形式陈述
取 。给定15份相互独立、与处理设备无先验相关的资源
假设Clifford门、稳定子态制备、Pauli测量与经典控制理想。十五到一蒸馏用这些操作和15次资源注入公理库魔术态注入与门传态Magic-state injection · Gate teleportation把一份T魔术态转化为数据上的T门,逐分支计算测量与S前馈,说明相位错误如何传递,并以迹距离界控制完整注入通道的资源误差。,在接受时输出一份同型资源 。[1, §VI]
令 ,其接受概率与接受条件下的错误概率为
在 时,。这不是对任意15份边际错误率为 的相关资源的保证,也不是把所有有噪Clifford操作免费理想化后的硬件阈值。
下面用一份明确CSS码公理库CSS 量子码CSS code · Calderbank–Shor–Steane code从正交的二元X/Z校验矩阵构造CSS码,证明维数与逻辑距离公式,并对七qubit码逐项核算秩、逻辑算子与单错综合。构造、线性综合和奇偶计数推导这两式,区分“接受多少”和“接受后多干净”。
直觉
蒸馏不试图从一份未知资源中直接检查“它是不是正确魔术态”。它让15份资源分别作用于一个编码块,再检查它们留下的错误综合。
一两个独立相位错误总会被发现并丢弃;最小能漏过检查的逻辑错误需要三份资源一起出错。因此接受样本中的错误从一阶降到三阶。付出的代价是消耗15份输入,并且部分批次完全没有输出。
例子与边界
指定十五qubit码,避免把T门当作免费操作
用所有非零 标记15个物理位置,令 的列就是这些 。记 ,,其中 是全1向量。
维数4,每个非零码字重量8;因为一个非零线性函数在16个四位输入上恰有8次取1,而删掉的零输入本来取0。,所以 维数5。
取 的4条基向量作 检查,取 的10条基向量作 检查。由于 ,两类正交,编码 个逻辑qubit。可选逻辑基为
前者基向量重量为0或8,后者为15或7。因此 在前者上相位为1,在后者上相位统一为 ,实现逻辑 。
先用Clifford电路准备稳定子态 ,再用15份资源分别注入15个物理 。这里并没有直接调用免费的非Clifford门。完美输入时得到逻辑 ;最后解码并施 ,才得到所需的 。[2, §13.5.1]
接受与逻辑错误的二元判据
每份坏资源在注入后留下对应位置的 ,所以令 表示独立错误位。测量4条 检查,恰在
时接受。所有 检查与这些错误对易,而且理想横向 保持码空间,因此无需再假设一个未说明的 综合筛选。
接受后, 是稳定子当且仅当 。由于 比 多一条全1方向,
故接受后的逻辑 错误恰对应奇重量 。Clifford解码与最后的 不改变这项错误分类。
为什么首项是35p立方
无零列且列互异,重量1、2错误都不可能满足 。重量3模式则在三列 满足 时接受。
任选两个不同非零列 ,第三列唯一为 ,且非零、与前两者不同。每个无序三元组被有序对数了6次,因此三错逻辑模式数为
例如列标号 的三处相位错误综合为零,重量为奇数,正是一个漏检逻辑 。小 时,这35种模式贡献 ;其他奇重量接受模式为更高阶,接受率又趋于1,故条件误差首项为 。
推论与应用
精确接受率怎样求
将比特 编码为符号 ,使用二元 Walsh 字符公理库Fourier–Walsh 展开与影响度Fourier-Walsh expansion · Boolean Fourier analysis在均匀布尔立方体上用字符正交基展开函数,把方差和坐标影响写成 Fourier 系数的平方和。的正交恒等式
相位错误位按独立性公理库独立性Statistical independence从概率表理解独立性,区分两两、相互和条件独立,并用可计算反例澄清零协方差与条件均值的限度。使乘积期望分解,单个伯努利错误满足 。 给1,其余15个 对应重量8的向量 ,各给 ,于是得到式 (1)。
要区分接受中的奇偶,再计算
因为把 与全1向量相加后,重量由0、8变为15、7。左侧等于“偶重量接受概率减奇重量接受概率”。与式 (1) 联立,奇重量接受概率为
再除以 ,按条件概率公理库条件概率Conditional probability在已知正概率事件发生后,把交集概率重新规范到该事件内部。定义即得式 (2)。省略这次除法,会把未归一化错误质量误报为输出错误率。
数值、消耗和不能跨越的条件
当 时,
若不同批次独立重复,每得到一个接受输出,平均消耗 份输入,而不是恰好15份。对 ,输出约0.13715,仍稍有改进;对 ,输出约0.16749,反而更差。此协议的非平凡不动点约为0.141,三阶渐近式不能拿到任意大 上使用。[1, eqs.35–38]
相关噪声可以彻底改变结论。取 :以概率 从上述35个三错模式中均匀选一个,以剩余概率不出错。每个位置在35个模式中出现7次,所以每份资源的边际错误概率仍为
但这些批次全部综合为零,接受率为1,输出逻辑错误概率却是 ,没有三次方抑制。独立输入条件因此是实质假设,不是可省略的技术修饰。
每批处理固定15个qubit和固定数量检查,理想电路规模为常数;多层蒸馏则要递归统计接受率、输入工厂和存储成本。若要维持下一层的独立输入假设,应使用独立资源批次,并单独控制跨批次噪声。
蒸馏只使用稳定子操作处理资源,与稳定子电路可模拟性公理库Gottesman–Knill 定理与稳定子模拟Gottesman–Knill theorem · Stabilizer tableau simulation用带相位的稳定子tableau逐门模拟Clifford电路,展开随机与确定Pauli测量更新,并明确存储、消元和采样的资源界。相容;额外计算资源依旧来自非稳定子输入。物理Clifford门若也有残余逻辑错误,最终输出还会有相应噪声底,不能无限套用仅含资源相位错误的式 (2)。
参考资料