Chúng tôi muốn so sánh trạng thái đầu ra với một số trạng thái lý tưởng, vì vậy bình thường, trung thực, được sử dụng vì đây là một cách tốt để nói như thế nào các kết quả đo lường có thể xảy ra ρ so sánh với các kết quả đo lường có thể xảy ra | ψ ⟩ , nơi | ψ ⟩ là trạng thái đầu ra lý tưởng và ρ là đạt được (có khả năng hỗn hợp) nhà nước sau khi một số quá trình tiếng ồn. Như chúng ta đang so sánh các quốc gia, đây là F ( | ψ ⟩ , ρ ) = √F(|ψ⟩,ρ)ρ|ψ⟩|ψ⟩ρ
F(|ψ⟩,ρ)=⟨ψ|ρ|ψ⟩−−−−−−−√.
Mô tả cả các quá trình hiệu chỉnh tiếng ồn và không bị lỗi sử dụng khai thác Kraus, nơi là kênh tiếng ồn với các nhà khai thác Kraus N i và E là kênh sửa lỗi với Kraus khai thác E j , tình trạng sau khi tiếng ồn là ρ ' = N ( | ψ ⟩ ⟨ ψ | ) = ∑ i N i | ψ ⟩ ⟨ ψ | N † i và nhà nước sau khi cả hai tiếng ồn và sửa lỗi là ρ = E ∘NNiEEj
ρ′=N(|ψ⟩⟨ψ|)=∑iNi|ψ⟩⟨ψ|N†i
ρ=E∘N(|ψ⟩⟨ψ|)=∑i,jEjNi|ψ⟩⟨ψ|N†iE†j.
Sự trung thực của điều này được đưa ra bởi
F(|ψ⟩,ρ)=⟨ψ|ρ|ψ⟩−−−−−−−√=∑i,j⟨ψ|EjNi|ψ⟩⟨ψ|N†iE†j|ψ⟩−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√=∑i,j⟨ψ|EjNi|ψ⟩⟨ψ|EjNi|ψ⟩∗−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√=∑i,j|⟨ψ|EjNi|ψ⟩|2−−−−−−−−−−−−−−√.
Để giao thức sửa lỗi được sử dụng, chúng tôi muốn độ trung thực sau khi sửa lỗi lớn hơn độ trung thực sau nhiễu, nhưng trước khi sửa lỗi, do đó trạng thái sửa lỗi ít phân biệt với trạng thái không sửa. Nghĩa là, chúng ta muốn Điều này cho phép √
F(|ψ⟩,ρ)>F(|ψ⟩,ρ′).
Vì độ trung thực là tích cực, điều này có thể được viết lại thành
∑i,j| ⟨Ψ| EjNi| ψ⟩| 2>∑i| ⟨Ψ| Ni| ψ⟩| 2.∑i,j|⟨ψ|EjNi|ψ⟩|2−−−−−−−−−−−−−−√>∑i|⟨ψ|Ni|ψ⟩|2−−−−−−−−−−−−√.
∑i,j|⟨ψ|EjNi|ψ⟩|2>∑i|⟨ψ|Ni|ψ⟩|2.
Tách thành phần thể sửa chữa được, N c , mà E ∘ N c ( | ψ ⟩ ⟨ ψ | ) = | ψ ⟩ ⟨ ψ | và phần không thể sửa chữa được, N n c , mà E ∘ N n c ( | ψ ⟩ ⟨ ψ | ) = σNNcE∘Nc(|ψ⟩⟨ψ|)=|ψ⟩⟨ψ|NncE∘Nnc(|ψ⟩⟨ψ|)=σ . Biểu thị xác suất xảy ra lỗi là Pcvà không thể sửa chữa (nghĩa là có quá nhiều lỗi đã xảy ra để xây dựng lại trạng thái lý tưởng) vì đưa ra ∑ i , j | ⟨ Ψ | E j N i | ψ ⟩ | 2 = P c + P n c ⟨ ψ | σ | ψ ⟩ ≥ P c , nơi bình đẳng sẽ được giả định bằng cách giả sử ⟨ ψ | σ | ψ ⟩ = 0Pnc
∑i,j|⟨ψ|EjNi|ψ⟩|2=Pc+Pnc⟨ψ|σ|ψ⟩≥Pc,
⟨ψ|σ|ψ⟩=0. Đó là một 'hiệu chỉnh' sai sẽ chiếu vào kết quả trực giao với kết quả chính xác.
Đối với qubit, với xác suất lỗi (bằng) trên mỗi qubit là p ( lưu ý : điều này không giống với tham số nhiễu, sẽ phải được sử dụng để tính xác suất xảy ra lỗi), xác suất xảy ra lỗi có thể sửa được (giả sử rằng n qubit đã được sử dụng để mã hóa k qubit, cho phép lỗi trên tối đa t qubit, được xác định bởi ràng buộc Singleton n - k ≥ 4 t ) là P cnpnktn−k≥4t
Pc=∑jt(nj)pj(1−p)n−j=(1−p)n+np(1−p)n−1+12n(n−1)p2(1−p)n−2+O(p3)=1−(nt+1)pt+1+O(pt+2)
Ni=∑jαi,jPjPj χj,k=∑iαi,jα∗i,k. This gives
∑i|⟨ψ|Ni|ψ⟩|2=∑j,kχj,k⟨ψ|Pj|ψ⟩⟨ψ|Pk|ψ⟩≥χ0,,0,
where
χ0,0=(1−p)n is the probability of
no error occurring.
This gives that the error correction has been successfully in mitigating (at least some of) the noise when
1−(nt+1)pt+1⪆(1−p)n.
While this is only valid for
ρ≪1 and as a weaker bound has been used, potentially giving inaccurate results of when the error correction has been successful, this displays that error correction is good for small error probabilities as
p grows faster than
pt+1 when
p is small.
However, as p gets slightly larger, pt+1 grows faster than p and, depending on prefactors, which depends on the size of the code and number of qubits to correct, will cause the error correction to incorrectly 'correct' the errors that have occurred and it starts failing as an error correction code. In the case of n=5, giving t=1, this happens at p≈0.29, although this is very much just an estimate.
Edit from comments:
As Pc+Pnc=1, this gives
∑i,j|⟨ψ|EjNi|ψ⟩|2=⟨ψ|σ|ψ⟩+Pc(1−⟨ψ|σ|ψ⟩).
Plugging this in as above further gives
1−(1−⟨ψ|σ|ψ⟩)(nt+1)pt+1⪆(1−p)n,
which is the same behaviour as before, only with a different constant.
This also shows that, although error correction can increase the fidelity, it can't increase the fidelity to 1, especially as there will be errors (e.g. gate errors from not being able to perfectly implement any gate in reality) arising from implementing the error correction. As any reasonably deep circuit requires, by definition, a reasonable number of gates, the fidelity after each gate is going to be less than the fidelity of the previous gate (on average) and the error correction protocol is going to be less effective. There will then be a cut-off number of gates at which point the error correction protocol will decrease the fidelity and the errors will continually compound.
This shows, to a rough approximation, that error correction, or merely reducing the error rates, is not enough for fault tolerant computation, unless errors are extremely low, depending on the circuit depth.