventionally proposed quantum error correction techniques require a large amount of processing (for example, calculation of required classical information processing) according to an increase in system size, in short, the number of qubits to which quantum error correction is applied. Load) and device scale (the number of operation channels for performing selective operations on qubits) are disadvantageous. In view of this, an embodiment of the present invention includes a quantum error correction method that can be performed without depending on the system size, a quantum error correction device that corrects a quantum error according to the method, and the quantum information storage device error correction device. A quantum information storage device (quantum information storage) is provided.

本発明の一態様は、複数の量子ビットが格子構造を成して配列される量子情報格納器において、格子構造の各辺上に配された複数のデータ量子ビットに格納された量子情報によって構成される表面符号の誤りを訂正する量子誤り訂正装置における量子誤り訂正方法であって、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第1の操作を行うことにより、格子構造の各頂点に配された複数の第1Zエラー用量子ビットに表面符号のZエラーシンドロームに対応した量子状態を準備するZエラー抽出ステップと、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第2の操作を行うことにより、Zエラー抽出ステップによって準備された複数の第1Zエラー用量子ビットの量子状態を、複数の第1Zエラー用量子ビットそれぞれに近接して配された複数の第2Zエラー用量子ビットにコピーするZエラーコピーステップと、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第3の操作を行うことにより、Zエラーコピーステップによって準備された第2Zエラー用量子ビットの量子状態を用いて、Zエラーシンドロームに依存したハミルトニアンの下で複数の第2Zエラー用量子ビットおよび複数のデータ量子ビットに近接して配された複数の冷却用量子ビットを冷却する第1冷却ステップと、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第4の操作を行うことにより、Zエラー冷却ステップによって準備された複数の冷却用量子ビットそれぞれの量子状態を、複数のデータ量子ビットにフィードバックするZエラー訂正ステップと、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第5の操作を行うことにより、格子構造の各面心に配された複数の第1Xエラー用量子ビットに表面符号のXエラーシンドロームに対応した量子状態を準備するXエラー抽出ステップと、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第6の操作を行うことにより、Xエラー抽出ステップによって準備された複数の第1Xエラー用量子ビットの量子状態を、複数の第1Xエラー用量子ビットそれぞれに近接して配された複数の第2Xエラー用量子ビットにコピーするXエラーコピーステップと、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第7の操作を行うことにより、Xエラーコピーステップによって準備された第2Xエラー用量子ビットの量子状態を用いて、Xエラーシンドロームに依存したハミルトニアンの下で複数の第2Xエラー用量子ビットおよび複数の冷却用量子ビットを冷却する第2冷却ステップと、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第8の操作を行うことにより、Xエラー冷却ステップによって準備された複数の冷却用量子ビットそれぞれの量子状態を、複数のデータ量子ビットにフィードバックするXエラー訂正ステップと、
を有する量子誤り訂正方法である。
One aspect of the present invention is a quantum information storage in which a plurality of qubits are arranged in a lattice structure, and is configured by quantum information stored in a plurality of data qubits arranged on each side of the lattice structure A quantum error correction method in a quantum error correction device for correcting an error of a surface code to be performed,
By performing a first translationally symmetric and local first operation on the quantum information store, a plurality of first Z error qubits arranged at each vertex of the lattice structure are converted into a Z error syndrome of the surface code. A Z error extraction step for preparing a corresponding quantum state;
By performing a second translationally symmetric and local second operation on the quantum information storage, the quantum states of the plurality of first Z error qubits prepared by the Z error extraction step are converted into a plurality of first Z A Z error copy step of copying to a plurality of second Z error qubits arranged close to each of the error qubits;
By performing a third translationally symmetric and local third operation on the quantum information store, the quantum state of the second Z error qubit prepared by the Z error copy step is used to generate a Z error syndrome. A first cooling step for cooling a plurality of cooling qubits disposed proximate to the plurality of second Z error qubits and the plurality of data qubits under a dependent Hamiltonian;
By performing a fourth translationally symmetric and local fourth operation on the quantum information store, each quantum state of the plurality of cooling qubits prepared by the Z error cooling step is converted into a plurality of data qubits. Z error correction step to feed back to
By performing a comprehensive translational symmetric and local fifth operation on the quantum information storage, a plurality of first X error qubits arranged at each center of the lattice structure are subjected to an X error syndrome of the surface code. An X error extraction step of preparing a quantum state corresponding to
By performing a comprehensive translational symmetric and local sixth operation on the quantum information storage, the quantum states of the plurality of first X error qubits prepared by the X error extraction step are converted into a plurality of first X An X error copy step for copying to a plurality of second X error qubits arranged close to each of the error qubits;
By performing a comprehensive translational symmetric and local seventh operation on the quantum information store, the quantum state of the second X error qubit prepared by the X error copy step is used to generate an X error syndrome. A second cooling step for cooling the plurality of second X error qubits and the plurality of cooling qubits under a dependent Hamiltonian;
By performing a comprehensive translational symmetric and local eighth operation on the quantum information store, each quantum state of the plurality of cooling qubits prepared by the X error cooling step is converted into a plurality of data qubits. X error correction step to feed back to
Is a quantum error correction method.

本発明の別の一態様は、本発明の一態様による量子誤り訂正方法に従って量子情報格納器の複数のデータ量子ビットに格納された量子情報によって構成される表面符号の誤りを訂正する量子誤り訂正装置である。   Another aspect of the present invention is a quantum error correction for correcting an error of a surface code constituted by quantum information stored in a plurality of data qubits of a quantum information storage according to a quantum error correction method according to an aspect of the present invention. Device.

本発明のさらに別の一態様は、本発明の一態様による量子誤り訂正装置と、当該量子誤り訂正装置によって量子誤りが訂正される量子情報格納器と、を備えた量子情報格納装置である。   Still another aspect of the present invention is a quantum information storage device including the quantum error correction device according to one aspect of the present invention and a quantum information storage in which the quantum error is corrected by the quantum error correction device.

本発明の一態様によれば、量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第1の操作によって、表面符号の誤りを訂正することが可能となる。したがって、同態様により、システムサイズに依存しない量子誤り訂正方法が提供される。   According to one aspect of the present invention, it is possible to correct surface code errors through a first translationally symmetric and local first operation with respect to a quantum information store. Therefore, according to the same aspect, a quantum error correction method independent of the system size is provided.

(a):量子情報の射影測定およびフィードバック操作を行う回路と、量子ビットに対する操作により実現される等価回路の図、(b):大規模量子ビット系での射影測定および古典処理に基づくフィードバック操作を用いた量子誤り訂正のための回路の図、(c):古典情報処理をユニタリー操作に置き換えた場合の回路図、(d):冷却プロセスを並進対称的で局所的な操作を用いて実現する場合の回路図(A): Diagram of a circuit for performing projection measurement and feedback operation of quantum information and an equivalent circuit realized by operation on qubit, (b): Projection measurement in large-scale qubit system and feedback operation based on classical processing (C): Circuit diagram when classical information processing is replaced with unitary operation, (d): Realization of cooling process using translationally symmetric and local operations Circuit diagram when (a):表面符号とそのスタビライザー演算子を説明する図、(b):Zエラーを訂正する手法を説明する図、(c):Zエラーを訂正する手法を説明する図、(d):Zエラーを訂正する手法を説明する図(A): a diagram for explaining a surface code and its stabilizer operator, (b): a diagram for explaining a method for correcting a Z error, (c): a diagram for explaining a method for correcting a Z error, (d): The figure explaining the technique which corrects Z error (a):量子系および古典系の構成を示す図、(b):面心のシンドロームおよび頂点のシンドロームの抽出のための操作を説明する図、(c):エラーシンドロームのコピーの操作を説明する図、(d):冷却プロセスのための操作を説明する図(A): Diagram showing configuration of quantum system and classical system, (b): Diagram for explaining operations for extraction of face center syndrome and vertex syndrome, (c): Description of error syndrome copy operation (D): Diagram for explaining the operation for the cooling process (a)〜(d):非観測型量子誤り訂正(MFQEC: Measurement-Free Quantum Error Correction)の流れを説明する図(A)-(d): The figure explaining the flow of non-observation type | mold quantum error correction (MFQEC: Measurement-Free Quantum Error Correction) 非観測型量子誤り訂正(MFQEC)の操作フローの図Diagram of operation flow of unobserved quantum error correction (MFQEC) 非観測型量子誤り訂正(MFQEC)の操作フローの図Diagram of operation flow of unobserved quantum error correction (MFQEC) (a):二層構造の量子情報格納器の模式図、(b):一層構造の量子情報格納器の模式図(A): Schematic diagram of a quantum information storage with a two-layer structure, (b): Schematic diagram of a quantum information storage with a single-layer structure 量子情報格納装置のブロック図Block diagram of quantum information storage device 一層構造の量子情報格納器用の分子の一例の設計図Blueprint of an example molecule for a single layer quantum information store

以下、添付の図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

1.概要
本発明の実施形態により、信頼性の高い量子情報格納装置を実現するための、新しい量子誤り訂正アーキテクチャ、および、量子誤り訂正装置が実現される。本発明の実施形態による量子誤り訂正装置では、システムサイズ(例えば、量子情報を保持する量子ビットの数)に依存して、量子誤り訂正装置の規模や必要な計算負荷の増大がほとんどない。
1. Outline According to an embodiment of the present invention, a new quantum error correction architecture and a quantum error correction device for realizing a highly reliable quantum information storage device are realized. In the quantum error correction apparatus according to the embodiment of the present invention, there is almost no increase in the scale of the quantum error correction apparatus and the necessary calculation load depending on the system size (for example, the number of qubits holding quantum information).

本発明の実施形態による量子情報格納装置においては、量子情報は2次元に並んだ量子ビット系に表面符号で符号化され保持される。本発明の実施形態による量子誤り訂正アーキテクチャにおいては、この量子ビット系で増大していくエントロピーを減少させる手段として、選択的射影測定およびその結果に対する古典情報処理のかわりに、量子ビットに付随させる補助古典系における加工冷却プロセス(engineered cooling process)を用いる。この加工冷却プロセスは、興味ある量子状態の準備(M. Mueller et al., New J. Phys. 13, 085007, 2011)やダイナミクスのシミュレーション(B. Kraus et al., Phys. Rev. A 78, 042307, 2008、および、F. Verstraete, M. M. Wolf, and J. I. Cirac, Nat. Phys. 5, 633, 2009)、量子中継(K. G. H. Vollbrecht, C. A. Muschik, and J. I. Cirac, Phys. Rev. Lett. 107, 120502, 2011)に用いられている。   In the quantum information storage device according to the embodiment of the present invention, quantum information is encoded and held by a surface code in a two-dimensionally arranged qubit system. In the quantum error correction architecture according to the embodiment of the present invention, as a means of reducing the entropy increasing in the qubit system, an auxiliary attached to the qubit instead of the selective projection measurement and the classical information processing for the result. Use the engineered cooling process in the classical system. This process cooling process involves the preparation of interesting quantum states (M. Mueller et al., New J. Phys. 13, 085007, 2011) and dynamics simulation (B. Kraus et al., Phys. Rev. A 78, 042307, 2008, and F. Verstraete, MM Wolf, and JI Cirac, Nat. Phys. 5, 633, 2009), quantum relay (KGH Vollbrecht, CA Muschik, and JI Cirac, Phys. Rev. Lett. 107, 120502 , 2011).

この冷却プロセスを含む、本発明の実施形態による量子誤り訂正アーキテクチャにおいて誤り訂正に必要なすべての手続きは、並進対称的(translationally invariant)でかつ局所的な(local)外部操作によって行われる。すなわち、本発明の実施形態による量子誤り訂正装置は、それぞれの量子ビットに対する選択的な操作は行わず、複数の量子ビットに対し包括的な(非選択的な)操作を行うことにより、量子誤り訂正を実現する。そのため、本発明の実施形態による量子誤り訂正装置は、システムサイズを増やしてもきわめて少数の操作チャンネルを用いて誤り訂正を実現できるため拡張性が非常に高い。本実施形態による量子誤り訂正では、従来のモノリシック型アーキテクチャおよび分散型アーキテクチャとは異なり、個々の量子ビットを選択的に測定するための測定チャンネルは不要であり、また、操作チャンネルの数も非常に少なくてすむ。したがって、量子ビット間を近づけて強く結合させることも容易になる。   All procedures necessary for error correction in the quantum error correction architecture according to the embodiment of the present invention, including this cooling process, are performed translationally invariant and by local external operations. That is, the quantum error correction apparatus according to the embodiment of the present invention does not perform selective operation on each qubit, but performs comprehensive (non-selective) operation on a plurality of qubits, thereby performing quantum error correction. Realize the correction. Therefore, the quantum error correction apparatus according to the embodiment of the present invention has very high expandability because error correction can be realized using an extremely small number of operation channels even when the system size is increased. Unlike the conventional monolithic architecture and distributed architecture, the quantum error correction according to the present embodiment does not require a measurement channel for selectively measuring individual qubits, and the number of operation channels is very large. Less. Therefore, it is easy to make the qubits close to each other to be strongly coupled.

本発明の実施形態による量子誤り訂正装置を備えた量子情報格納装置では、集積化・大規模化が従来に比べ容易である。後述するように、量子情報格納器において二層2次元平面に例えば6種類の量子ビットを規則的に並べる場合、量子誤り訂正に必要な、当該6種類の量子ビットに対する包括的操作のチャンネルの数はたった6つでよい。以下では、この系で量子誤り訂正を実現するための包括制御のシステマティックな設計法も示す。   In the quantum information storage device including the quantum error correction device according to the embodiment of the present invention, integration and scale-up are easier than in the past. As will be described later, when six types of qubits are regularly arranged in a two-layer two-dimensional plane in the quantum information storage, the number of channels for comprehensive operations for the six types of qubits necessary for quantum error correction. Only 6 are enough. The systematic design method of comprehensive control for realizing quantum error correction in this system is also shown below.

なお、本実施形態が適用される系においては、加工冷却プロセスに必要な時間はシステムサイズに依存しないことが証明されている。また、量子ビット数が100のオーダーの系で、20〜40回の量子誤り訂正を繰り返すシミュレーションも行ったが、量子情報の信頼度が低下していく時定数がシステムサイズに従い指数関数的に長くなるという結果が得られている。   In the system to which this embodiment is applied, it has been proved that the time required for the work cooling process does not depend on the system size. In addition, a simulation in which the quantum error correction is repeated 20 to 40 times in a system with the number of qubits in the order of 100 has been performed. However, the time constant for decreasing the reliability of quantum information increases exponentially according to the system size. The result is obtained.

2.包括制御とトポロジカル表面符号
包括制御(global control schemes)の歴史は古く、一次元スピン系において並進対称的で局所的な操作のみでユニバーサルな量子情報処理が可能であることが示されている。最近、境界面のみ選択的に操作・観測を許す包括制御のアーキテクチャにおいて誤り耐性閾値が存在することが示された。その値は10−5で、Bacon-Shor符号の連結化に基づくスキームによって達成されたものである。
2. Comprehensive control and topological surface codes Global control schemes have a long history, and it has been shown that universal quantum information processing is possible with only translational and local operations in a one-dimensional spin system. Recently, it has been shown that there is an error resilience threshold in a comprehensive control architecture that allows only selective manipulation and observation of boundary surfaces. Its value is 10 −5 , achieved by a scheme based on concatenation of Bacon-Shor codes.

たとえば、図1(a)に示すように、量子誤り訂正に必要な射影測定とその結果に基づいたフィードバック操作101(図1(a)上方の回路)は、補助ビットとのユニタリー操作102aとその後の補助ビットの冷却による初期化102bで置き換えることができる(図1(a)下方の回路)。   For example, as shown in FIG. 1 (a), the projection measurement necessary for quantum error correction and the feedback operation 101 (the upper circuit in FIG. 1 (a)) are performed by a unitary operation 102a with an auxiliary bit and thereafter Can be replaced with the initialization 102b by cooling the auxiliary bit (the lower circuit in FIG. 1A).

図1(b)〜(d)に示すように、大規模な量子ビット系での射影測定とそのフィードバック操作の実装には、莫大な測定結果を古典情報処理してフィードバック操作する必要がある(図1(b))。   As shown in FIGS. 1B to 1D, in order to implement projection measurement and its feedback operation in a large-scale qubit system, it is necessary to perform a feedback operation using classical information processing of a huge measurement result ( FIG. 1 (b)).

だが、ここで、ユニバーサルな量子情報処理が可能な系では、ユニバーサルな古典情報処理が可能である。これを利用することにより、図1(c)に示すように、古典情報処理103を、補助ビット系でのユニタリー操作104に置きかえることができる。   However, universal classical information processing is possible in systems where universal quantum information processing is possible. By utilizing this, as shown in FIG. 1C, the classical information processing 103 can be replaced with a unitary operation 104 in the auxiliary bit system.

本実施形態による量子誤り訂正アーキテクチャにおいては、Bacon-Shor符号のような有限長符号の連結化に代えて、局所的で並進対称的なスタビライザー符号である表面符号を用いる。これにより、境界面の選択性を必要としないアーキテクチャが実現される。このアーキテクチャでは、古典情報処理についても、冷却プロセスを用いることができ、本実施形態による量子誤り訂正アーキテクチャは、当該冷却プロセス105を、並進対称的で局所的な操作を用いて実現する(図1(d))。   In the quantum error correction architecture according to the present embodiment, a surface code that is a local, translationally symmetric stabilizer code is used instead of concatenating a finite length code such as a Bacon-Shor code. This realizes an architecture that does not require interface selectivity. In this architecture, a cooling process can be used for classical information processing as well, and the quantum error correction architecture according to the present embodiment realizes the cooling process 105 using translationally symmetric local operations (FIG. 1). (D)).

次に、本実施形態による量子誤り訂正アーキテクチャにおいて用いる表面符号およびそのシンドローム検出について、図2(a)〜(c)を参照して説明する。   Next, surface codes and syndrome detection used in the quantum error correction architecture according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図2(a)に示すように、表面符号201は、量子ビット202が正方格子の各辺に置かれた系上で定義される。ここで、正方格子のある面心(face)に隣接する4つの量子ビットからなるスタビライザー演算子Af=Zを考える。また、正方格子のある頂点(vertex)に隣接する4つの量子ビットからなるスタビライザー演算子Bv=Xを考える。表面符号201においては、符号化された状態|Ψ>は、格子上のすべての面心および頂点において定義されるスタビライザー演算子において、固有値(そのスタビライザー演算子で系を測定した場合の測定値)が+1となる同時固有状態として定義される。 As shown in FIG. 2A, the surface code 201 is defined on a system in which qubits 202 are placed on each side of a square lattice. Here, a stabilizer operator Af = Z 1 Z 2 Z 3 Z 4 composed of four qubits adjacent to a face having a square lattice is considered. Further, consider a stabilizer operator Bv = X 1 X 2 X 3 X 4 consisting of four qubits adjacent to a vertex having a square lattice. In the surface code 201, the encoded state | Ψ> is an eigenvalue (measured value when the system is measured by the stabilizer operator) in the stabilizer operator defined at all face centers and vertices on the lattice. Is defined as a simultaneous eigenstate with +1.

これから、図2(b)および(c)を参照し、Zエラーを訂正する方法について説明する。なお、Xエラーについても同様の方法で訂正できるため、ここではその説明は省略する。   A method for correcting the Z error will now be described with reference to FIGS. 2 (b) and 2 (c). Since the X error can be corrected by the same method, the description thereof is omitted here.

Zエラーのシンドロームは、スタビライザー演算子Bvの固有値bvで定義される。同様に、Xエラーのシンドロームは、スタビライザー演算子Afの固有値afで定義される。図2(b)に示されるような複数のZエラー205が起きたと仮定する。誤りが起きた場所がチェーンCのように連なった場合、その端∂Cの頂点のスタビライザー演算子Bv207の固有値bvが−1になる。これはエラー演算子が、その端のスタビライザー演算子Bvと反交換の関係になるためである。エラー状態を正しい状態に回復させるため、まず、シンドロームがチェーンCと同じになるエラー演算子CMLを推定する。これは、端が同じであるチェーンを推定することに相当する(つまり、∂CML=∂Cを満たすCMLを推定する)。エラー演算子CML=チェーンCの場合のみならず、エラー演算子CMLとチェーンCをつなげた場合に小さなループが形成される場合、誤り訂正は成功である。逆に、当該小さなループが形成されないならば、誤り訂正は、失敗である。 The syndrome of Z error is defined by the eigenvalue bv of the stabilizer operator Bv. Similarly, the syndrome of X error is defined by the eigenvalue af of the stabilizer operator Af. Assume that a plurality of Z errors 205 as shown in FIG. When the place where the error has occurred continues like a chain C, the eigenvalue bv of the stabilizer operator Bv207 at the apex of the terminal C becomes -1. This is because the error operator has an anti-exchange relation with the stabilizer operator Bv at the end. In order to recover the error state to the correct state, first, an error operator C ML whose syndrome is the same as that of the chain C is estimated. This corresponds to estimating a chain with the same end (ie, estimating C ML satisfying ∂C ML = ∂C). The error correction is successful not only when the error operator C ML = chain C but also when a small loop is formed when the error operator C ML and the chain C are connected. Conversely, if the small loop is not formed, error correction is a failure.

誤りの確率をpとする。そのとき、あるエラーチェーンの端が∂Cと同じになる確率は、式(1)で表される。
ここで、Eは、量子ビット数であり、u は、iがCに含まれるときに+1となり、含まれないときに−1となるものとする。端が∂Cとなる一番もっともらしいエラー演算子CMLは、その事後確率を最大化することで得られる。これは、一対の二つの端のペアを最小マンハッタン距離で結ぶエラーチェーンが一番もっともらしいことを示している。このような問題はEdmond's minimum weight perfect matching (MWPM)アルゴリズムを用いて古典コンピュータで効率的に、すなわち、システムサイズの多項式関数的な時間で解くことができる。シンドローム測定が完璧である場合にMWPMアルゴリズムを用いて得られる閾値10.3%は、理想的な閾値10.9%に十分近い。また、不完全なシンドローム測定の場合でもMWPMアルゴリズムを用いて得られる閾値2.9%も、理想的な閾値3.3%に十分近い。しかしながら、MWPMアルゴリズムでは、それぞれのエラーチェーンの確率だけでなく、実際のエラーチェーンCとつながれたときに同じホモロジーになるクラスのエラーチェーンの組み合わせ数も考慮する必要がある。この点で、MWPMアルゴリズムは、本発明の実施形態への適用に適さない。
Let p be the probability of error. At that time, the probability that the end of an error chain is the same as ∂C is expressed by equation (1).
Here, E is the number of qubits, and u i C is +1 when i is included in C, and −1 when i is not included. The most plausible error operator C ML whose end is ∂C is obtained by maximizing its posterior probability. This indicates that the error chain connecting the pair of two ends with the minimum Manhattan distance is most likely. Such a problem can be solved efficiently by a classical computer using the Edmond's minimum weight perfect matching (MWPM) algorithm, that is, in a polynomial function time of the system size. The threshold of 10.3% obtained using the MWPM algorithm when the syndrome measurement is perfect is close enough to the ideal threshold of 10.9%. In addition, even in the case of incomplete syndrome measurement, the threshold value 2.9% obtained using the MWPM algorithm is sufficiently close to the ideal threshold value 3.3%. However, in the MWPM algorithm, it is necessary to consider not only the probability of each error chain, but also the number of combinations of error chains of the same homology when connected to the actual error chain C. In this regard, the MWPM algorithm is not suitable for application to embodiments of the present invention.

量子計算機は、全ての古典情報処理をエミュレートすることができる。しかしながら、MWPMアルゴリズムは、高級言語で記述された非常に複雑な処理を要求する。そのため、表面符号のメリットが減殺される。そこで、本発明の実施形態においては、量子誤り訂正の過程において、後述する冷却プロセスを用いる(図2(c)および図2(d))。   A quantum computer can emulate all classical information processing. However, the MWPM algorithm requires very complex processing written in a high-level language. Therefore, the merit of the surface code is reduced. Therefore, in the embodiment of the present invention, the cooling process described later is used in the process of quantum error correction (FIG. 2C and FIG. 2D).

3.非観測型量子誤り訂正
本発明の実施形態による量子誤り訂正アーキテクチャにおいては、表面符号を形成しているデータ量子ビット(図2(c)における「量子ビット系」)に付随する補助古典多体系(図2(c)における「補助ビット系」)を導入する。ここでいう「古典」とは、状態間の量子コヒーレンスを積極的に使用しない、という意味である。補助古典多体系は、例えば、正方格子の辺上のデータ量子ビットの直上に位置しているイジング(Ising)スピン{|0>,|1>}からなる。これらを「冷却スピン」とも称することとする。冷却スピン系のハミルトニアンH({bv})は、式(2)で表されるような、並進対称的で局所的なものを考える。
3. Unobserved Quantum Error Correction In the quantum error correction architecture according to the embodiment of the present invention, an auxiliary classical many-body system (“qubit system” in FIG. 2C) associated with data qubits forming a surface code ( The “auxiliary bit system” in FIG. 2C is introduced. Here, “classical” means that quantum coherence between states is not actively used. The auxiliary classical many-body system includes, for example, Ising spins {| 0>, | 1>} located immediately above the data qubits on the sides of the square lattice. These are also referred to as “cooling spins”. The Hamiltonian H ({bv}) of the cooling spin system is considered to be a translationally symmetric and local one represented by the formula (2).

ここで、H({bv})は、次式、式(3)に示されるように、頂点に接する4つの冷却スピンにおける四体相互作用(強さJ)を表す。
Here, H P ({bv}) represents the following formula, as shown in equation (3), the four-body interactions in the four cooling spin in contact with the apex (strength J).

は、次式、式(4)に示されるように、各冷却スピンと磁場の相互作用(結合定数J、強さh)を表す。
ここでの結合係数は、Jv=bv・Jで与えられる。なお、負号は、各冷却スピン直下の量子ビットのスタビライザー演算子の固有値に従う。このようなシンドロームに依存した四体相互作用の実現については後で詳しく述べる。
H F has the formula, as shown in equation (4), representing the interaction of each cooling spin and a magnetic field (coupling constant J, strength h).
The coupling coefficient here is given by Jv = bv · J. The negative sign follows the eigenvalue of the stabilizer operator of the qubit immediately below each cooling spin. The realization of such a syndrome-dependent four-body interaction will be described in detail later.

本発明の実施形態による量子誤り訂正アーキテクチャにおける冷却プロセスは、2つの競合するダイナミクスを含む。1つは、Hによってチェーンの境界を制限するものである。もう1つは磁場によって重みを最小化するものである。もし、エラーが1つもなければ、すべてのvにおいてJv=Jとなり、このとき基底状態は|00…0>になる。エラーが1つでもあれば、状態は基底状態でない。Jv=−1での相互作用では、4つのスピンでの|1>の数が奇数になるように相互作用が働く。これは、頂点vにおいて終端するチェーンがより低いエネルギーを有することを意味する。 The cooling process in a quantum error correction architecture according to an embodiment of the present invention includes two competing dynamics. One is to limit the boundaries of the chain by H P. The other is to minimize the weight by the magnetic field. If there is no error, Jv = J in all v, and the ground state is | 00 ... 0>. If there is even one error, the state is not the ground state. In the interaction at Jv = −1, the interaction works so that the number of | 1> in the four spins becomes an odd number. This means that the chain terminating at vertex v has lower energy.

磁場との相互作用Hは、|0>と|1>の対称性を破り、|1>の数を減らそうと働く。これらの2つの制限(束縛)により、MWPMのminimum−weight条件およびperfect matching条件の効果と同様の効果が得られる。それゆえ、このハミルトニアン(式(2))の下での基底状態もしくは低温でのスピン配置は、MWPMで得られる結果の良い近似となる。 Interaction H F with magnetic field, | 0> and | 1 break the symmetry of the>, | work with trying to reduce the number of 1>. Due to these two restrictions (constraints), the same effects as those of the MWPM minimum-weight condition and the perfect matching condition can be obtained. Therefore, the ground state or low temperature spin configuration under this Hamiltonian (Equation (2)) is a good approximation of the results obtained with MWPM.

冷却プロセスの後、補助ビット系(の冷却用量子ビット(冷却スピン))において得られたスピン配置を量子ビット系(のデータ量子ビット)にフィードバックするには、冷却用量子ビット(冷却スピン)と対応するデータ量子ビットとの間でCZゲートを包括的に行えばよい。これらの一連の手続きによって、Zエラーを訂正することができる。   After the cooling process, in order to feed back the spin configuration obtained in the auxiliary bit system (cooling qubit (cooling spin)) to the qubit system (data qubit), the cooling qubit (cooling spin) and The CZ gate may be comprehensively performed with the corresponding data qubit. The Z error can be corrected by a series of these procedures.

Xエラーの場合も、頂点上のスタビライザー演算子Afの固有値afに従うハミルトニアンH({af})(式(2))の下での冷却と、その後の包括的フィードバック操作(制御ビットとしての冷却用量子ビット(冷却スピン)と、目標ビットとしてのデータ量子ビットとの間のCNOTゲート)によって同様に誤り訂正ができる。これらの冷却プロセスとフィードバック操作においては、選択的測定・操作は一切必要でない。これらの冷却プロセスとフィードバック操作は、包括的(非選択的)制御のみで実現できる。この意味で、本発明の実施形態による量子誤り訂正アーキテクチャを「非観測型量子誤り訂正」("Measurement-Free Quantum Error Correction " (MFQEC ))とも称する。   Even in the case of X error, cooling under Hamiltonian H ({af}) (Equation (2)) according to the eigenvalue af of the stabilizer operator Af on the vertex, followed by a comprehensive feedback operation (for cooling as a control bit) Error correction can be similarly performed by a CNOT gate between a qubit (cooling spin) and a data qubit as a target bit. These cooling processes and feedback operations do not require any selective measurement or manipulation. These cooling processes and feedback operations can be realized with only comprehensive (non-selective) control. In this sense, the quantum error correction architecture according to the embodiment of the present invention is also referred to as “Measurement-Free Quantum Error Correction” (MFQEC).

なお、結合の強さJの大きさについて、特に制限はない。しかしながら、適当な時間で良好なスピン配置が得られる点において、JをJ=2h程度とすることが好都合であることが数値シミュレーションによって確認されている。   There is no particular limitation on the magnitude of the bond strength J. However, it has been confirmed by numerical simulation that it is advantageous to set J to about J = 2h in that a good spin configuration can be obtained in an appropriate time.

また、本発明の実施形態による量子誤り訂正アーキテクチャでは、十分に低温な条件の下でスピンの配置を得るために必要な時間は、システムのサイズに依らない有限時間である。この点でも、本発明の実施形態による量子誤り訂正アーキテクチャは、システムサイズに関して十分な拡張性を有するものである。   Further, in the quantum error correction architecture according to the embodiment of the present invention, the time required to obtain the spin arrangement under sufficiently low temperature is a finite time that does not depend on the size of the system. Also in this respect, the quantum error correction architecture according to the embodiment of the present invention is sufficiently expandable with respect to the system size.

4.デジタル冷却プロセス(Digitalized Cooling Process)の実装
以下では、シンドロームに依存する四体相互作用を含むハミルトニアンH({bv})(式(2))の下での冷却プロセスを、具体的にどのように実現するかについて述べる。
4). Implementation of Digitalized Cooling Process In the following, the cooling process under Hamiltonian H ({bv}) (equation (2)) including four-body interaction that depends on syndrome is described in detail. Describe how it will be realized.

図3(a)は、それぞれ3種類の粒子を含んだ正方格子が2層ある構造を示す図である。以下では、この2層構造の系を用いて、MFQECの冷却プロセス等について説明する。ここでは、図中の下の層を、量子系301と称し、上の層を、古典系303と称する。量子系301は、3種類の粒子301A、301B、301Cを含み、古典系303は、3種類の粒子303A、303B、303Cを含むとする。この場合、各粒子が、単一の量子ビットを備えた量子情報保持体である。   FIG. 3A is a diagram showing a structure having two layers of square lattices each including three types of particles. Hereinafter, the cooling process of MFQEC and the like will be described using this two-layer structure system. Here, the lower layer in the figure is referred to as a quantum system 301, and the upper layer is referred to as a classical system 303. The quantum system 301 includes three types of particles 301A, 301B, and 301C, and the classical system 303 includes three types of particles 303A, 303B, and 303C. In this case, each particle is a quantum information holding body having a single qubit.

第1の量子情報保持体である粒子301Aは、量子系301を形成する正方格子の辺上に位置する。第2の量子情報保持体である粒子301Bは、量子系301を形成する正方格子の頂点に位置する。第3の量子情報保持体である粒子301Cは、量子系301を形成する正方格子の面心に位置する。   The particle 301 </ b> A that is the first quantum information holding body is located on the side of the square lattice forming the quantum system 301. The particle 301 </ b> B that is the second quantum information holding body is positioned at the apex of the square lattice forming the quantum system 301. The particle 301 </ b> C that is the third quantum information holding body is located at the center of the square lattice forming the quantum system 301.

第4の量子情報保持体である粒子303Aは、古典系303を形成する正方格子の辺上に位置する。第5の量子情報保持体である粒子303Bは、古典系303を形成する正方格子の頂点に位置する。第6の量子情報保持体である粒子303Cは、古典系303を形成する正方格子の面心に位置する。   The particle 303A as the fourth quantum information holding body is located on the side of the square lattice forming the classical system 303. The particle 303B, which is the fifth quantum information holding body, is located at the apex of the square lattice forming the classical system 303. The particle 303 </ b> C that is the sixth quantum information holding body is located at the center of the square lattice forming the classical system 303.

粒子301Aの量子ビットが、データ量子ビットである。つまり、粒子301Aが保持する量子情報が表面符号を構成する。粒子301A直上の、粒子301Aに対応する粒子303Aの量子ビットが、冷却用量子ビット(冷却スピン)である。   The qubit of the particle 301A is a data qubit. That is, the quantum information held by the particle 301A constitutes a surface code. The qubit of the particle 303A corresponding to the particle 301A immediately above the particle 301A is a cooling qubit (cooling spin).

また、粒子301Bの量子ビットは、第1Zエラー用量子ビット(Zエラー用シンドロームスピン)であり、粒子301B直上の粒子301Bに対応する粒子303Bの量子ビットが、第2Zエラー用量子ビット(Zエラー用シンドロームスピンの補助スピン)である。   The qubit of the particle 301B is the first Z error qubit (Z error syndrome spin), and the qubit of the particle 303B corresponding to the particle 301B immediately above the particle 301B is the second Z error qubit (Z error). Syndrome spin auxiliary spin).

同様、粒子301Cの量子ビットは、第1Xエラー用量子ビット(Xエラー用シンドロームスピン)であり、粒子301C直上の粒子301Cに対応する粒子303Cの量子ビットが、第2Xエラー用量子ビット(Xエラー用シンドロームスピンの補助スピン)である。   Similarly, the qubit of the particle 301C is the first X error qubit (X error syndrome spin), and the qubit of the particle 303C corresponding to the particle 301C immediately above the particle 301C is the second X error qubit (X error). Syndrome spin auxiliary spin).

量子系301および古典系303においては、それらに含まれる粒子(量子情報保持体)は粒子の種類ごとに、他の種類の粒子から独立に、1量子ビットゲート、および、2量子ビットゲートを作用させることができるように、粒子の種類が選択され量子系301および古典系303が構成されている。例えば、量子系301の粒子301A(データ量子ビット)の全てに、他種の粒子から独立して、アダマール(Hadamard)ゲートを施すことができる。また例えば、量子系301の粒子301B(Zエラー用シンドロームスピン)と、粒子301C(Xエラー用シンドロームスピン)との間に、他種の粒子から独立して、CNOT(制御NOT)ゲートを施すことができる。また例えば、古典系303の粒子303A(冷却スピン)、粒子303B(Zエラー用シンドロームスピンの補助スピン)、粒子303C(Xエラー用シンドロームスピンの補助スピン)は、それぞれ独立に後述する散逸(dissipation)操作を施すことができる。   In the quantum system 301 and the classical system 303, the particles (quantum information holding body) included in them act on one qubit gate and two qubit gates independently of other kinds of particles for each kind of particle. The quantum system 301 and the classical system 303 are configured by selecting the kind of particles. For example, a Hadamard gate can be applied to all of the particles 301A (data qubit) of the quantum system 301 independently of other types of particles. Further, for example, a CNOT (control NOT) gate is applied between the particle 301B (Z error syndrome spin) of the quantum system 301 and the particle 301C (X error syndrome spin) independently of other types of particles. Can do. For example, the particle 303A (cooling spin), the particle 303B (auxiliary spin of the syndrome spin for Z error), and the particle 303C (auxiliary spin of the syndrome spin for X error) of the classical system 303 are each independently described later. Operations can be performed.

なお、本発明の実施形態によるMFQECは、上述したような2層構造を有する系以外にも適用可能である。例えば、3種類の粒子(3種類の量子情報保持体)を含んで正方格子を形成する1層のみからなる系に対してであっても、本発明の実施形態によるMFQECを適用することができる。その場合、3種の粒子それぞれの複数種類の(2種類の)内部自由度(核スピンや電子スピン)を用いて、粒子301A、B、Cおよび粒子303A、B、Cに相当する6種の量子ビットを実現すればよい。   The MFQEC according to the embodiment of the present invention can be applied to systems other than the system having the two-layer structure as described above. For example, the MFQEC according to the embodiment of the present invention can be applied even to a system including only one layer that includes three types of particles (three types of quantum information holders) and forms a square lattice. . In that case, six types corresponding to the particles 301A, B, and C and the particles 303A, B, and C using plural types (two types) of internal degrees of freedom (nuclear spin and electron spin) of each of the three types of particles. A qubit may be realized.

以下、図3、図4、ならびに、図5Aおよび図5Bを参照して、本発明の実施形態による量子誤り訂正(MFQEC)の方法について、以下に示す。図4は、本発明の実施形態による量子誤り訂正の特に前半部分、すなわち、Zエラー訂正の流れを示す模式図である。なお、Xエラー訂正の流れについては、図示したZエラー訂正の流れから容易に理解できるため、図示を省略している。図5Aおよび図5Bは、本発明による量子誤り訂正のフローチャートである。   Hereinafter, a method of quantum error correction (MFQEC) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4 and FIGS. 5A and 5B. FIG. 4 is a schematic diagram showing the flow of especially the first half of quantum error correction according to the embodiment of the present invention, that is, Z error correction. Note that the X error correction flow is not shown because it can be easily understood from the illustrated Z error correction flow. 5A and 5B are flowcharts of quantum error correction according to the present invention.

ステップ(i):初期化
粒子301Bの量子ビット(Zエラー用シンドロームスピン)および粒子301Cの量子ビット(Xエラー用シンドロームスピン)(図3(a)等)の状態を、|0>に初期化する(図4(a)、図5AのステップS1)。
Step (i): Initialization The states of the qubit of the particle 301B (Z error syndrome spin) and the qubit of the particle 301C (X error syndrome spin) (FIG. 3A, etc.) are initialized to | 0>. (FIG. 4A, step S1 in FIG. 5A).

ステップ(ii):面心のシンドロームの抽出
粒子301Aの量子ビット(データ量子ビット)と粒子301Bの量子ビット(Zエラー用シンドロームスピン)との間で、データ量子ビット301Aを制御ビットとしZエラー用シンドロームスピン301Bを標的ビットとして、CNOTゲート操作を行う(図3(b)向かって右側の図、図4(b)の量子系301面内方向矢印、図5AのステップS2)。
Step (ii): Extraction of face-centered syndrome Between the qubit of the particle 301A (data qubit) and the qubit of the particle 301B (Z error syndrome spin), the data qubit 301A is used as a control bit and for Z error The CNOT gate operation is performed with the syndrome spin 301B as the target bit (the right side of FIG. 3B, the in-plane arrow of the quantum system 301 in FIG. 4B, step S2 in FIG. 5A).

ステップ(iii):抽出されたシンドロームの古典系303へのコピー
粒子303Bの量子ビット(Zエラー用シンドロームスピンの補助スピン)(図3(a)等)の状態を、|0>に初期化し、粒子301Bの量子ビット(Zエラー用シンドロームスピン)と粒子303Bの量子ビット(Zエラー用シンドロームスピンの補助スピン)との間で、Zエラー用シンドロームスピン301Bを制御ビットとしZエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bを標的ビットとして、CNOTゲート操作を行う(図3(c)向かって右側の図、図4(b)の量子系301から古典系303へ向かう矢印、図5AのステップS3)。
Step (iii): Copying the extracted syndrome to the classical system 303 The state of the quantum bit of the particle 303B (auxiliary spin of the syndrome spin for Z error) (FIG. 3A, etc.) is initialized to | 0> Between the qubit of the particle 301B (Z-error syndrome spin) and the qubit of the particle 303B (Z-error syndrome spin auxiliary spin), the Z-error syndrome spin 301B is used as a control bit to assist the Z-error syndrome spin. CNOT gate operation is performed with the spin 303B as the target bit (the right side of FIG. 3C, the arrow from the quantum system 301 to the classical system 303 in FIG. 4B, step S3 in FIG. 5A).

ステップ(iv):H({bv})の下での冷却
図3(d)においてUとして表されるCNOT操作、つまり、粒子303Aの量子ビット(冷却用量子ビット(冷却スピン))と粒子303Bの量子ビット(Zエラー用シンドロームスピンの補助スピン)との間で、4つの冷却スピン303Aを制御ビットとし4つの冷却スピン303Aに囲まれたZエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bを標的ビットとして、CNOTゲート操作Uを行う。そして、Zエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bに対し散逸操作(D(βJ)による減衰(後述))を行い、さらに、上記したCNOT操作Uを行う。(図3(d)、図4(c)、図5AのステップS4)。
Step (iv): Cooling under H P ({bv}) CNOT operation represented as U in FIG. 3 (d), ie qubit of particle 303A (cooling qubit (cooling spin)) and particle Between 303B quantum bits (auxiliary spins of syndrome spin for Z error), four cooling spins 303A are control bits and auxiliary spins 303B of syndrome spins for Z error surrounded by four cooling spins 303A are target bits. , CNOT gate operation U is performed. Then, a dissipation operation (attenuation by D (βJ) (described later)) is performed on the auxiliary spin 303B of the syndrome spin for Z error, and the CNOT operation U is performed. (FIG.3 (d), FIG.4 (c), step S4 of FIG. 5A).

ステップ(v):Hの下での冷却
次に、図3(d)の最後部分に示されるように、Zエラー用シンドロームスピン301BとZエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bとの間で、Zエラー用シンドロームスピン301Bを制御ビットとしZエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bを標的ビットとしてCNOTゲート操作を行い、Zエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bを制御ビットとして周りの4つの冷却スピン303Aのパリティ(ゼロケットの個数の偶奇)を変える操作、例えば、Zエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bと冷却スピン303Aとの間でランダムなCNOT操作(後述)を行う。そして、冷却スピン303Aについて、散逸操作(D(βh)による減衰(後述))を行う(図4(c)、図5AのステップS5)。
Step (v): Cooling under H F Next, as shown in the last part of FIG. 3 (d), between the auxiliary spin 303B syndrome spin 301B and Z errors for the syndrome spin for Z errors, CNOT gate operation is performed using the Z error syndrome spin 301B as a control bit and the Z error syndrome spin auxiliary spin 303B as a target bit, and the surrounding four cooling spins 303A are controlled using the Z error syndrome spin auxiliary spin 303B as a control bit. An operation for changing the parity (even / odd number of zero-kets), for example, a random CNOT operation (described later) is performed between the auxiliary spin 303B of the Z-error syndrome spin and the cooling spin 303A. Then, a dissipation operation (attenuation (described later) by D (βh)) is performed on the cooling spin 303A (FIG. 4C, step S5 in FIG. 5A).

ステップ(vi)
上述したステップ(iii)からステップ(v)までの操作を、HおよびHそれぞれの下での冷却効果が十分に得られるように、予め定めた所定の回数だけ繰り返す(図5AのステップS6)。
Step (vi)
The operation from the above step (iii) to step (v), so that the cooling effect under each H P and H F can be sufficiently obtained, repeated a predetermined number of times determined in advance (step of FIG. 5A S6 ).

ステップ(vii):フィードバックによるZエラー訂正
冷却スピン303Aとデータ量子ビット301Aとの間で、冷却スピン303Aを制御ビットとしデータ量子ビット301Aを標的ビットとして、CZゲート操作を行う(図4(d)、図5AのステップS7)。
Step (vii): Z error correction by feedback CZ gate operation is performed between the cooling spin 303A and the data qubit 301A using the cooling spin 303A as a control bit and the data qubit 301A as a target bit (FIG. 4D). FIG. 5A, step S7).

以上、ステップ(i)からステップ(vii)までの操作により、データ量子ビット301Aに含まれる誤り(Zエラー)の訂正が行われる。以下、ステップ(viii)からステップ(xiii)は、Xエラーの訂正に関する。   As described above, the error (Z error) included in the data qubit 301A is corrected by the operations from step (i) to step (vii). Hereinafter, steps (viii) to (xiii) relate to correction of X errors.

ステップ(viii):頂点のシンドロームの抽出
データ量子ビット粒子301Aと粒子301Cの量子ビット(Xエラー用シンドロームスピン)との間で、Xエラー用シンドロームスピン301Cを制御ビットとしデータ量子ビット301Aを標的ビットとして、HCNOTゲート操作を行う(図3(b)向かって左側の図、図5BのステップS8)。ここでのHCNOTゲート操作とは、制御ビット(Xエラー用シンドロームスピン301C)に対し先ずアダマール(Hadamard)ゲートを施し、次に、CNOTゲート操作を行い、その後で、さらに、制御ビット(Xエラー用シンドロームスピン301C)に対しアダマール(Hadamard)ゲートを施す操作を指す(図3(b)の下方の図)。
Step (viii): Extraction of vertex syndrome Between the data qubit particle 301A and the qubit of the particle 301C (syndrome spin for X error), the syndrome bit for X error 301C is used as a control bit, and the data qubit 301A is used as a target bit. Then, the HCNOT gate operation is performed (the diagram on the left side in FIG. 3B, step S8 in FIG. 5B). Here, the HCNOT gate operation means that the control bit (X error syndrome spin 301C) is first subjected to Hadamard gate, then CNOT gate operation is performed, and then the control bit (for X error) This refers to an operation of applying a Hadamard gate to the syndrome spin 301C) (the lower diagram in FIG. 3B).

ステップ(ix):抽出されたシンドロームの古典系303へのコピー
ステップ(iii)と同様に、粒子303Cの量子ビット(Xエラー用シンドロームスピンの補助スピン)(図3(a)等)の状態を、|0>に初期化し、Xエラー用シンドロームスピン301CとXエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Cとの間で、Xエラー用シンドロームスピン301Cを制御ビットとしXエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Cを標的ビットとして、CNOTゲート操作を行う(図3(c)向かって左側の図、図5BのステップS9)。
Step (ix): Copying the extracted syndrome to the classical system 303 As in step (iii), the state of the quantum bit (auxiliary spin of the syndrome spin for X error) (FIG. 3A, etc.) of the particle 303C is changed. , | 0>, and target X-error syndrome spin auxiliary spin 303C between X-error syndrome spin 301C and X-error syndrome spin auxiliary spin 303C using X-error syndrome spin 301C as a control bit As a bit, a CNOT gate operation is performed (the diagram on the left side in FIG. 3C, step S9 in FIG. 5B).

ステップ(x):H({af})の下での冷却
ステップ(iv)と同様に、粒子303Aの量子ビット(冷却用量子ビット(冷却スピン))とXエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Cとの間で、4つの冷却スピン303Aを制御ビットとし4つの冷却スピン303Aに囲まれたXエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Cを標的ビットとして、CNOTゲート操作を行う。そして、Xエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Cに対し散逸操作(D(βJ)による減衰(後述))を行い、さらに、上記したCNOT操作Uを行う(図5BのステップS10)。
Step (x): H P ({ af}) in the same manner as the cooling step (iv) under the auxiliary spin 303C qubits (cooling qubits (cooling spin)) and X error for syndrome spin particles 303A The CNOT gate operation is performed using the four cooling spins 303A as control bits and the auxiliary spin 303C of the syndrome spin for X error surrounded by the four cooling spins 303A as a target bit. Then, the dissipation operation (attenuation by D (βJ) (described later)) is performed on the auxiliary spin 303C of the syndrome spin for X error, and the above-described CNOT operation U is performed (step S10 in FIG. 5B).

ステップ(xi):Hの下での冷却
ステップ(v)と同様に、Xエラー用シンドロームスピン301CとXエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Cとの間でCNOTゲート操作を行い、Xエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Cを制御ビットとして周りの4つの冷却スピン303Aのパリティを変える操作、例えば、Xエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Cと冷却スピン303Aとの間でランダムなCNOT操作(後述)を行う。そして、冷却スピン303Aについて、散逸操作(D(βh)による減衰(後述))を行う(図5BのステップS11)。
Step (xi): Similar to the cooling step under H F (v), performed CNOT gate operation between the auxiliary spin 303C of X error for Syndrome spin 301C and X error for syndromes spin, syndrome X-Error An operation of changing the parity of the surrounding four cooling spins 303A using the auxiliary spin 303C of the spin as a control bit, for example, a random CNOT operation (described later) between the auxiliary spin 303C of the syndrome spin for X error and the cooling spin 303A . Then, a dissipation operation (attenuation by D (βh) (described later)) is performed on the cooling spin 303A (step S11 in FIG. 5B).

ステップ(xii)
上述したステップ(ix)からステップ(xi)までの操作を、HおよびHそれぞれの下での冷却効果が十分に得られるように、予め定めた所定の回数だけ繰り返す(図5BのステップS12)。
Step (xii)
The operation from the above step (ix) to step (xi), as the cooling effect under each H P and H F can be sufficiently obtained, repeated a predetermined number of times determined in advance (step of FIG. 5B S12 ).

ステップ(xiii):フィードバックによるXエラー訂正
冷却スピン303Aとデータ量子ビット301Aとの間で、冷却スピン303Aを制御ビットとしデータ量子ビット301Aを標的ビットとして、CNOTゲート操作を行う(図5BのステップS13)。
Step (xiii): X error correction by feedback CNOT gate operation is performed between the cooling spin 303A and the data qubit 301A using the cooling spin 303A as a control bit and the data qubit 301A as a target bit (step S13 in FIG. 5B). ).

以上、ステップ(ix)からステップ(xiii)までの操作により、データ量子ビット301Aに含まれる誤り(Xエラー)の訂正が行われる。   As described above, the error (X error) included in the data qubit 301A is corrected by the operations from step (ix) to step (xiii).

ステップ(i)からステップ(xiii)までの一連の操作が、本発明の実施形態による量子誤り訂正の1サイクルに相当する。   A series of operations from step (i) to step (xiii) corresponds to one cycle of quantum error correction according to the embodiment of the present invention.

以下では、ステップ(iv)(Hの下での冷却)およびステップ(v)(Hの下での冷却)について、さらに詳しく説明する。 Hereinafter, the step (iv) (cooled under H P) and step (v) (cooled under H F), it will be described in more detail.

ステップ(iv)およびステップ(v)は、ハミルトニアンH({bv})(式(2))の下での冷却を実現することを目的としている。ステップ(x)およびステップ(xi)も同様、ハミルトニアンH({af})の下での冷却を実現することを目的とする。   Steps (iv) and (v) are intended to achieve cooling under the Hamiltonian H ({bv}) (Equation (2)). Steps (x) and (xi) are also aimed at achieving cooling under the Hamiltonian H ({af}).

先ず、H({bv})を、Zエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bのスピン演算子Zvを用いて、固有値bvに依存しない次式(式(5))のような形に書き換える。
First, rewrites the H P ({bv}), using a spin operator Zv auxiliary spin 303B syndrome spin for Z errors, the shape such as the following equation does not depend on the eigenvalues bv (Equation (5)).

次に、冷却のダイナミクスを考えるために、古典系303と環境系との間の相互作用Hintを考慮する。してみれば、全系の時間発展V(t)は、
V(t)=e^[−i(H+Hint)t]、
となる。
Next, in order to consider the dynamics of cooling, the interaction H int between the classical system 303 and the environmental system is considered. Then, the time evolution V (t) of the whole system is
V (t) = e ^ [− i (H + H int ) t],
It becomes.

古典系303と環境系との相互作用が十分に小さく、環境系の相関時間が十分に短いならば、全系は、熱平衡状態へ向かってマルコフ過程で減衰するとよく近似できる。   If the interaction between the classical system 303 and the environmental system is sufficiently small and the correlation time of the environmental system is sufficiently short, the whole system can be well approximated as being attenuated in a Markov process toward the thermal equilibrium state.

鈴木トロッター展開を用い、V(t)の時間発展を細かく離散化すれば、
V(t)=e^[−i(H+Hint)t]
〜[e^[−i(H+Hint/2)τ]
×e^[−i(H+Hint/2)τ]]^m、
となる。ここで、t=τmである。
なお、ここでは、近似
を用いている。
If we use Suzuki Trotter expansion and finely discretize the time evolution of V (t),
V (t) = e ^ [− i (H + H int ) t]
~ [E ^ [- i ( H P + H int / 2) τ]
× e ^ [- i (H F + H int / 2) τ]] ^ m,
It becomes. Here, t = τm.
Here, approximation
Is used.

そうして環境系を部分トレースすることにより、冷却スピン系においてマルコフ過程の散逸ダイナミクスをデジタルにシミュレートすることができる。
ここで、ρA、および、ρBは、それぞれ、古典系303と環境系の密度行列である。
Thus, by partially tracing the environmental system, the dissipation dynamics of the Markov process can be digitally simulated in a cooled spin system.
Here, ρA and ρB are density matrices of the classical system 303 and the environmental system, respectively.

およびLは、それぞれ、ハミルトニアンHおよびHの下でのマルコフ的な散逸に相当する、リンドブラッド(Lindblad)超演算子
である。また、ここでの演算子
は、
に対してエネルギーを下げる働きをする。
L P and L F, respectively, corresponding to a Markovian dissipation under Hamiltonian H P and H F, Lindblad (Lindblad) Ultra operator
It is. Also here the operator
Is
It works to lower energy.

減衰と励起の比(γ/γ)は環境の温度の逆数βおよびエネルギーギャップhを用いて、
で与えられる。
The ratio of attenuation to excitation (γ / γ + ) is calculated by using the inverse β of the temperature of the environment and the energy gap h,
Given in.

また、1つの量子ビットを散逸させる操作
ができると仮定すれば、冷却ダイナミクスe^(τL)は、冷却スピン303Aへの散逸ダイナミクス
で実現される。
Also, an operation to dissipate one qubit
Is assumed, the cooling dynamics e ^ (τL F ) is the dissipative dynamics to the cooling spin 303A.
It is realized with.

を、包括制御(粒子群に対する非選択的操作)で実現するため、先ず、次の演算子
を考える。もし、ZvΠZのパリティが奇であれば、Zエラー用シンドロームスピンの補助スピン303B(エラーシンドロームのコピー)がフリップされる。
In order to realize L P by comprehensive control (non-selective operation on particle group), first, the following operator
think of. If the parity of ZvΠZ is odd, the auxiliary spin 303B of Z syndrome syndrome spin (error syndrome copy) is flipped.

冷却スピン303Aのエネルギーを減らすためには、エラーシンドロームのコピーがフリップされた場合に、ランダムに冷却スピン303Aをフリップできればよい。   In order to reduce the energy of the cooling spin 303A, it is sufficient if the cooling spin 303A can be flipped randomly when a copy of the error syndrome is flipped.

そこで、エラーシンドロームのコピーがフリップされたかどうかを知るために、Zエラー用シンドロームスピン301BとZエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bとの間で、Zエラー用シンドロームスピン301Bを制御ビットとしZエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bを標的ビットとして、CNOTゲート操作を行う。もしエラーシンドロームのコピーがフリップされたならば、Zエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bは、|1>になっている。エラーシンドロームのコピーがフリップされなければ、Zエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bは、|0>になっている。そして、Zエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bを制御ビットとして周りの4つの冷却スピン303Aのパリティを変える操作、例えば、Zエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bと冷却スピン303Aとの間でランダムなCNOT操作を行う。この、Zエラー用シンドロームスピン301BとZエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bとの間のCNOTゲート操作およびZエラー用シンドロームスピンの補助スピン303Bと冷却スピン303Aとの間のランダムなCNOT操作とをまとめて、R~CNOTと表記する。R~CNOT後では、c^の操作は実効的にa^の操作と等価である。 Therefore, in order to know whether or not the error syndrome copy has been flipped, the Z error syndrome spin 301B is used as a control bit between the Z error syndrome spin 301B and the auxiliary spin 303B of the Z error syndrome spin. The CNOT gate operation is performed with the auxiliary spin 303B of the syndrome spin as the target bit. If a copy of the error syndrome is flipped, the auxiliary spin 303B of the Z error syndrome spin is | 1>. If the error syndrome copy is not flipped, the auxiliary spin 303B of the Z error syndrome spin is | 0>. Then, the operation of changing the parity of the surrounding four cooling spins 303A using the auxiliary spin 303B of the Z error syndrome spin as a control bit, for example, random CNOT between the auxiliary spin 303B of the Z error syndrome spin and the cooling spin 303A. Perform the operation. The CNOT gate operation between the Z error syndrome spin 301B and the auxiliary spin 303B of the Z error syndrome spin and the random CNOT operation between the auxiliary spin 303B of the Z error syndrome spin and the cooling spin 303A are summarized. R ~ CNOT . After R ~ CNOT , the operation of c ^ is effectively equivalent to the operation of a ^.

リンドブラッド(Lindblad)超演算子がL~と表されるc^による散逸操作を実現する方法について説明する。 A method for realizing a dissipative operation by c ^ in which a Lindblad super operator is expressed as L to P will be described.

演算子c^は、操作U(図3(d))により、
のように変換される。これは、正方格子頂点の量子ビットについての単一量子の昇降演算である。したがって、この結果とR~CNOTとを組み合わせることにより、散逸操作Lは、以下のようにして実現される。
ここで、
である。以上より、ハミルトニアンH({bv})の下でのデジタル化された(離散化された)冷却は、包括的な操作(包括的制御)によって実現可能である。
The operator c ^ is determined by the operation U (FIG. 3 (d)).
Is converted as follows. This is a single quantum up / down operation for a qubit at a square lattice vertex. Therefore, by combining the results and R ~ CNOT, dissipative operation L P is realized as follows.
here,
It is. From the above, digitized (discretized) cooling under the Hamiltonian H ({bv}) can be realized by comprehensive operation (global control).

次に、物理パラメータが満たすべき要件について議論する。ここでの物理パラメータとは、量子系301の粒子301A、301B、および、301Cについての、散逸のレート(減衰率)Γ=1/T、Γ=1/Tである。この場合、Γ>>Γを仮定する。 Next, the requirements that the physical parameters should meet are discussed. Here, the physical parameters are dissipation rates (decay rates) Γ 1 = 1 / T 1 and Γ 2 = 1 / T 2 for the particles 301A, 301B, and 301C of the quantum system 301. In this case, Γ 1 >> Γ 2 is assumed.

古典系303の粒子303B、303Cの散逸レートは、γ〜||Hint||で表し、量子ビット間の結合強度をgとすれば、ゲート操作に要求される時間は、1/gで制限される。 The dissipation rate of the particles 303B and 303C of the classical system 303 is represented by γ˜ || H int ||, and if the coupling strength between qubits is g, the time required for gate operation is limited to 1 / g. Is done.

上述の冷却ダイナミクス導出過程においては、マルコフ近似を用いている。そのため、J,h>>γであるとする。また、鈴木トロッター展開で用いた近似(式(6))から、Jγτ<<1,hγτ<<1である。J,h〜10γ,Jγτ〜0.1を仮定すれば、デジタル的に(時間離散的に)冷却過程をシミュレートする際の時間幅τは、τ〜0.1/γとなる。 In the above-described cooling dynamics derivation process, Markov approximation is used. Therefore, it is assumed that J, h >> γ. In addition, Jγτ 2 << 1, hγτ 2 << 1 from the approximation (Expression (6)) used in Suzuki Trotter expansion. Assuming J, h to 10γ, and Jγτ 2 to 0.1, the time width τ when digitally (time discretely) simulating the cooling process is τ to 0.1 / γ.

その一方、発明者が行った数値シミュレーション(モンテカルロシミュレーション)によれば、冷却プロセスは10モンテカルロステップを要する、という結果を得ている。それぞれのモンテカルロステップでは、メトロポリスアルゴリズムにより並列的にスピンをフリップさせており、当該ステップは、物理的には緩和時間1/γで与えられる。したがって、冷却プロセスに要求される時間は、tcool=10/γと見積もられる。また、冷却プロセスは、τ〜0.1/γの時間幅で分割されるので、分割数は、m=tcool/τ〜10となる。それぞれのデジタル化された冷却プロセスでは、10個のゲート操作が実装されるため、冷却時間に加えて、ゲート操作時間t=10m/gが必要である。 On the other hand, according to the numerical simulation (Monte Carlo simulation) conducted by the inventor, the cooling process requires 10 3 Monte Carlo steps. In each Monte Carlo step, spins are flipped in parallel by a metropolis algorithm, and the step is physically given by a relaxation time 1 / γ. Therefore, the time required for the cooling process is estimated to be t cool = 10 3 / γ. The cooling process, since it is divided by the time width of τ~0.1 / γ, the number of divisions becomes m = t cool / τ~10 4. In each digitized cooling process, 10 gate operations are implemented, so in addition to the cooling time, a gate operation time t g = 10 m / g is required.

以上のことから、冷却プロセスには、
cycle=tcool+t〜10/γ+10/g、
の時間を要する。
From the above, the cooling process
t cycle = t cool + t g -10 3 / γ + 10 5 / g,
Takes time.

また、MFQECがうまく働くためには、量子ビットの誤り確率pをp〜10−2以下に抑えることが求められる。Γ<<Γであるから、T緩和に起因するZエラー確率のみを考えると、
p=1−e^(−Γcycle)〜Γcycle〜10−2
⇔ Γ×(10/γ+10/g)〜10−2
⇔ Γ<10−5γ、かつ、Γ<10−7g、
となる。前者は、補助ビット(古典系303)の散逸時間が、量子ビット(量子系301)の緩和時間Tよりも10倍だけ速いということを示している。後者は、ゲート時間gが、量子系301のコヒーレンス時間よりも10倍速いことを意味している。
In addition, in order for MFQEC to work well, it is required to suppress the error probability p of qubits to p-10 −2 or less. Since Γ 1 << Γ 2 , considering only the Z error probability due to T 2 relaxation,
p = 1-e ^ (- Γ 2 t cycle) ~Γ 2 t cycle ~10 -2
⇔ Γ 2 × (10 3 / γ + 10 5 / g) to 10 −2
Γ Γ 2 <10 −5 γ and Γ 2 <10 −7 g,
It becomes. The former, dissipation time of the auxiliary bit (classical system 303) have shown that fast only 10 5 times greater than the relaxation time T 2 of the qubit (quantum system 301). The latter, the gate time g is, it means that 10 7 times faster than the coherence time of the quantum system 301.

このように、本発明の実施形態による量子誤り訂正方法は、包括制御により実現される冷却プロセスを用い、量子誤り訂正を行う。本方法では、すべての操作、および、各系のハミルトニアンは、2次元系で局所的かつ並進対称的であり、個別の量子情報保持体の量子ビットへの観測をまったく必要としない。そのため、本発明の実施形態による量子誤り訂正方法では、システムサイズの増大に応じて、量子情報保持体の量子ビットに対し操作を行うための操作チャンネルの数が増大する、ということがない。したがって、本発明の実施形態による量子誤り訂正方法は、システムサイズに無関係に、極めて少ない操作チャンネル数で、量子誤り訂正を実現することが可能である。   As described above, the quantum error correction method according to the embodiment of the present invention performs the quantum error correction using the cooling process realized by the comprehensive control. In this method, all operations and the Hamiltonian of each system are local and translationally symmetric in the two-dimensional system, and do not require any observation of individual quantum information carriers in the qubits. Therefore, in the quantum error correction method according to the embodiment of the present invention, the number of operation channels for performing operations on the quantum bits of the quantum information holding body does not increase with an increase in system size. Therefore, the quantum error correction method according to the embodiment of the present invention can realize quantum error correction with an extremely small number of operation channels regardless of the system size.

言い換えれば、本発明の実施形態による量子誤り訂正方法は、
複数の量子ビットが格子構造を成して配列される量子情報格納器において、格子構造の各辺上に配された複数のデータ量子ビット301Aに格納された量子情報によって構成される表面符号の誤りを訂正する量子誤り訂正装置における量子誤り訂正方法であって、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第1の操作を行うことにより、格子構造の各頂点に配された複数の第1Zエラー用量子ビット301Bに表面符号のZエラーシンドロームに対応した量子状態を準備するZエラー抽出ステップ(ステップ(ii))と、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第2の操作を行うことにより、Zエラー抽出ステップによって準備された複数の第1Zエラー用量子ビット301Bの量子状態を、複数の第1Zエラー用量子ビット301Bそれぞれに近接して配された複数の第2Zエラー用量子ビット303BにコピーするZエラーコピーステップ(ステップ(iii))と、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第3の操作を行うことにより、Zエラーコピーステップによって準備された第2Zエラー用量子ビット303Bの量子状態を用いて、Zエラーシンドロームに依存したハミルトニアンの下で複数の第2Zエラー用量子ビット303Bおよび複数のデータ量子ビット301Aに近接して配された複数の冷却用量子ビット303Aを冷却する第1冷却ステップ(ステップ(iv)、ステップ(v))と、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第4の操作を行うことにより、Zエラー冷却ステップによって準備された複数の冷却用量子ビット303Aそれぞれの量子状態を、複数のデータ量子ビット301AにフィードバックするZエラー訂正ステップ(ステップ(vii))と、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第5の操作を行うことにより、格子構造の各面心に配された複数の第1Xエラー用量子ビット301Cに表面符号のXエラーシンドロームに対応した量子状態を準備するXエラー抽出ステップ(ステップ(viii))と、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第6の操作を行うことにより、Xエラー抽出ステップによって準備された複数の第1Xエラー用量子ビット301Cの量子状態を、複数の第1Xエラー用量子ビット301Cそれぞれに近接して配された複数の第2Xエラー用量子ビット303CにコピーするXエラーコピーステップ(ステップ(ix))と、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第7の操作を行うことにより、Xエラーコピーステップによって準備された第2Xエラー用量子ビット303Cの量子状態を用いて、Xエラーシンドロームに依存したハミルトニアンの下で複数の第2Xエラー用量子ビット303Cおよび複数の冷却用量子ビット303Aを冷却する第2冷却ステップ(ステップ(x)、ステップ(xi))と、
量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第8の操作を行うことにより、Xエラー冷却ステップによって準備された複数の冷却用量子ビット303Aそれぞれの量子状態を、複数のデータ量子ビット301AにフィードバックするXエラー訂正ステップ(ステップ(xiii))と、を有する量子誤り訂正方法である。
In other words, the quantum error correction method according to the embodiment of the present invention is:
In a quantum information storage in which a plurality of qubits are arranged in a lattice structure, a surface code error composed of quantum information stored in a plurality of data qubits 301A arranged on each side of the lattice structure A quantum error correction method in a quantum error correction apparatus for correcting
By performing a first translationally symmetric and local first operation on the quantum information storage, a plurality of first Z error qubits 301B arranged at each vertex of the lattice structure have a Z error syndrome of a surface code. A Z error extraction step (step (ii)) for preparing a quantum state corresponding to
By performing a second translationally symmetric and local second operation on the quantum information storage, the quantum states of the plurality of first Z error qubits 301B prepared by the Z error extraction step are changed to a plurality of first states. A Z error copy step (step (iii)) of copying to a plurality of second Z error qubits 303B arranged close to each of the 1Z error qubits 301B;
By performing a third translationally symmetric and local third operation on the quantum information store, using the quantum state of the second Z error qubit 303B prepared by the Z error copy step, the Z error syndrome A first cooling step (step (iv)) for cooling a plurality of cooling qubits 303A arranged in proximity to the plurality of second Z error qubits 303B and the plurality of data qubits 301A under a Hamiltonian depending on Step (v));
By performing the fourth translationally symmetric and local fourth operation on the quantum information storage, the quantum states of the plurality of cooling qubits 303A prepared by the Z error cooling step are converted into a plurality of data quanta. Z error correction step (step (vii)) that feeds back to bit 301A;
By performing a comprehensive translational symmetric and local fifth operation on the quantum information storage, a plurality of first X error qubits 301C arranged at each face center of the lattice structure are subjected to an X error of the surface code. An X error extraction step (step (viii)) for preparing a quantum state corresponding to the syndrome;
By performing a comprehensive translational symmetric and local sixth operation on the quantum information storage, the quantum states of the plurality of first X error qubits 301C prepared by the X error extraction step are converted into a plurality of first states. An X error copy step (step (ix)) for copying to a plurality of second X error qubits 303C arranged close to each of the 1X error qubits 301C;
The X error syndrome is obtained using the quantum state of the second X error qubit 303C prepared by the X error copy step by performing a comprehensive translational symmetric and local seventh operation on the quantum information storage. A second cooling step (step (x), step (xi)) for cooling the plurality of second X error qubits 303C and the plurality of cooling qubits 303A under a Hamiltonian depending on
By performing a comprehensive translational symmetric and local eighth operation on the quantum information storage, each quantum state of the plurality of cooling qubits 303A prepared by the X error cooling step is converted into a plurality of data quanta. And an X error correction step (step (xiii)) that feeds back to the bit 301A.

また、本発明の実施形態による量子誤り訂正方法においては、
(図4(c)の過程に相当する)第3の操作は、頂点に隣接する複数の冷却用量子ビットの間の相互作用の時間発展を模擬する操作(図3(d)の操作U)と、複数の冷却用量子ビットのエネルギー散逸の時間発展を模擬する操作(図3(d)の操作D)と、第2Zエラー用量子ビットのエネルギー散逸の時間発展を模擬する操作(図3(d)の操作D)と、を含み、
第7の操作は、第3の操作に含まれる各操作に類似した、面心に隣接する複数の冷却用量子ビットの間の相互作用の時間発展を模擬する操作と、複数の冷却用量子ビットのエネルギー散逸の時間発展を模擬する操作と、第2Xエラー用量子ビットのエネルギー散逸の時間発展を模擬する操作と、を含んでよい。
In the quantum error correction method according to the embodiment of the present invention,
The third operation (corresponding to the process of FIG. 4C) is an operation that simulates the temporal development of the interaction between a plurality of cooling qubits adjacent to the apex (operation U in FIG. 3D). And an operation for simulating the time evolution of energy dissipation of the plurality of cooling qubits (operation D in FIG. 3D) and an operation for simulating the time evolution of energy dissipation of the second Z error qubit (FIG. 3 ( d) operation D),
The seventh operation is similar to each operation included in the third operation, and is an operation that simulates the time evolution of the interaction between a plurality of cooling qubits adjacent to the face center, and a plurality of cooling qubits. The operation of simulating the time evolution of the energy dissipation of the second X error and the operation of simulating the time evolution of the energy dissipation of the second X error qubit may be included.

5.物理的実装(量子誤り訂正装置を備えた量子情報格納装置の構成)
最後に、本発明の実施形態による量子誤り訂正方法(非観測型量子誤り訂正)を行うことができる量子情報格納装置(量子情報ストレージ)の構成について説明する。先の説明では、古典系303と量子系301の2層構成を用いて、各層の役割を明確に切り分け、さらに、1個の量子情報保持体が1個の量子ビットを構成するモデルを用いることにより、説明を行った。そのため、先の説明では、6種類の量子情報保持体(粒子(301A〜C、303A〜C))を用いている。しかしながら、量子情報格納装置は、物理的には正方格子上に配置された3種類の量子情報保持体(粒子)の一層構造により実現することができる。この場合、各量子情報保持体には、それぞれ複数(2つ)の量子ビットを備える粒子(原子)が用いられる。
5. Physical implementation (configuration of quantum information storage device with quantum error correction device)
Finally, the configuration of a quantum information storage device (quantum information storage) capable of performing a quantum error correction method (non-observation type quantum error correction) according to an embodiment of the present invention will be described. In the above explanation, the role of each layer is clearly separated using the two-layer configuration of the classical system 303 and the quantum system 301, and furthermore, a model in which one quantum information holding body constitutes one qubit is used. It explained by. Therefore, in the above description, six types of quantum information carriers (particles (301A to C, 303A to C)) are used. However, the quantum information storage device can be physically realized by a single layer structure of three kinds of quantum information holding bodies (particles) arranged on a square lattice. In this case, particles (atoms) each having a plurality (two) of qubits are used for each quantum information holding body.

なお、本明細書において用語「量子情報保持体」とは、1つまたは2つ以上の量子ビットを備え、各量子ビットに量子状態を保持することができるものを総称する語である。例えば、量子情報保持体には、電子が含まれる。このとき量子情報保持体としての電子は、例えば、量子ビットとしての内部自由度(スピン)を備える。また例えば、量子情報保持体には、原子が含まれる。このとき量子情報保持体としての原子は、例えば、第1の量子ビットとしての第1の内部自由度(核スピン)と、第2の量子ビットとしての第2の内部自由度(電子スピン)を備える。つまり、原子は、2つの内部自由度を2種類の量子ビットとして利用することができる量子情報保持体である。この場合、量子情報保持体としての(例えば、原子のような)粒子では、その振動状態、回転状態、軌道状態も、それぞれ、量子ビットとして用いることができる。さらには、不対電子を持ちながら比較的安定している分子やナノ粒子といった物質も量子情報保持体の一例である。   In the present specification, the term “quantum information holding body” is a term that collectively includes one or two or more qubits that can hold a quantum state in each qubit. For example, the quantum information holder includes electrons. At this time, the electron as the quantum information holding body has, for example, an internal degree of freedom (spin) as a quantum bit. Further, for example, the quantum information holding body includes atoms. At this time, the atom as the quantum information holding body has, for example, a first internal degree of freedom (nuclear spin) as the first qubit and a second internal degree of freedom (electron spin) as the second qubit. Prepare. That is, an atom is a quantum information holding body that can use two internal degrees of freedom as two types of qubits. In this case, in a particle (such as an atom) as a quantum information holding body, its vibrational state, rotational state, and orbital state can also be used as qubits. Furthermore, a substance such as a molecule or a nanoparticle that is relatively stable while having an unpaired electron is an example of a quantum information carrier.

また、1つまたは2つ以上の量子ビットを備える、超伝導回路を用いた量子ビットは、量子情報保持体として用いることができる。また、量子ドット型量子ビットもまた、量子情報保持体として用いることができる。すなわち、超伝導量子ビットや量子ドット型量子ビットといった人工原子は、量子情報保持体の一例である。   In addition, a qubit using a superconducting circuit including one or more qubits can be used as a quantum information holding body. A quantum dot qubit can also be used as a quantum information holding body. That is, artificial atoms such as superconducting qubits and quantum dot qubits are examples of quantum information carriers.

加えて、巨視的スケールを有する物体(例えば、巨視的スケールで構成されたカンチレバー装置)の振動状態も、量子化されることにより量子ビットとなり得る。したがって、そのような巨視的スケールを有する物体もまた、量子情報保持体の一例である。その他、例えば、キャビティー中にあって物質と強結合している光子は、物質の状態に付随した量子状態を有する。したがって、そのような光子もまた、量子ビットとして用いることができる。したがって、光子もまた、量子情報保持体の一例である。   In addition, the vibration state of an object having a macroscopic scale (for example, a cantilever device configured with a macroscopic scale) can also become a qubit by being quantized. Therefore, an object having such a macroscopic scale is also an example of a quantum information holder. In addition, for example, a photon in a cavity and strongly bonded to a substance has a quantum state associated with the state of the substance. Thus, such photons can also be used as qubits. Therefore, a photon is also an example of a quantum information holder.

図6(b)は、一層構造による量子情報格納装置(量子情報ストレージ)601の構成を示す模式図である。図6(a)に比較のために、先の説明で用いた二層構造の量子情報格納装置を示す。   FIG. 6B is a schematic diagram showing a configuration of a quantum information storage device (quantum information storage) 601 having a single layer structure. For comparison, FIG. 6A shows the quantum information storage device having the two-layer structure used in the above description.

図6(b)に示される量子情報格納装置601は、例えば、電子スピンと核スピンといった2種類の量子ビットを内包する原子のような3種類の粒子601A、601B、601C(量子情報保持体)で構成される。以下では各粒子の2つの内部自由度による2つの量子ビットを、核スピンと電子スピンと呼ぶことにするが、量子ビットは原子のほかの内部自由度を用いて実現されてもよいし、超電導量子ビットや半導体量子ビットといった人工原子でこれを模倣してもよい。   The quantum information storage device 601 shown in FIG. 6B includes, for example, three types of particles 601A, 601B, and 601C (quantum information holders) such as atoms containing two types of qubits such as electron spin and nuclear spin. Consists of. In the following, two qubits with two internal degrees of freedom of each particle are called nuclear spin and electron spin, but qubits may be realized using other internal degrees of freedom of atoms, This may be mimicked by artificial atoms such as qubits and semiconductor qubits.

電子スピン601AE、601BE、601CEは、それぞれの粒子601A、601B、601Cにおいて異なるエネルギーを持つ。それぞれの電子スピン601AE、601BE、601CEは、冷却スピン(例えば、601AE)、Zエラー用シンドローム補助スピン(例えば、601BE)、Xエラー用シンドローム補助スピン(例えば、601CE)として働く。   The electron spins 601AE, 601BE, and 601CE have different energies in the respective particles 601A, 601B, and 601C. The respective electron spins 601AE, 601BE, and 601CE serve as a cooling spin (for example, 601AE), a syndrome auxiliary spin for Z error (for example, 601BE), and a syndrome auxiliary spin for X error (for example, 601CE).

冷却スピン601AEに付随する核スピン601ANは、データ量子ビットとして働き、Zエラー用シンドローム補助スピン601BEに付随する核スピン601BNは、Zエラー用シンドロームスピンとして働き、Xエラー用シンドローム補助スピン601CEに付随する核スピン601CNは、Xエラー用シンドロームスピンとして働く。   The nuclear spin 601AN associated with the cooling spin 601AE functions as a data qubit, and the nuclear spin 601BN associated with the Z error syndrome auxiliary spin 601BE functions as a Z error syndrome spin and is associated with the X error syndrome auxiliary spin 601CE. The nuclear spin 601CN works as a syndrome spin for X error.

核スピン601AN、601BN、601CNは、3種類の粒子601A、601B、601Cにおいてすべて同じ種類のエネルギーをもつスピンでもよい。   The nuclear spins 601AN, 601BN, and 601CN may be spins having the same type of energy in the three types of particles 601A, 601B, and 601C.

隣り合う電子スピン間、また、同一粒子内の電子スピン−核スピン間は相互作用があり、核スピン間や同一粒子内でない電子スピン−核スピン間には相互作用がなくてよい。   There is an interaction between adjacent electron spins and between electron spins and nuclear spins in the same particle, and there may be no interaction between nuclear spins and between electron spins and nuclear spins not in the same particle.

ここで、隣り合う電子スピン間、また、同一粒子内の電子スピン−核スピン間の相互作用のオン/オフは、外部からの作用によりオン状態にスイッチできるものでよい。あるいは、それらの相互作用は、常時働くものであってもよい。その場合、外部からの作用により選択的にオフ状態(デカップリング)にスイッチできればよい。   Here, the on / off of the interaction between adjacent electron spins and between the electron spin and the nuclear spin in the same particle may be switched to the on state by an external action. Alternatively, these interactions may work constantly. In that case, it is only necessary to selectively switch to an off state (decoupling) by an external action.

このような量子情報格納装置601において上述の料理誤り訂正方法を用いる場合、以下のように、ステップ(i)、ステップ(ii)、および、ステップ(viii)を変更(SWAP操作を追加)すればよい。   When the above-described cooking error correction method is used in such a quantum information storage device 601, if steps (i), (ii), and (viii) are changed (a SWAP operation is added) as follows, Good.

先ず、ステップ(i)については、Zエラー用シンドローム補助スピン601BEを|0>に初期化し、その後で、Zエラー用シンドロームスピン601BNとZエラー用シンドローム補助スピン601BEをSWAPする。Xエラー用シンドローム補助スピン601CEとXエラー用シンドロームスピン601CNとについても同様である。   First, in step (i), the Z error syndrome auxiliary spin 601BE is initialized to | 0>, and then the Z error syndrome spin 601BN and the Z error syndrome auxiliary spin 601BE are SWAPed. The same applies to the X error syndrome auxiliary spin 601CE and the X error syndrome spin 601CN.

ステップ(ii)については、先ずデータ量子ビット601ANを冷却スピン601AEへSWAPする。そして、冷却スピン601AEとZエラー用シンドローム補助スピン601BEとの間で、冷却スピン601AEを制御ビットとしZエラー用シンドローム補助スピン601BEを標的ビットとしてCNOTゲートを施す。その後、Zエラー用シンドローム補助スピン601BEを、Zエラー用シンドロームスピン601BNへSWAPする。   For step (ii), the data qubit 601AN is first SWAPed to the cooling spin 601AE. Then, a CNOT gate is applied between the cooling spin 601AE and the Z error syndrome auxiliary spin 601BE using the cooling spin 601AE as a control bit and the Z error syndrome auxiliary spin 601BE as a target bit. Thereafter, the Z error syndrome auxiliary spin 601BE is SWAPed to the Z error syndrome spin 601BN.

ステップ(viii)については、先ずデータ量子ビット601ANを冷却スピン601AEへSWAPする。そして、Xエラー用シンドローム補助スピン601CEと冷却スピン601AEとの間で、Xエラー用シンドローム補助スピン601CEを制御ビットとし冷却スピン601AEを標的ビットとして上述のHCNOTゲートを施す。その後、Xエラー用シンドローム補助スピン601CEを、Xエラー用シンドロームスピン601CNへSWAPする。   For step (viii), the data qubit 601AN is first SWAPed to the cooling spin 601AE. Then, the above-described HCNOT gate is applied between the X error syndrome auxiliary spin 601CE and the cooling spin 601AE with the X error syndrome auxiliary spin 601CE as the control bit and the cooling spin 601AE as the target bit. Thereafter, the syndrome auxiliary spin 601CE for X error is SWAPed to the syndrome spin 601CN for X error.

また、核スピンに対する1量子ビットゲート操作については、付随する電子スピンとの相互作用を利用する。そうすることで、核スピンへの電磁波照射をせずに、電子スピンへの電磁波照射のみで核スピンの1量子ビットゲート操作をリモートコントロールできる。   In addition, the 1-qubit gate operation for the nuclear spin uses the accompanying interaction with the electron spin. By doing so, it is possible to remotely control the one-qubit gate operation of the nuclear spin by only irradiating the electron spin with the electromagnetic wave without irradiating the nuclear spin with the electromagnetic wave.

したがって、量子誤り訂正装置は、本発明の実施形態による量子誤り訂正方法が定めるゲート操作手順に従って3種類の周波数を持った電磁波を選択的に量子情報格納装置601全体に対し包括的に照射することができる装置により実現される。   Therefore, the quantum error correction apparatus selectively irradiates the whole quantum information storage apparatus 601 with an electromagnetic wave having three kinds of frequencies in accordance with the gate operation procedure defined by the quantum error correction method according to the embodiment of the present invention. It is realized by a device capable of

言い換えれば、本発明の実施形態による量子誤り訂正方法では、
格子構造の各辺上に配された複数のデータ量子ビットおよび複数の冷却用量子ビットは、各辺上に配された複数の第1の量子情報保持体(第1の粒子601A)の2種類の内部自由度(核スピン601ANおよび電子スピン601AE)でよく、
格子構造の各頂点に配された複数の第1Zエラー用量子ビットおよび複数の第2Zエラー用量子ビットは、各頂点に配された複数の第2の量子情報保持体(第2の粒子601B)の2種類の内部自由度(核スピン601BNおよび電子スピン601BE)でよく、
前記格子構造の各面心に配された複数の第1Xエラー用量子ビットおよび複数の第2Xエラー用量子ビットは、各面心に配された複数の第3の量子情報保持体(第3の粒子601C)の2種類の内部自由度(核スピン601CNおよび電子スピン601CE)でよい。
In other words, in the quantum error correction method according to the embodiment of the present invention,
The plurality of data qubits and the plurality of cooling qubits arranged on each side of the lattice structure are two types of a plurality of first quantum information holding bodies (first particles 601A) arranged on each side. Internal degrees of freedom (nuclear spin 601AN and electron spin 601AE),
The plurality of first Z error qubits and the plurality of second Z error qubits arranged at each vertex of the lattice structure are a plurality of second quantum information holding bodies (second particles 601B) arranged at each vertex. 2 types of internal degrees of freedom (nuclear spin 601BN and electron spin 601BE)
The plurality of first X error qubits and the plurality of second X error qubits arranged on each face center of the lattice structure include a plurality of third quantum information holding bodies (third Two kinds of internal degrees of freedom (nuclear spin 601CN and electron spin 601CE) of the particle 601C) may be used.

図7は、上述のように本発明の実施形態による量子誤り訂正方法が定めるゲート操作手順に従って3種類の周波数を持った電磁波を選択的に量子情報格納装置601全体に対し包括的に照射することができる量子誤り訂正装置703を備えた量子情報格納装置701のブロック図である。   FIG. 7 shows that the entire quantum information storage device 601 is comprehensively irradiated with electromagnetic waves having three kinds of frequencies according to the gate operation procedure defined by the quantum error correction method according to the embodiment of the present invention as described above. It is a block diagram of the quantum information storage apparatus 701 provided with the quantum error correction apparatus 703 which can do.

本発明の実施形態による量子誤り訂正装置を備えた量子情報格納装置701は、量子情報ストレージとして、上述した一層構造の量子情報格納器705を備える。そして、量子誤り訂正装置703は、周波数f=f1を有する電磁波EMW1を量子情報格納器601に包括的に照射することにより第1の粒子601A(第1の量子情報保持体)、第2の粒子601B(第2の量子情報保持体)、および、第3の粒子(第3の量子情報保持体)のうちで複数の第1の粒子601Aのみに対し包括的な操作を施すことができる第1操作器711と、周波数f=f2を有する電磁波EMW2を量子情報格納器601に包括的に照射することにより第1の粒子601A、第2の粒子601B、および、第3の粒子のうちで複数の第2の粒子601Bのみに対し包括的な操作を施すことができる第2操作器712と、周波数f=f3を有する電磁波EMW3を量子情報格納器601に包括的に照射することにより第1の粒子601A、第2の粒子601B、および、第3の粒子のうちで複数の第3の粒子601Cのみに対し包括的な操作を施すことができる第3操作器713と、第1操作器711、第2操作器712、第3操作器713それぞれの電磁波照射のオン/オフを、本発明の実施形態による量子誤り訂正方法に基づいて(該方法が定めるゲート操作手順に従って)制御するコントローラ(操作器制御部)715と、を備える。電磁波EMW1の周波数f1は、例えば、第1の粒子601A(第1の量子情報保持体)の電子スピン601AEへ照射することにより、隣接する第1の粒子601Aの電子スピン601AE間の結合(カップリング)の程度(結合の強度)を変化させることができる周波数である。電磁波EMW2の周波数f2は、例えば、第2の粒子601B(第2の量子情報保持体)の電子スピン601BEへ照射することにより、隣接する第2の粒子601Bの電子スピン601BE間の結合(カップリング)の程度(結合の強度)を変化させることができる周波数である。電磁波EMW3の周波数f3は、例えば、第3の粒子601C(第3の量子情報保持体)の電子スピン601CEへ照射することにより、隣接する第3の粒子601Cの電子スピン601CE間の結合(カップリング)の程度(結合の強度)を変化させることができる周波数である。ここでのコントローラ715は、古典情報処理で用いられるプロセッサ(マイクロコントローラ、中央処理装置(CPU)等)でよい。本発明の実施形態による量子誤り訂正方法が定めるゲート操作手順は、コントローラ715が備える記憶装置(メモリ)に記憶される。なお、記憶装置は、コントローラ715の外部にあってもよい。   A quantum information storage device 701 including a quantum error correction device according to an embodiment of the present invention includes the above-described single-layer quantum information storage 705 as a quantum information storage. Then, the quantum error correction device 703 irradiates the quantum information storage 601 comprehensively with the electromagnetic wave EMW1 having the frequency f = f1 to thereby form the first particle 601A (first quantum information holding body) and the second particle. 601B (second quantum information holding body) and first that can perform a comprehensive operation only on the plurality of first particles 601A among the third particles (third quantum information holding body). A plurality of the first particles 601A, the second particles 601B, and the third particles by comprehensively irradiating the quantum information storage 601 with the operation device 711 and the electromagnetic wave EMW2 having the frequency f = f2. By comprehensively irradiating the quantum information storage 601 with the second operator 712 capable of performing a comprehensive operation only on the second particle 601B and the electromagnetic wave EMW3 having the frequency f = f3. A third operator 713 that can perform a comprehensive operation only on the plurality of third particles 601C among the particles 601A, the second particles 601B, and the third particles, and a first operator 711 Controller for controlling on / off of electromagnetic wave irradiation of each of the second operation unit 712 and the third operation unit 713 based on the quantum error correction method according to the embodiment of the present invention (in accordance with the gate operation procedure defined by the method) Instrument control unit) 715. The frequency f1 of the electromagnetic wave EMW1 is, for example, applied to the coupling (coupling) between the electron spins 601AE of the adjacent first particles 601A by irradiating the electron spins 601AE of the first particles 601A (first quantum information holding body). ) (Frequency of coupling). For example, the frequency f2 of the electromagnetic wave EMW2 is applied to the coupling (coupling) between the electron spins 601BE of the adjacent second particles 601B by irradiating the electron spins 601BE of the second particles 601B (second quantum information holding body). ) (Frequency of coupling). For example, the frequency f3 of the electromagnetic wave EMW3 is applied to the coupling (coupling) between the electron spins 601CE of the adjacent third particles 601C by irradiating the electron spins 601CE of the third particles 601C (third quantum information holding body). ) (Frequency of coupling). The controller 715 here may be a processor (microcontroller, central processing unit (CPU), etc.) used in classical information processing. The gate operation procedure determined by the quantum error correction method according to the embodiment of the present invention is stored in a storage device (memory) included in the controller 715. Note that the storage device may be outside the controller 715.

最後に、量子情報格納器(量子情報ストレージ)601を実現する電子スピンと核スピンの物理系について説明する。   Finally, a physical system of electron spin and nuclear spin that realizes the quantum information storage (quantum information storage) 601 will be described.

シリコン(Si)単結晶中の核スピンの緩和時間Tは、30秒以上あることが実験で確かめられている。ここでは、ひとまず核スピンのTが10秒以下であると仮定する。すると、2量子ビットゲートを実現するための結合は1MHz以上の強度が求められる。 Relaxation time T 2 of the nuclear spins of silicon (Si) single crystal is that more than 30 seconds has been confirmed by experiment. Here, it is assumed that the nuclear spin T 2 is 10 seconds or less. Then, the coupling | bonding for implement | achieving 2 quantum bit gates is calculated | required the intensity | strength of 1 MHz or more.

電子スピンへの電磁波照射により実現可能なラビ(Rabi)周波数は、1GHzぐらいであるから、これにより結合を自由にデカップリングできるようにすることを考えると、電子スピン間の結合強度は、100MHz以下であることが好ましい。例えば、局在した電子スピン間の距離が1nmのときに、両者間に約44MHzの双極子相互作用が働き、この強さは、電子スピン間の距離に逆比例する。これらより、電子スピン間に望まれる距離を見積もることができる。   Since the Rabi frequency that can be realized by irradiating the electron spin with electromagnetic waves is about 1 GHz, the coupling strength between the electron spins is less than 100 MHz considering that the coupling can be freely decoupled. It is preferable that For example, when the distance between localized electron spins is 1 nm, a dipole interaction of about 44 MHz works between the two, and the strength is inversely proportional to the distance between electron spins. From these, the desired distance between electron spins can be estimated.

なお、上の説明では、第1操作器711、第2操作器712、および、第3操作器713はそれぞれ、適切に選択された周波数の電磁波を量子情報格納器601に照射することにより、複数の第1の粒子601Aのみ、複数の第2の粒子601Bのみ、または、複数の第3の粒子601Cのみに対し包括的な操作を施すことができるとした。しかしながら、本発明の実施形態において、操作を施すための手法は、電磁波の照射に限定されるものではない。例えば、量子情報保持体を取り囲む場の状態を変化させたり、量子情報保持体の電気的環境(例えば、印加されるバイアス電圧)を変化させたりすることで、複数の量子情報保持体に対して包括的な操作を施すことができる。   In the above description, each of the first operating unit 711, the second operating unit 712, and the third operating unit 713 irradiates the quantum information storage unit 601 with an electromagnetic wave having an appropriately selected frequency, thereby A comprehensive operation can be performed on only the first particles 601A, only the plurality of second particles 601B, or only the plurality of third particles 601C. However, in the embodiment of the present invention, the method for performing the operation is not limited to the irradiation of electromagnetic waves. For example, by changing the state of the field surrounding the quantum information holding body, or changing the electrical environment of the quantum information holding body (for example, applied bias voltage), a plurality of quantum information holding bodies Comprehensive operations can be performed.

また、これまでは2次元正方格子を形成する系での実装を説明してきた。しかしながら、データ量子ビット(A’)が辺上にあり、Zエラーシンドロームスピン(B’)が頂点にあり、Xエラーシンドロームスピン(C’)が面心にありさえすれば、2次元三角格子や2次元蜂の巣格子といったさまざまな格子形状でもさらには3次元立方格子形状でも、表面符号の実装が可能である。例えば、一辺が3nmの蜂の巣格子の辺上(A’)、頂点(B’)、面心(C’)に3種類の電子スピンを配置することができるなら、A’−B’間、および、A’−C’間の双極子相互作用はそれぞれ、13MHz、および、2.5MHzになり、これらの格子形状を有する量子情報格納器(量子情報ストレージ)も、好適である。   So far, implementation in a system that forms a two-dimensional square lattice has been described. However, as long as the data qubit (A ′) is on the side, the Z error syndrome spin (B ′) is at the apex, and the X error syndrome spin (C ′) is at the center, The surface code can be implemented in various lattice shapes such as a two-dimensional honeycomb lattice and even in a three-dimensional cubic lattice shape. For example, if three types of electron spins can be arranged on the side (A ′), vertex (B ′), and face center (C ′) of a honeycomb lattice having a side of 3 nm, between A ′ and B ′, and , A′-C ′ have a dipole interaction of 13 MHz and 2.5 MHz, respectively, and a quantum information storage (quantum information storage) having these lattice shapes is also preferable.

例えば、フリーラジカル分子の中には、トリチルラジカルや窒素内包フラーレン、リチウム(Li)フタロシアニンといった、電子スピンのデコヒーレンス時間が非常に長いものがある。これらを本発明の実施形態にかかる量子情報格納器705の量子ビットに用いることができる。その場合、分子中の原子を同位体制御することにより適切な核スピン量子ビットを付随させる。そして、これらの分子を修飾して、2次元高分子化、もしくは2次元超分子化することで電子スピンを格子状に並べることができる。図8はそのようにしてなされた量子情報格納器用分子801の一例の設計図を示す図である。トリチルラジカル803(第1の量子情報保持体)と窒素内包フラーレン805の誘導体(第2の量子情報保持体)による超分子構造が骨格となり、その隙間にまた別の分子(ここではリチウム(Li)フタロシアニン807(第3の量子情報保持体))が捕獲されている。つまり、本例では、量子情報格納器705の2次元格子構造は、トリチルラジカル803および窒素内包フラーレン805の誘導体を含んで構成される超分子構造により形成される。そして、その2次元格子構造の面心位置にリチウムフタロシアニン807が配されて、量子情報格納器705が構成される。したがって、この場合、第1の粒子601Aは、窒素であり、第2の粒子601Bは、ラジカル状態の炭素であり、第3の粒子601Cは、リチウムである。このような構造では、格子一辺の長さが約3nmとなり、上記条件にあてはまり、本発明の実施形態による量子誤り訂正方法(非観測型量子誤り訂正(MFQEC))を正しく動作させることができる。   For example, some free radical molecules have a very long electron spin decoherence time, such as trityl radical, nitrogen-encapsulated fullerene, and lithium (Li) phthalocyanine. These can be used for the quantum bits of the quantum information storage 705 according to the embodiment of the present invention. In that case, an appropriate nuclear spin qubit is attached by isotopically controlling atoms in the molecule. Then, by modifying these molecules to form a two-dimensional polymer or a two-dimensional supramolecule, electron spins can be arranged in a lattice shape. FIG. 8 is a diagram showing a design diagram of an example of the molecule 801 for quantum information storage made in this way. The supramolecular structure of the trityl radical 803 (first quantum information carrier) and the nitrogen-encapsulated fullerene 805 derivative (second quantum information carrier) serves as a skeleton, and another molecule (here, lithium (Li)) is formed in the gap. Phthalocyanine 807 (third quantum information carrier) is captured. That is, in this example, the two-dimensional lattice structure of the quantum information storage 705 is formed by a supramolecular structure including a trityl radical 803 and a nitrogen-containing fullerene 805 derivative. Then, the lithium phthalocyanine 807 is arranged at the face center position of the two-dimensional lattice structure, and the quantum information storage 705 is configured. Therefore, in this case, the first particle 601A is nitrogen, the second particle 601B is carbon in a radical state, and the third particle 601C is lithium. In such a structure, the length of one side of the lattice is about 3 nm, and the above condition is satisfied, and the quantum error correction method (non-observation type quantum error correction (MFQEC)) according to the embodiment of the present invention can be operated correctly.

なお、量子情報格納器705は、図8の例に限定されない。第1の量子情報保持体、第2の量子情報保持体、および、第3の量子情報保持体は、それぞれ、不対電子を有しかつ比較的安定した分子、あるいは、不対電子を含んだナノ粒子であればよい。言い換えれば、第1〜3の量子情報保持体は、それぞれ、常磁性電子を有する分子もしくはナノ粒子であればよい。ナノ粒子には、例えば、ダイヤモンドやシリコンカーバイドが含まれる。   Note that the quantum information storage 705 is not limited to the example of FIG. Each of the first quantum information holder, the second quantum information holder, and the third quantum information holder includes an unpaired electron and a relatively stable molecule, or an unpaired electron. Any nanoparticle may be used. In other words, the first to third quantum information holders may be molecules or nanoparticles each having a paramagnetic electron. Nanoparticles include, for example, diamond and silicon carbide.

この場合、量子情報格納器705の格子構造は、第1の量子情報保持体、第2の量子情報保持体、および、第3の量子情報保持体の少なくともいずれか1つを含んで形成される超分子構造または高分子構造により形成されればよい。   In this case, the lattice structure of the quantum information storage 705 is formed to include at least one of the first quantum information holding body, the second quantum information holding body, and the third quantum information holding body. It may be formed by a supramolecular structure or a polymer structure.

信頼性の高い大規模量子情報ストレージ実現のカギは、包括制御による非観測型量子誤り訂正のアーキテクチャと拡張性の非常に高い物理系での実装である。この点で、本発明の実施形態による量子誤り訂正方法、および、それを用いた量子情報格納装置は、極めて有利である。   The key to the realization of highly reliable large-scale quantum information storage is the architecture of unobserved quantum error correction by comprehensive control and the implementation in a highly scalable physical system. In this respect, the quantum error correction method according to the embodiment of the present invention and the quantum information storage device using the same are extremely advantageous.

101:フィードバック操作
102a:補助ビットの冷却による初期化
102b:補助ビットのユニタリー操作
103:古典情報処理
104:補助ビット系のユニタリー操作
105:冷却プロセス
201:表面符号
202:量子ビット
205:Zエラー
207:チェーンCの端∂Cの頂点のスタビライザー演算子
301:量子系
303:古典系
301A:量子系第1粒子(データ量子ビット)
301B:量子系第2粒子(Zエラー用シンドロームスピン)
301C:量子系第3粒子(Xエラー用シンドロームスピン)
303A:古典系第1粒子(冷却スピン)
303B:古典系第2粒子(Zエラー用シンドロームスピンの補助スピン)
303C:古典系第3粒子(Xエラー用シンドロームスピンの補助スピン)
601:量子情報格納装置(量子情報ストレージ)
601A:第1粒子
601AE:第1電子スピン(冷却スピン)
601AN:第1核スピン(データ量子ビット)
601B:第2粒子
601BE:第2電子スピン(Zエラー用シンドローム補助スピン)
601BN:第2核スピン(Zエラー用シンドロームスピン)
601C:第3粒子
601CE:第3電子スピン(Xエラー用シンドローム補助スピン)
601CN:第3核スピン(Xエラー用シンドロームスピン)
701:量子誤り訂正装置を備えた量子情報格納装置
703:量子誤り訂正装置
705:量子情報格納器
711:第1操作器
712:第2操作器
713:第3操作器
715:コントローラ(操作器制御部)
801:量子情報格納器用分子
803:トリチルラジカル
805:窒素内包フラーレン
807:リチウム(Li)フタロシアニン
101: feedback operation 102a: initialization by cooling auxiliary bit 102b: auxiliary bit unitary operation 103: classical information processing 104: auxiliary bit system unitary operation 105: cooling process 201: surface code 202: quantum bit 205: Z error 207 : Stabilizer operator 301 at the top of terminal C of chain C: Quantum system 303: Classical system 301A: First quantum system particle (data qubit)
301B: Second quantum particle (syndrome spin for Z error)
301C: quantum system third particle (syndrome spin for X error)
303A: Classical first particle (cooling spin)
303B: Classical second particle (auxiliary spin of syndrome spin for Z error)
303C: Classical third particle (auxiliary spin of syndrome spin for X error)
601: Quantum information storage device (quantum information storage)
601A: first particle 601AE: first electron spin (cooling spin)
601AN: First nuclear spin (data qubit)
601B: second particle 601BE: second electron spin (Z-error syndrome auxiliary spin)
601BN: Second nuclear spin (Z-error syndrome spin)
601C: third particle 601CE: third electron spin (syndrome auxiliary spin for X error)
601CN: Third nuclear spin (Syndrome spin for X error)
701: Quantum information storage device 703 provided with a quantum error correction device 703: Quantum error correction device 705: Quantum information storage device 711: First operation device 712: Second operation device 713: Third operation device 715: Controller (operation device control) Part)
801: molecule for quantum information storage 803: trityl radical 805: nitrogen-containing fullerene 807: lithium (Li) phthalocyanine

Claims (7)

複数の量子ビットが格子構造を成して配列される量子情報格納器において、前記格子構造の各辺上に配された複数のデータ量子ビットに格納された量子情報によって構成される表面符号の誤りを訂正する量子誤り訂正装置における量子誤り訂正方法であって、
前記量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第1の操作を行うことにより、前記格子構造の各頂点に配された複数の第1Zエラー用量子ビットに前記表面符号のZエラーシンドロームに対応した量子状態を準備するZエラー抽出ステップと、
前記量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第2の操作を行うことにより、前記Zエラー抽出ステップによって準備された前記複数の第1Zエラー用量子ビットの量子状態を、前記複数の第1Zエラー用量子ビットそれぞれに近接して配された複数の第2Zエラー用量子ビットにコピーするZエラーコピーステップと、
前記量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第3の操作を行うことにより、前記Zエラーコピーステップによって準備された前記第2Zエラー用量子ビットの量子状態を用いて、前記Zエラーシンドロームに依存したハミルトニアンの下で前記複数の第2Zエラー用量子ビットおよび前記複数のデータ量子ビットに近接して配された複数の冷却用量子ビットを冷却する第1冷却ステップと、
前記量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第4の操作を行うことにより、前記Zエラー冷却ステップによって準備された前記複数の冷却用量子ビットそれぞれの量子状態を、前記複数のデータ量子ビットにフィードバックするZエラー訂正ステップと、
前記量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第5の操作を行うことにより、前記格子構造の各面心に配された複数の第1Xエラー用量子ビットに前記表面符号のXエラーシンドロームに対応した量子状態を準備するXエラー抽出ステップと、
前記量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第6の操作を行うことにより、前記Xエラー抽出ステップによって準備された前記複数の第1Xエラー用量子ビットの量子状態を、前記複数の第1Xエラー用量子ビットそれぞれに近接して配された複数の第2Xエラー用量子ビットにコピーするXエラーコピーステップと、
前記量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第7の操作を行うことにより、前記Xエラーコピーステップによって準備された前記第2Xエラー用量子ビットの量子状態を用いて、前記Xエラーシンドロームに依存したハミルトニアンの下で前記複数の第2Xエラー用量子ビットおよび前記複数の冷却用量子ビットを冷却する第2冷却ステップと、
前記量子情報格納器に対し包括的に並進対称的かつ局所的な第8の操作を行うことにより、前記Xエラー冷却ステップによって準備された前記複数の冷却用量子ビットそれぞれの量子状態を、前記複数のデータ量子ビットにフィードバックするXエラー訂正ステップと、を有する量子誤り訂正方法。
In a quantum information storage in which a plurality of qubits are arranged in a lattice structure, an error in the surface code composed of quantum information stored in a plurality of data qubits arranged on each side of the lattice structure A quantum error correction method in a quantum error correction apparatus for correcting
By performing a first translationally symmetric and local first operation on the quantum information storage, a plurality of first Z error qubits arranged at the respective vertices of the lattice structure are converted into Z of the surface code. A Z error extraction step of preparing a quantum state corresponding to the error syndrome;
By performing a second translationally symmetric and local second operation on the quantum information store, the quantum states of the plurality of first Z error qubits prepared by the Z error extraction step are obtained. A Z error copy step of copying to a plurality of second Z error qubits arranged close to each of the plurality of first Z error qubits;
By performing a third translationally symmetric and local third operation on the quantum information store, using the quantum state of the second Z error qubit prepared by the Z error copy step, A first cooling step of cooling a plurality of cooling qubits arranged in proximity to the plurality of second Z error qubits and the plurality of data qubits under a Hamiltonian dependent on Z error syndrome;
The plurality of cooling qubits prepared by the Z error cooling step are subjected to a comprehensive translational symmetric and local fourth operation with respect to the quantum information storage. Z error correction step for feeding back to the data qubits of
By performing a comprehensive translational symmetric and local fifth operation on the quantum information storage, a plurality of first X error qubits arranged at the center of each lattice structure are assigned to the surface code. An X error extraction step of preparing a quantum state corresponding to the X error syndrome;
By performing a comprehensive translational symmetric and local sixth operation on the quantum information storage, the quantum states of the plurality of first X error qubits prepared by the X error extraction step are obtained as described above. An X error copy step of copying to a plurality of second X error qubits arranged close to each of the plurality of first X error qubits;
By performing a comprehensive translational symmetric and local seventh operation on the quantum information store, using the quantum state of the second X error qubit prepared by the X error copy step, A second cooling step of cooling the plurality of second X error qubits and the plurality of cooling qubits under a Hamiltonian dependent on X error syndrome;
By performing a comprehensive translationally symmetric and local eighth operation on the quantum information store, the quantum states of each of the plurality of cooling qubits prepared by the X error cooling step are obtained. And an X error correction step of feeding back to the data qubits.
前記第3の操作は、前記頂点に隣接する前記複数の冷却用量子ビットの間の相互作用の時間発展を模擬する操作と、前記複数の冷却用量子ビットのエネルギー散逸の時間発展を模擬する操作と、前記第2Zエラー用量子ビットのエネルギー散逸の時間発展を模擬する操作と、を含み、
前記第7の操作は、前記面心に隣接する前記複数の冷却用量子ビットの間の相互作用の時間発展を模擬する操作と、前記複数の冷却用量子ビットのエネルギー散逸の時間発展を模擬する操作と、前記第2Xエラー用量子ビットのエネルギー散逸の時間発展を模擬する操作と、を含む、ことを特徴とする請求項1に記載の量子誤り訂正方法。
The third operation includes an operation for simulating time evolution of interaction between the plurality of cooling qubits adjacent to the apex, and an operation for simulating time evolution of energy dissipation of the plurality of cooling qubits. And an operation for simulating the time evolution of energy dissipation of the second Z error qubit,
The seventh operation simulates time evolution of interaction between the plurality of cooling qubits adjacent to the face center and time evolution of energy dissipation of the plurality of cooling qubits. The quantum error correction method according to claim 1, comprising: an operation; and an operation for simulating the time evolution of energy dissipation of the second X error qubit.
前記格子構造の各辺上に配された前記複数のデータ量子ビットおよび前記複数の冷却用量子ビットは、前記各辺上に配された複数の第1の量子情報保持体の2種類の内部自由度であり、
前記格子構造の各頂点に配された前記複数の第1Zエラー用量子ビットおよび前記複数の第2Zエラー用量子ビットは、前記各頂点に配された複数の第2の量子情報保持体の2種類の内部自由度であり、
前記格子構造の各面心に配された前記複数の第1Xエラー用量子ビットおよび前記複数の第2Xエラー用量子ビットは、前記各面心に配された複数の第3の量子情報保持体の2種類の内部自由度である、ことを特徴とする請求項1に記載の量子誤り訂正方法。
The plurality of data qubits and the plurality of cooling qubits arranged on each side of the lattice structure are two kinds of internal free of the plurality of first quantum information holding bodies arranged on each side. Degree,
The plurality of first Z error qubits and the plurality of second Z error qubits arranged at each vertex of the lattice structure are two types of a plurality of second quantum information holding bodies arranged at the vertices. Internal degrees of freedom,
The plurality of first X error qubits and the plurality of second X error qubits arranged on each face center of the lattice structure are formed by a plurality of third quantum information holding bodies arranged on the face centers. The quantum error correction method according to claim 1, wherein there are two types of internal degrees of freedom.
量子情報格納器の複数のデータ量子ビットに格納された量子情報によって構成される表面符号の誤りを請求項3に記載の量子誤り訂正方法に従って訂正する量子誤り訂正装置であって、
前記複数の第1の量子情報保持体、前記複数の第2の量子情報保持体、および、前記複数の第3の量子情報保持体のうち、前記複数の第1の量子情報保持体のみに対し包括的な操作を施すことができる第1の操作器と、
前記複数の第1の量子情報保持体、前記複数の第2の量子情報保持体、および、前記複数の第3の量子情報保持体のうち、前記複数の第2の量子情報保持体のみに対し包括的な操作を施すことができる第2の操作器と、
前記複数の第1の量子情報保持体、前記複数の第2の量子情報保持体、および、前記複数の第3の量子情報保持体のうち、前記複数の第3の量子情報保持体のみに対し包括的な操作を施すことができる第3の操作器と、
前記第1の操作器、前記第2の操作器、および、前記第3の操作器を前記請求項3に記載の量子誤り訂正方法に従って制御する操作器制御部と、を有する量子誤り訂正装置。
A quantum error correction apparatus for correcting an error of a surface code constituted by quantum information stored in a plurality of data qubits of a quantum information storage according to the quantum error correction method according to claim 3,
Of the plurality of first quantum information holding bodies, the plurality of second quantum information holding bodies, and the plurality of third quantum information holding bodies, only the plurality of first quantum information holding bodies A first controller capable of performing comprehensive operations;
Of the plurality of first quantum information holding bodies, the plurality of second quantum information holding bodies, and the plurality of third quantum information holding bodies, only the plurality of second quantum information holding bodies A second controller capable of performing comprehensive operations;
Of the plurality of first quantum information holding bodies, the plurality of second quantum information holding bodies, and the plurality of third quantum information holding bodies, only the plurality of third quantum information holding bodies A third controller capable of performing comprehensive operations;
A quantum error correction apparatus comprising: an operator controller that controls the first operator, the second operator, and the third operator according to the quantum error correction method according to claim 3.
前記第1の量子情報保持体、前記2種類の内部自由度として核スピンおよび電子スピンを有し、
前記第1の操作器は、前記操作において、前記量子情報格納器に対して第1周波数の電磁波を照射し、隣接する前記第1の量子情報保持体の電子スピン間の結合の強度を変化させ、
前記第2の操作器は、前記操作において、前記量子情報格納器に対して第2周波数の電磁波を照射し、隣接する前記第2の量子情報保持体の電子スピン間の結合の強度を変化させ、
前記第3の操作器は、前記操作において、前記量子情報格納器に対して第3周波数の電磁波を照射し、隣接する前記第3の量子情報保持体の電子スピン間の結合の強度を変化させる、請求項4に記載の量子誤り訂正装置。
The first quantum information carrier, the two kinds of internal degrees of freedom having a nuclear spin and an electron spin;
In the operation, the first operation unit irradiates the quantum information storage unit with an electromagnetic wave having a first frequency, and changes the strength of coupling between electron spins of the adjacent first quantum information holding bodies. ,
In the operation, the second operation unit irradiates the quantum information storage unit with an electromagnetic wave having a second frequency, and changes the strength of the coupling between the electron spins of the adjacent second quantum information holding bodies. ,
In the operation, the third operation unit irradiates the quantum information storage unit with an electromagnetic wave having a third frequency to change the strength of the coupling between the electron spins of the adjacent third quantum information holding bodies. The quantum error correction apparatus according to claim 4.
請求項4に記載の量子誤り訂正装置と、
前記格子構造の前記各辺上に配された複数の前記第1の量子情報保持体、前記格子構造の前記各頂点に配された複数の前記第2の量子情報保持体、および、前記格子構造の前記各面心に配された複数の前記第3の量子情報保持体、を備えた前記量子情報格納器と、
を有する量子情報格納装置。
A quantum error correction device according to claim 4,
A plurality of first quantum information holders disposed on each side of the lattice structure; a plurality of second quantum information holders disposed at the vertices of the lattice structure; and the lattice structure A plurality of the third quantum information holding bodies arranged on each of the face centers of the quantum information storage,
A quantum information storage device.
前記量子情報格納器の前記格子構造は、前記第1の量子情報保持体、前記第2の量子情報保持体、および、前記第3の量子情報保持体の少なくともいずれか1つを含んで形成される超分子構造または高分子構造により形成され、
前記第1の量子情報保持体、前記第2の量子情報保持体、および、前記第3の量子情報保持体は、それぞれ、不対電子を有する分子または不対電子を有するナノ粒子である、請求項6に記載の量子情報格納装置。
The lattice structure of the quantum information storage is formed including at least one of the first quantum information holding body, the second quantum information holding body, and the third quantum information holding body. Formed by a supramolecular structure or a polymer structure,
The first quantum information holding body, the second quantum information holding body, and the third quantum information holding body are each a molecule having an unpaired electron or a nanoparticle having an unpaired electron. Item 7. The quantum information storage device according to Item 6.
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