論文の概要: Constant Overhead Entanglement Distillation via Scrambling
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.09483v1
- Date: Thu, 13 Feb 2025 16:46:15 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-02-14 13:47:56.872187
- Title: Constant Overhead Entanglement Distillation via Scrambling
- Title（参考訳）: スクランブルによる一定オーバーヘッドエンタングルメント蒸留
- Authors: Andi Gu, Lorenzo Leone, Kenneth Goodenough, Sumeet Khatri,
- Abstract要約: 高忠実な量子絡み合いは、セキュアな通信や分散量子コンピューティングといった重要な量子ネットワーク機能を実現する。
量子スクランブル(quantum scrambling) - カオス力学下での量子情報の拡散。
このプロトコルは、ノイズの多い量子ゲートでも有効であり、短期的なデバイスに適していることを示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.6249768559720122
- License:
- Abstract: High-fidelity quantum entanglement enables key quantum networking capabilities such as secure communication and distributed quantum computing, but distributing entangled states through optical fibers is limited by noise and loss. Entanglement distillation protocols address this problem by extracting high-fidelity Bell pairs from multiple noisy ones. The primary objective is minimizing the resource overhead: the number of noisy input pairs needed to distill each high-fidelity output pair. While protocols achieving optimal overhead are known in theory, they often require complex decoding operations that make practical implementation challenging. We circumvent this challenge by introducing protocols that use quantum scrambling - the spreading of quantum information under chaotic dynamics - through random Clifford operations. Based on this scrambling mechanism, we design a distillation protocol that maintains asymptotically constant overhead, independent of the desired output error rate $\bar{\varepsilon}$, and can be implemented with shallow quantum circuits of depth $O(\operatorname{poly} \log \log \bar{\varepsilon}^{-1})$ and memory $O(\operatorname{poly} \log \bar{\varepsilon}^{-1})$. We show this protocol remains effective even with noisy quantum gates, making it suitable for near-term devices. Furthermore, by incorporating partial error correction, our protocol achieves state-of-the-art performance: starting with pairs of 10% initial infidelity, we require only 7 noisy inputs per output pair to distill a single Bell pair with infidelity $\bar{\varepsilon}=10^{-12}$, substantially outperforming existing schemes. Finally, we demonstrate the utility of our protocols through applications to quantum repeater networks.
- Abstract（参考訳）: 高忠実度量子絡み合わせは、セキュアな通信や分散量子コンピューティングなどの重要な量子ネットワーク機能を実現するが、光ファイバによる絡み合った状態の分散はノイズと損失によって制限される。
エンタングルメント蒸留プロトコルは、複数の雑音のベル対から高忠実度ベル対を抽出することでこの問題に対処する。
主な目的は資源のオーバーヘッドを最小限に抑えることであり、それぞれの高忠実度出力ペアを蒸留するのに必要なノイズの多い入力ペアの数である。
最適なオーバヘッドを実現するプロトコルは理論上は知られているが、実際的な実装を困難にする複雑な復号処理を必要とすることが多い。
我々は、ランダムなクリフォード演算を通じて量子スクランブル(カオス力学の下で量子情報の拡散)を使用するプロトコルを導入することで、この問題を回避する。
このスクランブル機構に基づいて、所望の出力誤差率$\bar{\varepsilon}$とは独立に漸近的に一定のオーバーヘッドを維持する蒸留プロトコルを設計し、深さ$O(\operatorname{poly} \log \log \bar{\varepsilon}^{-1})$とメモリ$O(\operatorname{poly} \log \bar{\varepsilon}^{-1})$の浅い量子回路で実装することができる。
このプロトコルは、ノイズの多い量子ゲートでも有効であり、短期的なデバイスに適していることを示す。
さらに, 部分誤差補正を組み込むことで, 従来のスキームよりもはるかに優れた1つのベル対を蒸留するためには, 出力ペアあたりのノイズの多い入力を7つしか必要としない。
最後に、量子リピータネットワークへの応用を通して、プロトコルの有用性を実証する。
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