Temel Kuantum Fiziği ve Kuantum Teknolojilerine Giriş · 8. Ünite: Kuantum Donanımı ve Hata Düzeltme

Kuantum Hata Düzeltme

Önceki konuda hata düzeltmesiz bir makinenin ancak birkaç yüz iki kubit kapılık devreleri güvenilir biçimde çalıştırabildiğini gördük; Shor algoritması gibi hesaplar ise milyarlarca kapı ister. Kuantum hata düzeltme bu açığı kapatır: bilgiyi birçok fiziksel kubite dağıtarak, hataları bilgiyi okumadan tespit edip düzeltir. Bu konuda klasik tekrar kodundan başlayıp kuantum mekaniğinin koyduğu üç engeli (kopyalanamazlık, ölçümün çökertmesi, sürekli hatalar) ve bunların nasıl aşıldığını göreceksin. Sonunda üç kubitlik bit ve faz çevirme kodlarında sendrom tablosunu kurabilecek, $p_L = 3p^2 - 2p^3$ ifadesini türetebilecek, Shor kodunun neden her tek kubit hatasını düzelttiğini açıklayabilecek ve eşik teoremine dayanarak yüzey kodunun kaç fiziksel kubitle bir mantıksal kubit ürettiğini hesaplayabileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Klasik Tekrar Kodu ve Çoğunluk Oylaması

  2. Kuantumda Üç Engel

  3. Üç Kubitlik Bit Çevirme Kodu ve Sendrom Ölçümü

  4. Hataların Ayrıklaştırılması ve Shor 9 Kubit Kodu

  5. Stabilizatör Fikri ve Yüzey Kodu

  6. Eşik Teoremi: Fiziksel ve Mantıksal Kubit

  7. Çözümlü Örnekler

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Tekrar kodu
Bir biti (ya da taban durumunu) üç kez tekrarlayıp çoğunluk oylamasıyla çözen kod; bağımsız çevrilmelerde mantıksal hata p_L = 3p² − 2p³ olur ve p < ½ için yararlıdır.
Mantıksal kubit
Birçok fiziksel kubitin dolanık durumuna kodlanmış, hatası kod boyutuyla azaltılabilen kubit; algoritmalar mantıksal kubitler üzerinde tanımlanır.
Sendrom
Stabilizatör (parite) ölçümlerinin sonuç listesi; hatanın türünü ve yerini söyler ama kodlanmış α, β genliklerini açığa çıkarmaz.
Yardımcı kubit (ancilla)
Sendrom ölçümünde veri kubitlerinin paritesini CNOT'larla kendine aktaran ve ölçülen ek kubit; böylece veri kubitleri doğrudan ölçülmez.
Hataların ayrıklaştırılması
Keyfi bir hatanın I, X, Y, Z birleşimi olarak yazılıp sendrom ölçümüyle tek bir Pauli hatasına izdüşürülmesi; sürekli hataları düzeltilebilir kılar.
Shor kodu
Faz çevirme kodunun her kubitini bit çevirme koduyla kodlayan [[9,1,3]] kodu; herhangi bir tek kubit hatasını düzelten ilk kuantum kodu.
Stabilizatör
Kod uzayındaki her durumu +1 özdeğerle bırakan, birbiriyle sıra değiştiren Pauli çarpımı; hatayla ters sıra değiştiren stabilizatörün ölçümü −1 verir.
Kod mesafesi
Sendrom üretmeden mantıksal bir işlem oluşturan en küçük hata ağırlığı d; kod ⌊(d−1)/2⌋ keyfi hatayı düzeltir.
Yüzey kodu
Düzlemsel örgüde dört kubitlik X ve Z plaket stabilizatörleriyle tanımlanan, yalnızca en yakın komşu etkileşim isteyen, eşiği yaklaşık %1 olan kod; mesafe d için 2d² − 1 fiziksel kubit kullanır.
Eşik teoremi
Fiziksel hata oranı eşiğin altındaysa hataya dayanıklı hata düzeltmeyle keyfi uzunlukta hesabın polilogaritmik ek kaynakla keyfi küçük hatayla yapılabileceğini söyleyen teorem.

Örnek soru

Üç kubitlik bit çevirme kodu, $\lvert\psi\rangle = \alpha\lvert 0\rangle + \beta\lvert 1\rangle$ ile iki $\lvert 0\rangle$ yardımcı kubite, ilk kubit kontrol olmak üzere iki CNOT uygulayarak kodlama yapar. Kodlanan durum hangisidir?

  1. $\alpha\lvert 000\rangle + \beta\lvert 111\rangle$
  2. $(\alpha\lvert 0\rangle + \beta\lvert 1\rangle)^{\otimes 3}$
  3. $\alpha\lvert 000\rangle + \beta\lvert 100\rangle$
  4. $\alpha^3\lvert 000\rangle + \beta^3\lvert 111\rangle$
  5. $\tfrac{1}{\sqrt2}(\lvert 000\rangle + \lvert 111\rangle)$

Doğru cevap: A

Çözüm

1. Doğrusallık: $\lvert 0\rangle\lvert 00\rangle \to \lvert 000\rangle$ ve $\lvert 1\rangle\lvert 00\rangle \to \lvert 111\rangle$ (CNOT'lar hedefleri çevirir).
2. Süperpozisyon olduğu gibi taşınır: $\alpha\lvert 000\rangle + \beta\lvert 111\rangle$.
3. Bu dolanık bir durumdur ve bilinmeyen durumun kopyası değildir; kopyalanamazlık ihlal edilmez.
$(\alpha\lvert 0\rangle + \beta\lvert 1\rangle)^{\otimes 3}$ üç kopya olurdu ve $\alpha^2\beta$ gibi doğrusal olmayan terimler içerirdi; hiçbir birim dönüşüm bunu her $\lvert\psi\rangle$ için üretemez.

Temel Kuantum Fiziği ve Kuantum Teknolojilerine Giriş: tüm konular