KR101768595B1 - Fault-tolerant conversion apparatus and method between stabilizer codes - Google Patents

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KR101768595B1
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손일권
황용수
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Abstract

The present invention relates to conversion device and method using a fault-tolerant scheme between quantum error correcting codes. More specifically, the conversion device and method using a fault-tolerant scheme between quantum error correcting codes can convert quantum error correcting codes used as a conversion target to reference type codes, compare the quantum error correcting codes with the converted reference type codes to select gates needed for a conversion operation, and appropriately arrange the corresponding gates to control the influences of the quantum noises suitably through a conversion process. According to the present invention, the conversion device includes: a standard type converter which converts initial quantum error correcting codes and target quantum error correcting codes from general type codes to standard type codes; a reference type converter converting the initial quantum error correcting codes and target quantum error correcting codes converted to the standard type codes from standard type codes to reference type codes; a quantum operator selector which compares the initial quantum error correcting codes and target quantum error correcting codes converted to the reference type codes to select quantum operators; a quantum circuit designer which arranges the selected quantum operators to design a quantum circuit; and a quantum transducer which applies the designed quantum circuit to the initial quantum error correcting codes to calculate the target quantum error correcting codes.

Description

양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 장치 및 방법{Fault-tolerant conversion apparatus and method between stabilizer codes}[0001] The present invention relates to a fault-tolerant conversion apparatus and method between stabilizer codes,

본 발명은 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 변환의 대상이 되는 양자 오류 정정 부호들을 기준형으로 변환한 뒤 서로를 비교하여 변환에 필요한 게이트를 선택하고, 해당 게이트들을 적절히 배치하여 변환과정이 양자 노이즈로 부터의 영향을 잘 통제할 수 있도록 한 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for mutual conversion of error-correcting codes between quantum error correcting codes. More particularly, the present invention relates to an apparatus and method for mutually converting quantum error correcting codes, And more particularly, to an apparatus and method for mutual conversion between a quantum error correcting code and a defect tolerant method in which the gates are appropriately arranged so that the conversion process can well control the influence of quantum noise.

양자 역학의 여러 기묘한 현상들은 이론적으로 고전 디지털 컴퓨팅과 통신기술보다 현저히 빠른 컴퓨팅과 절대적인 보안성을 갖춘 통신을 가능하게 해준다. The quirky phenomena of quantum mechanics enable theoretically to communicate with significantly faster computing and absolute security than classical digital computing and communication technologies.

하지만, 양자 역학의 원리들을 실제 컴퓨팅과 통신의 구현에 적용하는 것에는 많은 어려움이 존재하며, 양자 노이즈가 대표적인 문제이다.However, there are many difficulties in applying the principles of quantum mechanics to the realization of computing and communication, and quantum noise is a typical problem.

0과 1의 중첩으로 표현되는 양자 정보는 미세한 양자 노이즈에 의해서도 완전히 붕괴되어 버린다. 양자 노이즈 문제를 극복하는 대표적인 기술이 양자 오류 정정 부호 (Quantum error-correcting code)를 이용한 결함 허용적 양자 정보 처리 (Fault-tolerant quantum information processing)이다. The quantum information represented by the superposition of 0 and 1 is completely collapsed by the fine quantum noise. A typical technique to overcome the quantum noise problem is fault-tolerant quantum information processing using a quantum error-correcting code.

양자 정보 처리 전 과정에 걸쳐서 양자 정보는 양자 오류 정정 부호를 이용해서 부호화되어 있어야 하고, 부호화된 양자 정보를 결함 허용적으로 설계된 양자 게이트들을 이용해서 조작하고 주기적으로 양자 오류를 확인하고 수정해야 한다.The quantum information must be encoded using a quantum error correction code throughout the processing of the quantum information, and the encoded quantum information must be manipulated using the quantum gates which are designed to be fault tolerant, and the quantum error should be periodically checked and corrected.

여기에서, 결함 허용적이란 표현은 일부에서 양자 노이즈가 발생하더라도 전체 컴퓨팅 결과에는 영향을 미치지 않도록 한다는 것을 의미한다.Here, the expression " fault tolerant " means that some of the quantization noise will not affect the overall computing result even if it occurs.

양자 컴퓨터를 비롯한 양자 정보 처리 시스템들은 여러 부품들 (components)로 구성이 되어 있다. Quantum information processing systems, including quantum computers, are made up of several components.

각 부품들은 서로 다른 기능을 가지고 있는데, 양자 정보가 어떤 부품에 의해서 처리될 때 만약 양자 정보가 해당 부품의 기능에 부합하는 형태를 가지고 있다면, 정보 처리가 보다 효과적이고 안정적으로 이루어질 것이다. Each component has a different function. When quantum information is processed by a certain component, if the quantum information has a form matching the function of the component, information processing will be more effective and stable.

예를 들면, 메모리에 양자 정보가 저장되거나, 통신 채널을 통해서 양자 정보가 전송될 때, 만약 해당 양자 정보가 압축되어 있다면 보다 많은 정보가 저장되거나 전송될 수 있다. For example, when quantum information is stored in a memory, or when quantum information is transmitted over a communication channel, more information can be stored or transmitted if the quantum information is compressed.

반면 다른 부품에서는 정보의 다른 특성이 요구된다 (요구될 것이다). 따라서 효과적이고 안정적인 양자 정보 처리를 위해서 양자 정보의 형태를 필요에 따라서 변환할 수 있는 기술이 요구된다.On the other hand, other features of the information are required (will be required). Therefore, a technology capable of converting the form of quantum information as needed for effective and stable quantum information processing is required.

양자 정보의 형태는 사용하는 양자 오류 정정 부호의 특성에 의해서 결정된다. 압축률이 높은 양자 부호로 부호화하면 부호화된 양자 정보는 높은 압축률을 가지고 되고, 특정한 타입의 노이즈에 특화된 양자 오류 정정 부호로 부호화하면, 부호화된 양자 정보는 해당 양자 노이즈에 강한 특성을 가지게 된다.The form of quantum information is determined by the characteristics of the quantum error correction code used. When encoded with a quantum code having a high compression ratio, the encoded quantum information has a high compression ratio, and when encoded with a quantum error correcting code specific to a specific type of noise, the encoded quantum information has strong characteristics against the quantum noise.

이와 관련하여 고전 디지털 정보 처리에서는 부호의 변환 기술이 필요 없는데, 부호 A에 의해서 부호화된 정보가 부호 B로 부호화 될 필요가 있을 때는 복호화(decoding) 후 부호 B로 재 부호화 (re-encoding) 하면 되기 때문이다. In this regard, the conventional digital information processing does not require a code conversion technique. When it is necessary to encode information encoded by code A with code B, it is necessary to decode and re-encode it into code B Because.

하지만, 이런 방법은 양자 정보에서는 사용될 수 없다. 왜냐하면 양자 오류 정정 부호로 부호화된 양자 정보가 복호화되는 순간, 해당 양자 정보는 노이즈에 그대로 노출이 되어 미세한 양자 노이즈에 의해서도 완전히 붕괴되어 버리기 때문이다. However, this method can not be used in quantum information. This is because, at the moment when the quantum information encoded with the quantum error correcting code is decoded, the quantum information is directly exposed to the noise and is completely collapsed by the fine quantum noise.

따라서 양자 오류 정정 부호는 양자 정보 처리 전 과정에 걸쳐서 양자 오류 정정 부호에 의해서 부호화되어 있어야 한다. 부호 변환 과정 중에도 양자정보가 양자 오류 정정 부호에 의해서 부호화된 상태를 유지해야 함은 당연하다.Therefore, the quantum error correction code must be coded by the quantum error correction code throughout the processing of quantum information. It is natural that the quantum information should be kept encoded in the quantum error correction code even during the code conversion process.

종래 기술에 따른 양자 오류 정정 부호의 변환 방법은 일련의 양자 게이트 (Clifford gate) 적용 기법과 양자 오류 정정 부호의 구조적 특성 활용 기법으로 나뉜다. A conventional method for converting a quantum error correcting code is divided into a series of quantum gate applying methods and a structural characteristic utilizing technique of a quantum error correcting code.

양자 오류 정정 부호의 구조적 특성을 이용하는 방법은 구조적으로 동일한, 즉 같은 원리로 설계된 두 양자 오류 정정 부호들 사이에 특별한 양자 연산없이 부호 변환을 하는 방법을 말한다. A method of using structural characteristics of a quantum error correction code refers to a method of performing code conversion without special quantum operation between two quantum error correction codes structurally the same, that is, designed with the same principle.

이 방법을 이용할 때는 양자 오류 정정 부호의 논리 큐빗(logical qubit)을 부호변환 과정의 보조 큐빗(ancilla qubit)으로 이용한다.When this method is used, a logical qubit of a quantum error correction code is used as an ancilla qubit of a code conversion process.

이 방법은 보조 큐빗을 만들기 위해서만 양자 게이트가 필요하기 때문에 변환의 복잡도가 상대적으로 낮다. 하지만, 변환의 대상이 되는 부호가 매우 한정적이다. This method requires a quantum gate only to make an auxiliary qubit, so the complexity of the transformation is relatively low. However, the code to be converted is very limited.

반면에 일련의 양자 게이트들을 적용하여 부호를 변환하는 방법은 양자 오류 정정 부호 A로 부호화된 양자 정보에 일련의 양자 게이트들을 인가하면, 해당 양자 정보가 양자 오류 정정 부호 B로 부호화된 형태를 가지게 되는 것을 말한다.즉, 양자 오류 정정 부호 A 로 부호화된 양자 정보에 일련의 양자 게이트들을 인가하여 해당 양자 정보가 양자 오류 정정 부호 B 로 부호화된 형태를 가지도록 하는 방법을 말한다.On the other hand, a method of transforming a code by applying a series of quantum gates is that when a series of quantum gates are applied to the quantum information encoded with the quantum error correction code A, the quantum information is encoded into the quantum error correction code B That is, a method of applying a series of quantum gates to the quantum information encoded with the quantum error correction code A so that the quantum information has a form encoded with the quantum error correction code B. [

이 방법은 변환을 위해서 양자 게이트들이 필요하므로 앞선 방법에 비해서 변환 복잡도가 높지만, 다양한 부호들을 대상으로 변환을 수행할 수 있어서 활용성이 높다.Since this method requires quantum gates for the transformation, the transformation complexity is higher than that of the previous method. However, since the transformation can be performed on various codes, utilization is high.

국내특허공개번호 1020140071063호Korean Patent Publication No. 1020140071063 국내등록특허번호 10-123386호Korean Registered Patent No. 10-123386 국내특허공개번호 10-2015-0097290호Korean Patent Publication No. 10-2015-0097290 국내특허등록번호 10-1517361호Korean Patent Registration No. 10-1517361

[문헌 1] Charles D. Hill, Austin G. Fowler, David S. Wang and Lloyd C L Hollenberg, “Fault-tolerant quantum error correction code conversion”, Quantum Information and Computation, Vol. 13, 5&6, 2013.[1] Charles D. Hill, Austin G. Fowler, David S. Wang and Lloyd C Hollenberg, "Fault-tolerant quantum error correction code conversion", Quantum Information and Computation, Vol. 13, 5 & 6, 2013. [문헌 2] Jonas T. Anderson, Guillaume Duclos-Cianci, and David Poulin, “Fault-tolerant conversion between the Steane and Reed-Muller quantum codes”, Physical Review Letters, 113, 080501, 2014.Jonas T. Anderson, Guillaume Duclos-Cianci, and David Poulin, "Fault-Tolerant Conversion between the Steane and Reed-Muller Quantum Codes", Physical Review Letters, 113, 080501, 2014.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 먼저 변환의 대상이 되는 양자 오류 정정 부호들을 기준형으로 변환한 뒤 서로를 비교하여 변환에 필요한 게이트를 선택하고, 이후 해당 게이트들을 적절히 배치하여 변환과정이 양자 노이즈로부터의 영향을 잘 제어하도록 한 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.In order to solve the above problems, the present invention first converts the quantum error correcting codes to be converted into a reference type, selects a gate necessary for conversion by comparing them, And to provide an apparatus and method for mutual conversion of a quantum error correcting code to a defect tolerant system, in which the influence from quantum noise is well controlled.

본 발명의 일 측면은 초기 양자 오류 정정 부호와 목적 양자 오류 정정 부호를 일반형에서 표준형으로 변환하는 표준형 변환기; 초기 양자 오류 정정 부호와 목적 양자 오류 정정 부호를 표준형에서 기준형으로 변환하는 기준형 변환기; 기준형으로 변환된 초기 양자 오류 정정 부호와 목적 양자 오류 정정 부호를 비교하여 양자 연산자들을 선정하는 양자 연산자 선정기; 선정된 양자 연산자들을 배치하여 양자 회로를 설계하는 양자 회로 설계기; 및 설계된 양자 회로를 초기 양자 오류 정정 부호에 적용하여 목적 양자 오류 정정 부호를 산출하는 양자 변환기를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of converting an initial quantum error correction code and a target quantum error correction code from a standard type to a standard type; A reference type converter for converting an initial quantum error correction code and a target quantum error correction code from a standard type to a reference type; A quantum operator selector for selecting quantum operators by comparing an initial quantum error correction code converted to a reference type with a target quantum error correction code; A quantum circuit designer for designing a quantum circuit by arranging selected quantum operators; And a quantum converter for applying the designed quantum circuit to an initial quantum error correcting code to calculate a target quantum error correcting code.

또한, 본 발명의 일 측면의 상기 기준형 변환기는 표준형으로 변환된 초기 양자 오류 정정 부호와 목적 양자 오류 정정 부호의 r+1 ~ n-k 큐빗에 하다마드(Hadamard) 게이트를 인가하여 표준형들을 기준형으로 변환한다.In addition, the reference converter according to an aspect of the present invention applies a standard Hadamard gate to the r + 1 to nk qubit of the initial quantum error correction code and the target quantum error correction code, Conversion.

또한, 본 발명의 일 측면의 상기 양자 연산자 선정기는 제어된 NOT(Controlled-NOT) 게이트로 양자 연산자들을 구현한다.In addition, the quantum operator selector of one aspect of the present invention implements quantum operators with a controlled NOT (NOT-NOT) gate.

또한, 본 발명의 일 측면의 상기 양자 연산자 선정기는 제어된 Z(Controlled-Z) 게이트로 양자 연산자들을 구현한다.In addition, the quantum operator selector of one aspect of the present invention implements quantum operators with a controlled Z (Controlled-Z) gate.

한편, 본 발명의 다른 측면은 (A) 표준형 변환기가 초기 양자 오류 정정 부호와 목적 양자 오류 정정 부호를 일반형에서 표준형으로 변환하는 단계; (B) 기준형 변환기가 초기 양자 오류 정정 부호와 목적 양자 오류 정정 부호를 표준형에서 기준형으로 변환하는 단계; (C) 양자 연산자 선정기가 기준형으로 변환된 초기 양자 오류 정정 부호와 목적 양자 오류 정정 부호를 비교하여 양자 연산자들을 선정하는 단계; (D) 양자 회로 설계기가 선정된 양자 연산자들을 배치하여 양자 회로를 설계하는 단계; 및 (E) 양자 변환기가 설계된 양자 회로를 초기 양자 오류 정정 부호에 적용하여 목적 양자 오류 정정 부호를 산출하는 단계를 포함한다.(A) converting the initial quantum error correction code and the target quantum error correction code from the standard type to the standard type; (B) transforming an initial quantum error correction code and a target quantum error correction code from a standard type to a reference type by a reference type converter; (C) selecting quantum operators by comparing an initial quantum error correction code that is converted into a reference type by a quantum operator selector and a target quantum error correction code; (D) designing a quantum circuit by arranging quantum operators selected by a quantum circuit designer; And (E) applying a quantum circuit designed with a quantum transducer to an initial quantum error correcting code to calculate a target quantum error correcting code.

또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 (B) 단계의 기준형 변환기가 표준형으로 변환된 초기 양자 오류 정정 부호와 목적 양자 오류 정정 부호의 r+1 ~ n-k 큐빗에 하다마드(Hadamard) 게이트를 인가하여 표준형들을 기준형으로 변환한다.The reference converter of the step (B) of the other aspect of the present invention may be configured to apply a Hadamard gate to the r + 1 to nk qubit of the target quantum error correcting code and the initial quantum error correcting code, Converts standard types to reference types.

또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 (C) 단계의 상기 양자 연산자 선정기는 제어된 NOT(Controlled-NOT) 게이트로 양자 연산자들을 구현한다. The quantum operator selector in step (C) of another aspect of the present invention implements quantum operators with a controlled NOT (NOT-NOT) gate.

또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 (C) 단계의 상기 양자 연산자 선정기는 제어된 Z(Controlled-Z) 게이트로 양자 연산자들을 구현한다.The quantum operator selector in step (C) of another aspect of the present invention implements quantum operators with a controlled Z (Controlled-Z) gate.

또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 (D) 단계의 상기 양자 변환기는 양자 연산자들을 거친 초기 양자 오류 정정 부호에 가우시안 연산자와 하다마드 연산자를 역(inverse)으로 인가하여 목적 양자 오류 정정 부호를 얻는다.In another aspect of the present invention, the quantum transducer in step (D) obtains a target quantum error correction code by applying a Gaussian operator and a Hadamard operator inverse to an initial quantum error correction code through quantum operators.

본 발명에 따르면, 서로 다른 기능을 수행하는 양자 정보 처리 부품들이 처리의 대상이 되는 양자 정보를 먼저 자신의 기능에 부합하는 형태로 변환시킨 후에, 해당 기능을 수행함으로써 해당 양자 정보 처리가 양자 노이즈로 부터 효과적이고 안정적으로 동작할 수 있도록 한다.According to the present invention, the quantum information processing parts performing different functions convert the quantum information to be processed first into a form conforming to the function of the user, and then the corresponding quantum information processing is performed as quantum noise So that it can operate effectively and stably.

또한, 본 발명에 따르면, 양자 오류 정정 부호의 변환과 관련하여 기존의 연구결과 (비특허 문헌 1 과 2) 에 비해서 가지는 장점은 활용성이다. Further, according to the present invention, an advantage that is obtained in comparison with the existing research results (non-patent documents 1 and 2) in connection with the conversion of the quantum error correcting code is applicability.

기존의 연구결과들은 특정한 양자 오류 정정 부호들을 대상으로 고안된 변환방법이지만, 본 발명은 안정화 부호에 속하는 모든 양자 오류 정정 부호들 간에 변환이 가능하다. The existing research results are a conversion method designed for specific quantum error correction codes, but the present invention can convert between all quantum error correction codes belonging to a stabilization code.

이는 IABC형이라 불리는 기준형을 기준으로 필요한 양자 게이트들을 선정하여 이들을 적절히 배치하기 때문에 가능한 것이다.This is possible because the necessary quantum gates are selected based on the reference type called IABC type and they are arranged properly.

도 1은 양자 연산자 적용을 통한 양자 오류 정정 부호 변환 과정을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 방법의 흐름도이다.
도 4의 (a)는 안정화 부호의 일반형(gnormal)을 나타내며, 도4의 (b)는 안정화 부호의 표준형(gstandard)을 나타내며, 도 4의 (c)는 IABC형이라 불리는 기준형(gIABC)을 나타낸다.
도 5의 (a)에서 하다마드 게이트의 심볼과 그 행렬에 대해서 보여주며, 도 4의 (b)에서 제어된 NOT(Controlled-NOT) 게이트를 나타내며, 도 5의 (c)는 제어된 Z(Controlled-Z) 게이트를 보여준다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환의 개념도이다.
FIG. 1 shows a quantum error correction code conversion process by applying a quantum operator.
FIG. 2 is a block diagram of an apparatus for mutual conversion between a quantum error correcting code and a defect tolerant system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of mutual conversion of a fault tolerant scheme between quantum error correction codes according to an embodiment of the present invention.
(B) of Fig. (A) 4 indicates a normal type (g normal) of stabilizing reference numerals, Figure 4 shows a standard type (g standard) of the stabilizing code, (c) of Figure 4 is based on called IABC type type ( g IABC ).
5 (a) shows a symbol of a Hadamard gate and its matrix, and FIG. 5 (c) shows a NOT (Controlled-NOT) gate controlled in FIG. 4 (b) Controlled-Z gate.
FIG. 6 is a conceptual diagram of mutual conversion of a defect tolerance scheme between quantum error correction codes according to an embodiment of the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings.

먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.First, the terminology used in the present application is used only to describe a specific embodiment, and is not intended to limit the present invention, and the singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. Also, in this application, the terms "comprise", "having", and the like are intended to specify that there are stated features, integers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 1은 양자 연산자 적용을 통한 양자 오류 정정 부호 변환 과정을 나타낸다.FIG. 1 shows a quantum error correction code conversion process by applying a quantum operator.

도 1을 참조하면, 양자 연산자 적용을 통한 양자 오류 정정 부호 변환 과정은 양자 오류 정정 부호 A로 부호화된 양자 정보에 일련의 양자 연산자들(C1~Cn)을 인가하여 양자 오류 정정 부호 B로 부호화된 양자 정보를 얻는다.Referring to FIG. 1, a quantum error correcting code conversion process by applying a quantum operator applies a series of quantum operators (C 1 to C n ) to a quantum error correction code A And obtains the encoded quantum information.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 장치의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 방법의 흐름도이다.FIG. 2 is a block diagram of an apparatus for mutual conversion of a fault tolerant scheme between quantum error correcting codes according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a block diagram of a mutual conversion apparatus of a defect tolerant scheme between quantum error correcting codes according to an embodiment of the present invention. Fig.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 장치의 구성은 표준형 변환기(100), 기준형 변환기(200), 양자 연산자 선정기(300), 양자 회로 설계기(400) 및 양자 변환기(500)를 구비하고 있다. Referring to FIG. 2, the configuration of the error-correcting inter-conversion apparatus between quantum error correction codes according to an embodiment of the present invention includes a standard converter 100, a reference converter 200, a quantum operator selector 300, A quantum circuit designing apparatus 400 and a quantum transducer 500 are provided.

일반적으로, 대표적인 양자 오류 정정 부호인 안정화 부호(stabilizer code)는 일반형(normal form)과 표준형(Standard form)이라 불리는 표현방법을 가진다.In general, a stabilizer code, which is a representative quantum error correction code, has a representation method called a normal form and a standard form.

이와 관련하여 도 4에서 (a)는 안정화 부호의 일반형(gnormal)을 나타내며, 도 4에서 (b)는 안정화 부호의 표준형(gstandard)을 나타낸다.In this regard, (a) in FIG. 4 represents the normal type (g normal ) of the stabilization code, and (b) in FIG. 4 represents the standard type (g standard ) of the stabilization code.

상기 안정화 부호의 일반형에서 GX와 GZ은 이진행렬로 다음 수학식 1을 만족해야 한다.In the general form of the stabilization code, G X and G Z must satisfy the following Equation 1 as a binary matrix.

(수학식 1)(1)

Figure 112016087870001-pat00001
Figure 112016087870001-pat00001

여기에서, G는 패리티 검사 행렬(parity check matrix)이며, GX는 패리티 검사 행렬의 X 연산자 부분(X operator part)이며, GZ은 패리티 검사 행렬의 Z 연산자 부분(Z operator part)이고, GX T는 GX의 전치 행렬(Transpose)이며, GZ T는 GZ의 전치 행렬이다.Where G is a parity check matrix, G X is an X operator part of a parity check matrix, G Z is a Z operator part of a parity check matrix, G is a parity check matrix, X T is the transpose of G X , and G Z T is the transpose of G Z.

그리고, 상기 안정화 부호의 표준형에서 I는 행렬의 대각값들이 1인 항등행렬이고, 0은 모든 행렬 요소가 0인 영행렬이다, 나머지 A1,A2,B,C,D,E는 이진행렬이다. 여기에서, A1,A2,B,C,D,E는 임의의 패리티 검사 행렬(parity check matrix)의 첫부분을 항등행렬 I로 정리했을 때 나타나는 해당 위치의 임의의 행렬이다.In the standard form of the stabilization code, I is an identity matrix in which the diagonal values of the matrix are 1, 0 is a zero matrix in which all matrix elements are 0, and the rest A 1 , A 2 , B, C, D, to be. Here, A 1 , A 2 , B, C, D, and E are arbitrary matrices of the corresponding positions appearing when the first part of a parity check matrix is arranged as an identity matrix I.

상기 표준형 변환기(100)는 변환하고자 하는 두 양자 오류 정정 부호 A(다른 명칭으로 초기 양자 오류 정정 부호라고 칭할 수 있다)와 B(목적 양자 오류 정정 부호라고 칭할 수 있다)를 가우시안 소거법(Gaussian Elimination)을 사용하여 안정화 부호(stabilizer code)의 일반형(normal form)을 표준형(standard form)으로 변환한다(S100)(여기에서 이러한 변환과정을 간략하게 표현하기 위해 가우시안 연산자 AS 또는 BS를 일반형에 인가하는 것으로 표현한다).The standard type converter 100 converts the two quantum error correction codes A to be converted (which may be called an initial quantum error correction code with another name) and B (which can be called an object quantization error correction code) into a Gaussian elimination method, To convert the normal form of the stabilizer code into a standard form (S100). (Here, in order to simplify the conversion process, the Gaussian operator A S or B S is applied to the general form .

이와 같이 표준형 변환기(100)에 의한 가우시안 소거법에 의한 부호의 변환은 실제로는 같은 부호를 다르게 표현한 것에 불과하고 아무런 물리적 변화가 발생하지 않는다. In this way, the conversion of the code by the Gaussian elimination method by the standard type converter 100 is merely expressed differently in the same sign, and no physical change occurs.

한편, 본 발명에서는 위의 일반형과 표준형 외에도 IABC형이라 불리는 기준형을 정의하고 사용한다. 이와 관련하여 도 3의 (c)는 IABC형이라 불리는 기준형(gIABC)을 나타낸다.In the present invention, in addition to the above-mentioned general type and standard type, a reference type called IABC type is defined and used. In this regard, FIG. 3 (c) shows a reference type (g IABC ) called IABC type.

상기 기준형 변환기(200)는 표준형으로 변환된 양자 오류 정정 부호 A와 B의 r+1 ~ n-k 큐빗에 하다마드(Hadamard) 게이트를 인가하여 안정화 부호의 표준형들을 IABC형(즉 기준형)으로 변환한다(S110)(여기에서 이러한 변환과정을 간략하게 표현하기 위해 하다마드 연산자 AIABC 또는 BIABC를 표준형에 인가하는 것으로 표현한다). The reference converter 200 converts the standard types of the stabilization codes into the IABC type (i.e., the reference type) by applying a Hadamard gate to the r + 1 to nk qubits of the quantum error correction codes A and B converted to the standard type, (S110) (Here, Hadamard operator A IABC or B IABC is expressed as a standard type in order to simplify the conversion process).

상기 하다마드 게이트는 1 큐빗 양자 게이트로, 이 게이트에 의해서 변환된 부호는 변환 이전의 부호와 동일한 오류 정정 능력을 가지고 있다. The Hadamard gate is a 1-cubic quantum gate, and the code converted by this gate has the same error correction capability as the code before conversion.

도 5의 (a)에서 하다마드 게이트의 심볼과 그 행렬에 대해서 보여준다.FIG. 5 (a) shows the symbols of the Hadamard gate and their matrices.

여기에서, 기준형(IABC형)이 필요한 이유는 두 안정화 부호를 변환하기 위해서 필요한 게이트가 무엇인지 찾을 수 있는 일종의 기준점이 되기 때문이다. Here, the reason why the reference type (IABC type) is required is that it is a kind of reference point for finding the gate necessary for converting the two stabilization codes.

한편, 양자 연산자 선정기(300)는 IABC형으로 변환된 두 안정화 부호들을 서로 비교하여 부호 변환을 위해서 사용한 양자 연산자들(C1~Cn)을 선정한다(S120).Meanwhile, the quantum operator selector 300 compares the two stabilization codes converted into the IABC type to select quantum operators C 1 to C n used for code conversion (S 120).

이러한 양자 연산자들(C1~Cn)은 그 형식이 제어된 NOT(Controlled-NOT) 또는 제어된 Z(Controlled-Z)을 가질 수 있다.These quantum operators C 1 ~C n may have a controlled NOT (Not Controlled) or a controlled Z (Z).

도 5의 (b) 와 (c)에서 제어된 NOT(Controlled-NOT) 게이트와 제어된 Z(Controlled-Z) 게이트를 확인할 수 있다. (NOT-controlled) gate and a controlled Z-controlled gate can be confirmed in FIGS. 5 (b) and 5 (c).

참고로 제어된 NOT(Controlled-NOT) 게이트는 앞서 언급한 하다마드 게이트의 도움을 받아서 제어된 Z(Controlled-Z) 게이트로 대치할 수 있다. For reference, a controlled NOT gate can be replaced with a controlled Z gate with the help of the Hadamard gate mentioned above.

이와 반대로 제어된 Z(Controlled-Z) 게이트는 하다마드 게이트의 도움을 받아서 제어된 NOT(Controlled-Not) 게이트로 대치할 수 있다.In contrast, a controlled Z-controlled gate can be replaced with a controlled NOT-controlled gate with the help of a Hadamard gate.

따라서 양자 연산자 선정기(300)는 제어된 NOT(Controlled-NOT) 게이트로 양자 연산자들을 구현할 수 있다.Therefore, the quantum operator selector 300 can implement quantum operators with a controlled NOT (NOT-NOT) gate.

또는 양자 연산자 선정기(300)는 제어된 Z(Controlled-Z) 게이트로 양자 연산자들을 구현할 수 있다.Or quantum operator selector 300 may implement quantum operators with a controlled Z (Controlled-Z) gate.

앞서서 변환하고자 하는 두 안정화 부호의 IABC형을 비교하여 변환에 필요한 양자 연산자들을 선정하였는데, 선정된 양자 연산자들을 적절하게 배치하는 것이 매우 중요하다. We compared the IABC types of the two stabilization codes to be converted and selected the quantum operators necessary for the transformation. It is very important to arrange the selected quantum operators appropriately.

양자 회로 설계기(400)는 선정된 양자 연산자들을 시행착오(trial and error) 과정을 통해서 배치하여 양자 회로를 설계한다(S130).The quantum circuit designer 400 arranges the selected quantum operators through a trial and error process to design a quantum circuit (S130).

다음으로, 양자 변환기(500)는 위와 같은 일련의 과정을 통해서 만들어진 양자 회로를 안정화 부호 A 에 인가하여 안정화 부호 B를 얻는다.Next, the quantum transducer 500 applies the quantum circuit formed through the above-described series of processes to the stabilization code A to obtain the stabilization code B.

이때, 양자 회로를 안정화 부호 A 에 인가하면 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 안정화 부호 B가 아닌, 안정화 부호 B의 IABC형이 된다. At this time, if the quantum circuit is applied to the stabilization code A, it becomes the IABC type of the stabilization code B instead of the stabilization code B as shown in Fig.

따라서 양자 변환기(500)는 부호변환의 마지막 단계로 안정화 부호 B 의 IABC형을 얻기 위해서 필요한 양자 게이트들을 역 (inverse)으로 인가할 필요가 있다. 이 과정을 통해서 최종적으로 안정화 부호 B로 부호화된 양자 정보를 얻을 수 있게 된다. 여기에서 이러한 변환과정을 간략하게 표현하기 위해 하다마드 연산자 의 역변환은 BIABC -1을 기준형에 인가하는 것으로 표현하고, 가우시안 연산자의 역변환을 BS -1을 표준형에 인가하는 것으로 표현한다.Therefore, the quantum converter 500 needs to inversely apply the quantum gates necessary to obtain the IABC type of the stabilization code B as the last stage of code conversion. Through this process, quantized information finally encoded with the stabilization code B can be obtained. In order to simplify this conversion process, the inverse of the Hadamard operator is expressed by applying B IABC -1 to the reference type, and the inverse transformation of the Gaussian operator is expressed by applying B S -1 to the standard type.

따라서, 안정화 부호 A에서 B로의 변환은 도 6을 참조하면 안정화 부호 A에 가우시간 소거법을 적용하여(가우시안 연산자 AS를 인가하는 것으로 표현됨) 표준형으로 만든 다음에, 하다마드 게이트를 인가하여(하다마드 연산자AIABC를 인가하는 것으로 표현됨) 기준형으로 변환한 다음에, 일련의 양자 연산자들을 인가하면, 해당 양자 연산자에 의해서 또다른 안정화 부호들이 생겨난다(A->A1->A2->…->An-1->B).Therefore, referring to FIG. 6, the stabilization code A to B is converted into a standard type by applying a Gaussian elimination method to the stabilization code A (expressed as applying a Gaussian operator A S ), and then a Hadamard gate is applied the Hadamard converting the operator as represented by a IABC) standard type to be applied if the following, applying a set of both the operator, will arise another stabilizing code by the operator both (A-> a 1 -> a 2 -> ... -> A n-1 -> B).

위와 같은 일련의 과정을 통해서 만들어진 양자 회로를 안정화 부호 A 에 인가하면 결과적으로 생성된 양자 오류 정정 부호B는 엄밀히 말하면 안정화 부호 B가 아닌, 안정화 부호 B의 IABC형(기준형)이 된다. When a quantum circuit formed through the above-described series of processes is applied to the stabilization code A, the resulting quantum error correction code B becomes strictly IABC type (reference type) of the stabilization code B, rather than the stabilization code B.

이에 따라 양자 변환기(500)는 기준형 안정화 부호 B 의 표준형을 얻기 위해 필요한 양자 게이트들을 역 (inverse)으로 인가하여 표준형 안정화 부호 B를 얻는다.The quantum transducer 500 applies the quantum gates required to obtain the standard form of the reference stabilization code B in inverse manner to obtain the standard stabilization code B. [

그리고, 양자 변환기(500)은 표준형 안정화 부호 B에 필요한 양자 게이트를 역으로 인가하여 일반형 안정화 부호 B를 얻는다.Then, the quantum transducer 500 applies the quantum gate required for the standard stabilization code B in reverse to obtain the general stabilization code B.

이 과정을 통해서 최종적으로 안정화 부호 B로 부호화된 양자 정보를 얻을 수 있게 된다.Through this process, quantized information finally encoded with the stabilization code B can be obtained.

이처럼 본 발명에 따른 장치는 서로 다른 기능을 수행하는 양자 정보 처리 부품들이 처리의 대상이 되는 양자 정보를 먼저 자신의 기능에 부합하는 형태로 변환시킨 후에, 해당 기능을 수행함으로써 해당 양자 정보 처리가 양자 노이즈로 부터 효과적이고 안정적으로 동작 할 수 있도록 한다.As described above, in the apparatus according to the present invention, the quantum information processing parts, which perform different functions, first convert the quantum information to be processed into a form conforming to the function of the user, It enables effective and stable operation from noise.

또한, 본 발명에 따르면, 양자 오류 정정 부호의 변환과 관련하여 기존의 연구결과 (비특허 문헌 1 과 2) 에 비해서 가지는 장점은 활용성이다. Further, according to the present invention, an advantage that is obtained in comparison with the existing research results (non-patent documents 1 and 2) in connection with the conversion of the quantum error correcting code is applicability.

기존의 연구결과들은 특정한 양자 오류 정정 부호들을 대상으로 고안된 변환방법이지만, 본 발명은 안정화 부호에 속하는 모든 양자 오류 정정 부호들 간에 변환이 가능하다. The existing research results are a conversion method designed for specific quantum error correction codes, but the present invention can convert between all quantum error correction codes belonging to a stabilization code.

이는 IABC형이라 불리는 기준형을 기준으로 필요한 양자 게이트들을 선정하여 이들을 적절히 배치하기 때문에 가능한 것이다.This is possible because the necessary quantum gates are selected based on the reference type called IABC type and they are arranged properly.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments of the present invention are not intended to limit the scope of the present invention but to limit the scope of the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

100 : 표준형 변환기 200 : 기준형 변환기
300 : 양자 연산자 선정기 400 : 양자 회로 설계기
500 : 양자 변환기
100: Standard type converter 200: Standard type converter
300: Quantum operator selector 400: Quantum circuit designer
500: Quantum transducer

Claims (9)

초기 양자 오류 정정 부호와 목적 양자 오류 정정 부호를 일반형에서 표준형으로 변환하는 표준형 변환기;
초기 양자 오류 정정 부호와 목적 양자 오류 정정 부호를 표준형에서 기준형으로 변환하는 기준형 변환기;
기준형으로 변환된 초기 양자 오류 정정 부호와 목적 양자 오류 정정 부호를 비교하여 양자 연산자들을 선정하는 양자 연산자 선정기;
선정된 양자 연산자들을 배치하여 양자 회로를 설계하는 양자 회로 설계기; 및
설계된 양자 회로를 초기 양자 오류 정정 부호에 적용하여 목적 양자 오류 정정 부호를 산출하는 양자 변환기를 포함하는 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 장치.
A standard converter for converting an initial quantum error correction code and a target quantum error correction code from a standard type to a standard type;
A reference type converter for converting an initial quantum error correction code and a target quantum error correction code from a standard type to a reference type;
A quantum operator selector for selecting quantum operators by comparing an initial quantum error correction code converted to a reference type with a target quantum error correction code;
A quantum circuit designer for designing a quantum circuit by arranging selected quantum operators; And
And a quantum transducer for calculating a target quantum error correcting code by applying the designed quantum circuit to an initial quantum error correcting code.
삭제delete 청구항 1항에 있어서,
상기 양자 연산자 선정기는 제어된 NOT(Controlled-NOT) 게이트로 양자 연산자들을 구현하는 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the quantum operator selector is a quantum error correction code interleaver that implements quantum operators with controlled NOT (Controlled-NOT) gates.
청구항 1항에 있어서,
상기 양자 연산자 선정기는 제어된 Z(Controlled-Z) 게이트로 양자 연산자들을 구현하는 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the quantum operator selector is a quantum error correction code interleaver for implementing quantum operators with controlled Z (Controlled-Z) gates.
(A) 표준형 변환기가 초기 양자 오류 정정 부호와 목적 양자 오류 정정 부호를 일반형에서 표준형으로 변환하는 단계;
(B) 기준형 변환기가 초기 양자 오류 정정 부호와 목적 양자 오류 정정 부호를 표준형에서 기준형으로 변환하는 단계;
(C) 양자 연산자 선정기가 기준형으로 변환된 초기 양자 오류 정정 부호와 목적 양자 오류 정정 부호를 비교하여 양자 연산자들을 선정하는 단계;
(D) 양자 회로 설계기가 선정된 양자 연산자들을 배치하여 양자 회로를 설계하는 단계; 및
(E) 양자 변환기가 설계된 양자 회로를 초기 양자 오류 정정 부호에 적용하여 목적 양자 오류 정정 부호를 산출하는 단계를 포함하는 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 방법.
(A) converting a standard quantum error correction code and a target quantum error correction code from a standard type to a standard type by a standard type converter;
(B) transforming an initial quantum error correction code and a target quantum error correction code from a standard type to a reference type by a reference type converter;
(C) selecting quantum operators by comparing an initial quantum error correction code that is converted into a reference type by a quantum operator selector and a target quantum error correction code;
(D) designing a quantum circuit by arranging quantum operators selected by a quantum circuit designer; And
(E) applying a quantum circuit designed with a quantum converter to an initial quantum error correcting code to calculate a target quantum error correcting code.
삭제delete 청구항 5항에 있어서,
상기 (C) 단계의 상기 양자 연산자 선정기는 제어된 NOT(Controlled-NOT) 게이트로 양자 연산자들을 구현하는 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 방법.
The method of claim 5,
Wherein the quantum operator selector in the step (C) is a quantum operator that implements quantum operators with a controlled NOT gate.
청구항 5항에 있어서,
상기 (C) 단계의 상기 양자 연산자 선정기는 제어된 Z(Controlled-Z) 게이트로 양자 연산자들을 구현하는 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 방법.
The method of claim 5,
Wherein the quantum operator selector of the step (C) is implemented by a controlled Z (Controlled-Z) gate to implement quantum operators.
청구항 5항에 있어서,
상기 (E) 단계의 상기 양자 변환기는 양자 연산자들을 거친 초기 양자 오류 정정 부호에 가우시안 연산자와 하다마드 연산자를 역(inverse)으로 인가하여 목적 양자 오류 정정 부호를 얻는 양자 오류 정정 부호간 결함 허용 방식의 상호 변환 방법.
The method of claim 5,
The quantum transducer of the step (E) includes a quantum error correcting code error correcting code for obtaining a target quantum error correcting code by inversely applying a Gaussian operator and a Hadamard operator to an initial quantum error correcting code through quantum operators Mutual conversion method.
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