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KR20140071063A - Apparatus and method for designing quantum error correction code - Google Patents

Apparatus and method for designing quantum error correction code Download PDF

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KR20140071063A
KR20140071063A KR1020120138981A KR20120138981A KR20140071063A KR 20140071063 A KR20140071063 A KR 20140071063A KR 1020120138981 A KR1020120138981 A KR 1020120138981A KR 20120138981 A KR20120138981 A KR 20120138981A KR 20140071063 A KR20140071063 A KR 20140071063A
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KR
South Korea
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code
quantum
operator
error
state
Prior art date
Application number
KR1020120138981A
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Korean (ko)
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KR101446843B1 (en
Inventor
허준
신정환
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
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Publication date
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    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • GPHYSICS
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    • H03M13/01Coding theory basic assumptions; Coding bounds; Error probability evaluation methods; Channel models; Simulation or testing of codes

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Abstract

Provided are an apparatus and method for designing a quantum error correction code capable of designing a binary error correction code by correcting a binary error analyzed through a quantum error using a CWS code after a base state is formed by applying a gauge qubit to an initial state of the CWS code and a gauge group is formed for the base state including the gauge qubit. Also, provided are the apparatus and method for designing the quantum error correction code, capable of writing a word operator of the CWS performed in a transmission terminal by using the binary error correction code and writing a codeword including the gauge qubit by using the word operator.

Description

양자 오류 정정 부호 설계 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DESIGNING QUANTUM ERROR CORRECTION CODE}[0001] APPARATUS AND METHOD FOR DESIGNING QUANTUM ERROR CORRECTION CODE [0002]

본 발명의 실시예들은 양자 오류 정정 부호를 설계하는 장치 및 방법에 관한 것이다.Embodiments of the present invention are directed to an apparatus and method for designing a quantum error correction code.

오늘날에는 양자 정보를 이용한 양자 보안 통신과 양자 컴퓨터 병렬 처리 기법에 의한 고속의 연산 처리 능력을 지향하는 양자 정보 통신 기술의 발전이 가속화 되고 있다.Nowadays, the development of quantum information communication technology which is aiming at high speed computation processing ability by quantum secure communication using quantum information and quantum computer parallel processing technique is accelerated.

양자 정보를 이용한 양자 시스템의 기본 정보량인 큐비트는 주위의 환경에 민감하여 쉽게 정보의 변형을 일으킬 수 있다. 양자 시스템에서 수행되는 알고리즘은 기본적으로 양자 정보에 오류가 없는 것을 가정하고 있다. 따라서, 양자 정보를 보호하기 위한 양자 오류 정정 부호가 필요하고 세계적으로 다양한 방법으로 양자 오류 정정 부호에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. The cubic information, which is the basic information amount of the quantum system using quantum information, is sensitive to the surrounding environment and can easily cause information to be distorted. The algorithm performed in the quantum system basically assumes that there is no error in the quantum information. Therefore, a quantum error correcting code for protecting quantum information is required, and a lot of studies on quantum error correcting codes are being carried out in various ways in the world.

현재 진행되고 있는 대부분의 양자 오류 정정 부호에 대한 연구는 기존 오류 정정 부호 설계 기법을 적용하여 새로운 양자 오류 정정 부호를 만든 추세이다. 양자 오류 정정 부호는 그 구성 방법에 의해 크게 선형 부호와 비선형 부호로 나눌 수 있다.Most studies on quantum error correcting codes currently underway are based on the existing error correcting code designing technique and the trend of creating a new quantum error correcting code. The quantum error correction code can be largely divided into a linear code and a nonlinear code according to the construction method.

선형 부호 중 안정 부호(stabilizer code)는 기존 선형 블록 부호 중 이중 함유(dual-containing) 조건을 만족하는 부호를 이용하여 양자 오류 정정 부호를 구성하는 방법을 제시하고 있다.Among the linear codes, a stabilizer code suggests a method of constructing a quantum error correcting code using a code satisfying a dual-containing condition in a conventional linear block code.

최근에는, 선형 부호와 비선형 부호를 모두 기술할 수 있는 CWS 코드(codeword stabilized quantum code)라는 부호 설계 기법이 소개 되었으며, CWS 코드는 기존 오류 정정 부호를 이용하여 양자 오류 정정 부호를 설계할 수 있는 기법을 제시할 수 있다.In recent years, a code design technique called a codeword stabilized quantum code (CWS code), which can describe both a linear code and a nonlinear code, has been introduced. The CWS code is a technique for designing a quantum error correction code using an existing error correction code Can be presented.

대부분의 양자 오류 정정 부호가 양자 정보를 서브스페이스(subspace)에 부호화 하며, 일반적인 양자 오류 정정 부호 기법은 양자 정보를 서브시스템(subsystem)에 부호화 할 수 있다.Most quantum error correction codes encode quantum information in a subspace, and a general quantum error correction coding technique can encode quantum information in a subsystem.

연산자 양자 오류 정정 부호는 서브시스템을 이용한 양자 오류 정정 부호의 설계 기법을 제공할 수 있으며, 연산자 양자 오류 정정 부호 기법은 수동적인 양자 오류 정정 부호 기법과 능동적인 양자 오류 정정 부호를 통합 설계할 수 있는 부호 설계 기법이다. 비선형 부호를 체계적으로 설계할 수 있는 양자 오류 정정 부호화 기법이 필요한 실정이다.The operator quantum error correcting code can provide a design method of a quantum error correcting code using a subsystem and the operator quantum error correcting code can provide a design method for integrating a passive quantum error correcting code and an active quantum error correcting code Code design technique. A quantum error correction coding scheme capable of systematically designing nonlinear codes is needed.

본 발명의 일실시예는 CWS 코드 기법에 연산자 양자 오류 정정 부호 기법을 적용하여 CWS 코드를 서브시스템의 양자 오류 정정 부호로 확장하는 것을 목적으로 한다.An embodiment of the present invention aims to extend the CWS code to a quantum error correction code of a subsystem by applying an operator quantum error correction coding scheme to the CWS code scheme.

본 발명의 일실시예는 오류 정정 부호로부터 체계적으로 비선형 부호를 구성하는 것을 목적으로 한다.An embodiment of the present invention aims at constructing a nonlinear code systematically from an error correction code.

본 발명의 일실시예는 CWS 코드를 서브스페이스 코드와 서브시스템 코드를 모두 포함할 수 있는 양자 오류 정정 부호 설계 방법을 제공한다.One embodiment of the present invention provides a method for designing a quantum error correction code, which can include both a subspace code and a subsystem code.

본 발명의 일실시예에 따른 양자 오류 정정 부호 설계 장치는 CWS(codeword stabilized quantum) 코드의 초기 상태에 게이지 큐비트(gauge qubit)을 적용하여 기본 스테이트(base state)를 구성하는 제1 상태 구성부, 상기 게이지 큐비트(Gauge qubit)가 포함된 상기 기본 스테이트(base state)를 위한 게이지 그룹(Gauge group)을 구성하는 제2 상태 구성부, 상기 CWS 코드를 이용하여 양자 오류 채널에서 발생하는 양자 오류를 이진 오류(binary error)로 분석하는 분석부, 상기 이진 오류를 수정하는 이진 오류 정정 부호를 설계하는 부호 설계부, 상기 이진 오류 정정 부호를 이용하여 송신단에서 수행되는 상기 CWS 코드의 워드 오퍼레이터(word operator)를 작성하는 제1 상태 작성부, 및 상기 워드 오퍼레이터를 이용하여 상기 게이지 큐비트를 포함한 코드 워드를 작성하는 제2 상태 작성부를 포함한다.The apparatus for designing a quantum error correcting code according to an embodiment of the present invention includes a first state construction unit for constructing a base state by applying a gauge qubit to an initial state of a CWS (codeword stabilized quantum) code, A second state constructing unit for constructing a gauge group for the base state including the gauge qubit, a second state constructing unit for constructing a gauge group for the base state including the gauge qubit, A code designing unit for designing a binary error correcting code for correcting the binary error, a code designing unit for designating a word operator of the CWS code performed in the transmitter using the binary error correcting code, And a second state creating unit for creating a code word including the gauge qubit by using the word operator, .

본 발명의 일측에 따르면, 상기 분석부는 상기 CWS 코드의 표준 방식(standard form)의 안정기(stabilizer generator)를 생성하는 유니터리 연산자를 이용하여 상기 기본 스테이트를 부호화 할 수 있다.According to an aspect of the present invention, the analysis unit may encode the basic state using a unitary operator that generates a stabilizer generator in a standard form of the CWS code.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 분석부는 상기 안정기(Si) 및 상기 게이지 그룹(gj)을 이용하여 상기 양자 오류를 상기 이진 오류로 변환할 수 있다.According to an aspect of the present invention, the analysis unit may convert the quantum error into the binary error using the stabilizer S i and the gauge group g j .

본 발명의 일측에 따르면, 상기 제1 상태 작성부는 상기 안정기를 이용하여 수신단에서 수행되는 연산자를 제거한 제1 워드 오퍼레이터에 유니터리 부호화 연산을 수행하여, 상기 CWS 코드의 초기 상태에 대한 제2 워드 오퍼레이터를 생성할 수 있다.According to an aspect of the present invention, the first state creating unit may perform a unitary coding operation on a first word operator that removes an operator performed at a receiving end using the ballast, and performs a unitary coding operation on a second word operator Lt; / RTI >

본 발명의 일실시예에 따른 양자 오류 정정 부호 설계 방법은 CWS(codeword stabilized quantum) 코드의 초기 상태에 게이지 큐비트(gauge qubit)을 적용하여 기본 스테이트(base state)를 구성하는 단계, 상기 게이지 큐비트(Gauge qubit)가 포함된 상기 기본 스테이트(base state)를 위한 게이지 그룹(Gauge group)을 구성하는 단계, 상기 CWS 코드를 이용하여 양자 오류 채널에서 발생하는 양자 오류를 이진 오류(binary error)로 분석하는 단계, 상기 이진 오류를 수정하는 이진 오류 정정 부호를 설계하는 단계, 상기 이진 오류 정정 부호를 이용하여 송신단에서 수행되는 상기 CWS 코드의 워드 오퍼레이터(word operator)를 작성하는 단계, 및 상기 워드 오퍼레이터를 이용하여 상기 게이지 큐비트를 포함한 코드 워드를 작성하는 단계를 포함한다.The method of designing a quantum error correcting code according to an embodiment of the present invention includes the steps of constructing a base state by applying a gauge qubit to an initial state of a codeword stabilized quantum (CWS) code, Constructing a gauge group for the base state including a Gauge qubit, generating a quantum error occurring in the quantum error channel using the CWS code as a binary error Analyzing the binary error correcting code, designing a binary error correcting code for correcting the binary error, creating a word operator of the CWS code performed in the transmitter using the binary error correcting code, And generating a codeword including the gauge qubit by using the gauge qubit.

본 발명의 일실시예에 따르면 CWS 코드 기법에 연산자 양자 오류 정정 부호 기법을 적용하여 CWS 코드를 서브시스템의 양자 오류 정정 부호로 확장할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a CWS code can be extended to a quantum error correction code of a subsystem by applying an operator quantum error correction coding scheme to the CWS code scheme.

본 발명의 일실시예에 따르면 오류 정정 부호로부터 체계적으로 비선형 부호를 구성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a non-linear code can be structured systematically from an error correction code.

본 발명의 일실시예에 따르면 CWS 코드를 서브스페이스 코드와 서브시스템 코드를 모두 포함할 수 있는 양자 오류 정정 부호 설계 방법을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a method of designing a quantum error correction code, which can include both a subspace code and a subsystem code in a CWS code.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 양자 오류 정정 부호 설계 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일측에 따른 측정 연산자를 이용한 큐비트의 측정 과정을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일측에 따른 큐비트 비트 플립 부호의 부호화 서킷의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일측에 따른 큐비트 위상 플립 부호의 부호화 서킷의 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일측에 따른 쇼어부호의 부호화 서킷의 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 양자 오류 정정 부호 설계 방법을 도시한 흐름도이다.
FIG. 1 is a block diagram illustrating the structure of a quantum error correction code designing apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
2 is a diagram illustrating a process of measuring a qubit using a measurement operator according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing an example of a coding circuit of a qubit bit flip code according to an aspect of the present invention.
4 is a diagram illustrating an example of a coding circuit of a qubit phase flip code according to an aspect of the present invention.
5 is a diagram showing an example of a coding circuit of a Sho-code according to an aspect of the present invention.
6 is a flowchart illustrating a method of designing a quantum error correction code according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and accompanying drawings, but the present invention is not limited to or limited by the embodiments.

한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.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. The terminology used herein is a term used for appropriately expressing an embodiment of the present invention, which may vary depending on the user, the intent of the operator, or the practice of the field to which the present invention belongs. Therefore, the definitions of these terms should be based on the contents throughout this specification.

본 발명의 일측에 따른 양자 오류 정정 부호 설계 장치는 CWS 코드 기법에 연산자 양자 오류 정정 부호 기법을 적용하여, CWS 코드를 서브시스템(subsystem) 양자 오류 정정 부호로 확장할 수 있다.The apparatus for designing a quantum error correcting code according to an aspect of the present invention can expand a CWS code to a subsystem quantum error correction code by applying an operator quantum error correction coding scheme to a CWS code scheme.

CWS 코드는 고전 오류 정정 부호로부터 체계적으로 비선형 부호 구성할 수 있는 기법으로 서브스페이스(subspace)를 이용한 양자 오류 정정 부호이다.The CWS code is a scheme that can systematically construct nonlinear codes from classical error correcting codes and is a quantum error correcting code using subspace.

본 발명의 일측에 따른 양자 오류 정정 부호 설계 장치는 비선형 부호를 체계적으로 설계할 수 있는 CWS 코드 기법에 연산자 양자 오류 정정 부호 기법을 적용함으로써, CWS 코드를 서브스페이스 코드와 서브시스템 코드를 모두 포함하는 일반적인 양자 오류 정정 부호 설계 기법으로 확장할 수 있다.The apparatus for designing a quantum error correcting code according to an aspect of the present invention is a device for designing a nonlinear code by applying an operator quantum error correcting coding technique to a CWS code scheme capable of systematically designing a nonlinear code so that a CWS code includes both a subspace code and a subsystem code And can be extended by a general quantum error correction code design technique.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 양자 오류 정정 부호 설계 장치의 구성을 도시한 블록도이다.FIG. 1 is a block diagram illustrating the structure of a quantum error correction code designing apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 양자 오류 정정 부호 설계 장치는 제1 상태 구성부(110), 제2 상태 구성부(120), 분석부(130), 부호 설계부(140), 제1 상태 작성부(150), 및 제2 상태 작성부(160)를 포함한다.1, an apparatus for designing a quantum error correcting code according to an embodiment of the present invention includes a first state construction unit 110, a second state construction unit 120, an analysis unit 130, a code design unit 140, A first state creating unit 150, and a second state creating unit 160. The first state creating unit 150 and the second state creating unit 160 are the same.

제1 상태 구성부(110)는 CWS(codeword stabilized quantum) 코드의 초기 상태에 게이지 큐비트(gauge qubit)을 적용하여 기본 스테이트(base state)를 구성하고, 제2 상태 구성부(120)는 게이지 큐비트(Gauge qubit)가 포함된 기본 스테이트(base state)를 위한 게이지 그룹(Gauge group)을 구성한다.The first state construction unit 110 constructs a base state by applying a gauge qubit to an initial state of a codeword stabilized quantum (CWS) code, and the second state construction unit 120 constructs a base state, And construct a gauge group for a base state including a qubit.

제1 상태 구성부(110)는 CWS 코드의 n-큐비트의 초기 상태에 상기 게이지 큐비트를 적용하여 하기 수학식 1과 같은 상기 기본 스테이트를 구성할 수 있다.The first state configuration unit 110 may construct the basic state as shown in Equation 1 by applying the gauge qubit to the initial state of the n-qubit of the CWS code.

Figure pat00001
Figure pat00001

이 때,

Figure pat00002
는 초기 상태의 기본 스테이트(base state)를 의미하며,
Figure pat00003
는 임의의 r-큐비트,
Figure pat00004
를 나타낸다.At this time,
Figure pat00002
Denotes a base state of an initial state,
Figure pat00003
Is an arbitrary r-qubit,
Figure pat00004
.

여기서, 큐비트(qubit)는 양자 정보 시스템에서 사용되는 정보의 기본 단위에 해당하며, 양자 정보 시스템에서 기존 정보와 비교하여 양자 정보가 갖는 가장 큰 특정 중 하나는 정보의 중첩이 가능하다. 예를 들어, 큐비트는 힐버트 공간(Hilbert space)의 서로 다른 여러 상태를 취할 수 있으며 서로 다른 상태가 겹쳐있는 중첩 상태로 존재할 수도 있다.Here, the qubit corresponds to a basic unit of information used in the quantum information system, and one of the largest specific quantities of the quantum information can be superimposed on information compared with existing information in the quantum information system. For example, a cuboid can take several different states of the Hilbert space, and may exist in a superposition where the states overlap.

분석부(130)는 CWS 코드를 이용하여 양자 오류 채널에서 발생하는 양자 오류를 이진 오류(binary error)로 분석하고, 부호 설계부(140)는 이진 오류를 수정하는 이진 오류 정정 부호를 설계한다.The analysis unit 130 analyzes a quantum error occurring in the quantum error channel using a CWS code as a binary error and the code design unit 140 designs a binary error correction code for correcting the binary error.

분석부(130)는 CWS 코드의 표준 방식(standard form)의 안정기(stabilizer generator)를 생성하는 유니터리 연산자를 이용하여 기본 스테이트를 부호화 할 수 있다.The analyzer 130 may encode the basic state using a unitary operator that generates a stabilizer generator in a standard form of the CWS code.

여기서, 상기 안정기(Si) 및 상기 게이지 그룹(gj)은 하기 수학식 2와 같은 연산자로 구성될 수 있다.Here, the stabilizer S i and the gauge group g j may be constructed by the following equations (2).

Figure pat00005
Figure pat00005

이 때, X와 Z는 2X2 파울리 연산자를 나타내고,

Figure pat00006
은 이진 벡터를 나타낸다. 또한, 표기 상의 편의를 위해 수식의 아래 첨자는 연산자의 위치를 나타내며, 예를 들어
Figure pat00007
의 경우
Figure pat00008
와 같이 나타낼 수 있다.In this case, X and Z represent 2X2 Pauly operators,
Figure pat00006
Represents a binary vector. Also, for convenience in notation, the subscript of the expression represents the position of the operator, for example
Figure pat00007
In the case of
Figure pat00008
As shown in Fig.

분석부(130)는 안정기(Si) 및 게이지 그룹(gj)을 이용하여 양자 오류를 이진 오류로 변환할 수 있다. 예를 들어, 양자 오류 E 및 이진 오류

Figure pat00009
는 하기 수학식 3와 같은 관계로 구성될 수 있다.The analyzer 130 may convert the quantum error into the binary error using the stabilizer S i and the gauge group g j . For example, quantum error E and binary error
Figure pat00009
Can be expressed by the following equation (3).

Figure pat00010
Figure pat00010

이 때,

Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
은 이진 벡터를 의미하며,
Figure pat00014
은 벡터 u의 원소 중
Figure pat00015
번째 원소를 의미한다.제1 상태 작성부(150)는 이진 오류 정정 부호를 이용하여 송신단에서 수행되는 CWS 코드의 워드 오퍼레이터(word operator)를 작성하고, 제2 상태 작성부(160)는 워드 오퍼레이터를 이용하여 게이지 큐비트를 포함한 코드 워드를 작성한다.At this time,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
Means a binary vector,
Figure pat00014
Of the elements of the vector u
Figure pat00015
The first state creating unit 150 creates a word operator of the CWS code to be executed in the transmitter using the binary error correcting code and the second state creating unit 160 creates the word operator of the CWS code, To generate a code word including the gauge qubit.

제1 상태 작성부(150)는 안정기를 이용하여 수신단에서 수행되는 연산자를 제거한 제1 워드 오퍼레이터에 유니터리 부호화 연산을 수행하여, CWS 코드의 초기 상태에 대한 제2 워드 오퍼레이터를 생성할 수 있다.The first state creating unit 150 may perform a unitary encoding operation on the first word operator that removes the operator performed at the receiving end using the ballast to generate a second word operator for the initial state of the CWS code.

제2 상태 작성부(160)는 제2 워드 오퍼레이터

Figure pat00016
가 하기 수학식 4를 만족하는 양자 오류 정정 부호를 구성할 수 있다.The second state creating unit 160 creates a second state,
Figure pat00016
Can constitute a quantum error correction code satisfying the following equation (4).

Figure pat00017
Figure pat00017

Figure pat00018
Figure pat00018

이 때, 워드 오퍼레이터 위의 A, B는 각 각 워드 오퍼레이터가 작동하는 서브 시스템을 의미한다.At this time, A and B on the word operator means a subsystem where each word operator operates.

본 발명의 일측에 따른 양자 오류 정정 부호 설계 장치는 게이지 큐비트를 이용하여 CWS 코드로 설계되는 양자 오류 정정 부호를 서브시스템(subsystem) 양자 오류 정정 부호로 확장하여 설계할 수 있다.The apparatus for designing a quantum error correcting code according to an aspect of the present invention can design a quantum error correcting code designed with a CWS code using a gauge qubit, by extending it with a subsystem quantum error correcting code.

도 2는 본 발명의 일측에 따른 측정 연산자를 이용한 큐비트의 측정 과정을 도시한 도면이다. 2 is a diagram illustrating a process of measuring a qubit using a measurement operator according to an embodiment of the present invention.

양자 정보는 확률적으로 존재하며 양자 정보는 측정하는 순간 기저 상태로 붕괴하여 측정하기 전 상태로 복원하지 못 할 수도 있어, 도 2에 도시된 바와 같이, 측정 후 양자 정보는 확률 |a|2 와 |b|2 에 따라 정보를 이루는 기저 중 한 상태로 붕괴될 수 있다. 붕괴된 정보는 ‘a’나 ‘b’의 정보를 가지고 있지 않으며 측정 전의 상태로 되돌리지 못 할 수 있다.The quantum information may stably exist and the quantum information may collapse into the ground state at the instant of measurement and may not be restored to the state before measurement. As shown in FIG. 2, 2 and | b | 2 , it can be collapsed into one of the bases constituting the information. The collapsed information does not have the information of 'a' or 'b' and may not be returned to the state before the measurement.

본 발명의 일측에 따른 양자 오류 정정 부호 설계 장치는 양자 오류 정정 부호의 관점에서, 양자 정보 시스템에서 양자 오류 정정 부호를 적용하기 위해 정보를 부호화 하고 복원하는 과정에서 정보를 측정하지 않고, 또는 정보의 변경을 가져올 측정 없이 코드워드를 생성하고 채널에서 발생한 오류로부터 정보를 복원할 수 있다.The apparatus for designing a quantum error correcting code according to an aspect of the present invention is characterized in that, from the viewpoint of a quantum error correcting code, in a process of encoding and restoring information in order to apply a quantum error correcting code in the quantum information system, A codeword can be generated without measuring the change to be taken and the information can be recovered from errors occurring in the channel.

도 3은 본 발명의 일측에 따른 큐비트 비트 플립 부호의 부호화 서킷의 예를 도시한 도면이다.3 is a diagram showing an example of a coding circuit of a qubit bit flip code according to an aspect of the present invention.

도 3을 참조하면, 양자 오류 정정 부호 설계 장치는 3-큐비트 비트 플립 부호의 부호화 서킷으로 표시 될 수 있으나, 상기 구조에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 부호화 서킷은 2개의 CNOT(Controlled NOT) 게이트로 구성될 수 있으며, 전송하려는 단일 큐비트와 추가적인 2 큐비트을 입력으로 받아 코드워드를 생성할 수 있다.Referring to FIG. 3, the apparatus for designing a quantum error correction code can be represented by a coding circuit of a 3-qubit bit flip code, but is not limited thereto. For example, a coding circuit may be composed of two CNOT (Controlled NOT) gates, and a codeword can be generated by receiving as input a single qubit and an additional two qubit.

도 4는 본 발명의 일측에 따른 큐비트 위상 플립 부호의 부호화 서킷의 예를 도시한 도면이다.4 is a diagram illustrating an example of a coding circuit of a qubit phase flip code according to an aspect of the present invention.

도 4를 참조하면, 양자 오류 정정 부호 설계 장치는 3-큐비트 위상 플립 부호(3-qubit phase flip codes)의 부호화 서킷으로 표시될 수 있으나, 상기 구조에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 3-큐비트 위상 플립 부호는 단일 위상 오류가 발생하는 양자 채널에서 사용하는 양자 오류 정정 부호에 대응하며, 3 큐비트 비트 플립 부호의 복호 과정은 4개의 서로 다른 측정 연산자를 통해 수행될 수 있다.Referring to FIG. 4, the apparatus for designing a quantum error correction code can be represented by a coding circuit of 3-qubit phase flip codes, but is not limited thereto. Here, the 3-qubit bit flip code corresponds to a quantum error correction code used in a quantum channel in which a single phase error occurs, and the decoding process of a 3 qubit bit flip code can be performed through four different measurement operators have.

도 5는 본 발명의 일측에 따른 쇼어부호의 부호화 서킷의 예를 도시한 도면이다.5 is a diagram showing an example of a coding circuit of a Sho-code according to an aspect of the present invention.

쇼어 부호는 비트 플립 오류와 위상 플립 오류로부터 동시에 큐비트를 보호할 수 있는 양자 오류 정정 부호로 임의의 양자 오류로부터 큐비트를 보호할 수 있는 최초의 양자 오류 정정 부호이다.The Shore code is the first quantum error correction code that can protect a qubit from any quantum error with a quantum error correction code that can simultaneously protect the qubit from bit flip errors and phase flip errors.

쇼어 부호는 서로 다른 두 종류의 오류로부터 정보를 보호하기 위해 서로 다른 두 종류의 오류 정정 부호를 결합하는 방식을 취할 수 있으며, 서로 다른 두 종류의 오류 정정 부호를 결합하여 다시 새로운 오류 정정 부호를 얻는 기법과 동일한 방식으로 양자 오류 정정 부호를 설계할 수 있다.The Shore code can combine two different types of error correction codes to protect information from two different kinds of errors, and can combine two different types of error correction codes to obtain a new error correction code It is possible to design a quantum error correction code in the same manner as that of the conventional technique.

도 5를 참조하면, 양자 오류 정정 부호 설계 장치는 위상 플립 부호에 의해 큐비트를 부호화 하고,부호화된 큐비트를 다시 비트 플립 부호의 부호화 과정을 거쳐 최종 코드워드로 생성할 수 있다.Referring to FIG. 5, the apparatus for designing a quantum error correction code can encode a qubit by a phase flip code, and generate a final codeword through a process of encoding a bit flip code again.

아래에서는 본 발명의 일실시예에 따른 양자 오류 정정 부호 설계 방법을 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of designing a quantum error correction code according to an embodiment of the present invention will be described.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 양자 오류 정정 부호 설계 방법을 도시한 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating a method of designing a quantum error correction code according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 양자 오류 정정 부호 설계 장치는 CWS(codeword stabilized quantum) 코드의 초기 상태에 게이지 큐비트(gauge qubit)을 적용하여 기본 스테이트(base state)를 구성한다(610).Referring to FIG. 6, the quantum error correcting code designing apparatus constructs a base state (610) by applying a gauge qubit to an initial state of CWS (codeword stabilized quantum) code.

양자 오류 정정 부호 설계 장치는 게이지 큐비트(Gauge qubit)가 포함된 기본 스테이트(base state)를 위한 게이지 그룹(Gauge group)을 구성한다(620).The quantum error correction code designing apparatus configures a gauge group for a base state including a gauge qubit (620).

양자 오류 정정 부호 설계 장치는 CWS 코드를 이용하여 양자 오류 채널에서 발생하는 양자 오류를 이진 오류(binary error)로 분석한다(630).The quantum error correcting code designing apparatus analyzes a quantum error occurring in a quantum error channel using a CWS code as a binary error (630).

예를 들어, 양자 오류 정정 부호 설계 장치는 CWS 코드의 표준 방식(standard form)의 안정기(stabilizer generator)를 생성하는 유니터리 연산자를 이용하여 기본 스테이트를 부호화 할 수 있다. 또한, 양자 오류 정정 부호 설계 장치는 안정기(Si) 및 게이지 그룹(gj)을 이용하여 양자 오류를 이진 오류로 변환할 수 있다.For example, a quantum error correction code designing apparatus can encode a basic state using a unitary operator that generates a stabilizer generator in a standard form of a CWS code. Also, the quantum error correction code designing apparatus can convert the quantum error into the binary error using the stabilizer S i and the gauge group g j .

양자 오류 정정 부호 설계 장치는 이진 오류를 수정하는 이진 오류 정정 부호를 설계한다(640).The quantum error correction code designing apparatus designs a binary error correction code for correcting the binary error (640).

양자 오류 정정 부호 설계 장치는 이진 오류 정정 부호를 이용하여 송신단에서 수행되는 CWS 코드의 워드 오퍼레이터(word operator)를 작성한다(650).The quantum error correcting code designing apparatus generates a word operator of the CWS code to be performed at the transmitting end using the binary error correcting code (650).

양자 오류 정정 부호 설계 장치는 워드 오퍼레이터를 이용하여 게이지 큐비트를 포함한 코드 워드를 작성한다(660).The quantum error correcting code designing apparatus generates a code word including a gauge qubit by using a word operator (660).

양자 오류 정정 부호 설계 장치는 안정기를 이용하여 수신단에서 수행되는 연산자를 제거한 제1 워드 오퍼레이터에 유니터리 부호화 연산을 수행하여, CWS 코드의 초기 상태에 대한 제2 워드 오퍼레이터를 생성할 수 있다.The quantum error correction coding design apparatus can generate a second word operator for the initial state of the CWS code by performing a unitary coding operation on a first word operator that removes an operator performed at a receiving end using a ballast.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다. The method according to an embodiment may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions to be recorded on the medium may be those specially designed and configured for the embodiments or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

110: 제1 상태 구성부
120: 제2 상태 구성부
130: 분석부
140: 부호 설계부
150: 제1 상태 작성부
160: 제2 상태 작성부
110: first state component
120: second state component
130:
140:
150: First state preparing section
160: Second state preparing section

Claims (17)

CWS(codeword stabilized quantum) 코드의 초기 상태에 게이지 큐비트(gauge qubit)을 적용하여 기본 스테이트(base state)를 구성하는 제1 상태 구성부;
상기 게이지 큐비트(Gauge qubit)가 포함된 상기 기본 스테이트(base state)를 위한 게이지 그룹(Gauge group)을 구성하는 제2 상태 구성부;
상기 CWS 코드를 이용하여 양자 오류 채널에서 발생하는 양자 오류를 이진 오류(binary error)로 분석하는 분석부;
상기 이진 오류를 수정하는 이진 오류 정정 부호를 설계하는 부호 설계부;
상기 이진 오류 정정 부호를 이용하여 송신단에서 수행되는 상기 CWS 코드의 워드 오퍼레이터(word operator)를 작성하는 제1 상태 작성부; 및
상기 워드 오퍼레이터를 이용하여 상기 게이지 큐비트를 포함한 코드 워드를 작성하는 제2 상태 작성부
를 포함하는 양자 오류 정정 부호 설계 장치.
A first state constructor configured to construct a base state by applying a gauge qubit to an initial state of a codeword stabilized quantum (CWS) code;
A second state configuring a gauge group for the base state including the gauge qubit;
An analyzer for analyzing a quantum error occurring in the quantum error channel using the CWS code as a binary error;
A code designing unit for designing a binary error correcting code for correcting the binary error;
A first state creating unit for creating a word operator of the CWS code performed by the transmitter using the binary error correction code; And
A second state creating unit for creating a codeword including the gauge qubit by using the word operator,
And a quantization error correcting code designing unit.
제1항에 있어서,
상기 제1 상태 구성부는,
상기 CWS 코드의 n-큐비트의 초기 상태에 상기 게이지 큐비트를 적용하여 하기 수학식 1과 같은 상기 기본 스테이트를 구성하는 양자 오류 정정 부호 설계 장치.
[수학식 1]
Figure pat00019

(여기서, 상기
Figure pat00020
는 초기 상태의 상기 기본 스테이트(base state)에 대응되며, 상기
Figure pat00021
는 r-큐비트에 대응 됨.)
The method according to claim 1,
Wherein the first state configuration unit comprises:
And the gauge qubit is applied to an initial state of an n-qubit of the CWS code to construct the basic state as shown in Equation (1).
[Equation 1]
Figure pat00019

(Wherein,
Figure pat00020
Corresponds to the base state of the initial state,
Figure pat00021
Corresponds to r-qubits.)
제1항에 있어서,
상기 분석부는,
상기 CWS 코드의 표준 방식(standard form)의 안정기(stabilizer generator)를 생성하는 유니터리 연산자를 이용하여 상기 기본 스테이트를 부호화 하는 양자 오류 정정 부호 설계 장치.
The method according to claim 1,
The analyzing unit,
And a unitary operator for generating a stabilizer generator of a standard form of the CWS code to code the base state.
제3항에 있어서,
상기 안정기(Si)및 상기 게이지 그룹(gj)은,
하기 수학식 2와 같은 연산자로 구성되는 양자 오류 정정 부호 설계 장치.
[수학식 2]
Figure pat00022

(여기서, 상기
Figure pat00023
와 상기
Figure pat00024
Figure pat00025
파울리 연산자에 대응되며, 상기
Figure pat00026
은 이진 벡터에 대응 됨.)
The method of claim 3,
The stabilizer ( Si ) and the gauge group ( gj )
The quantum error correcting code designing apparatus comprising an operator as shown in Equation (2).
&Quot; (2) "
Figure pat00022

(Wherein,
Figure pat00023
And
Figure pat00024
The
Figure pat00025
Corresponds to the Paulownian operator,
Figure pat00026
Corresponds to a binary vector.)
제3항에 있어서,
상기 분석부는,
상기 안정기(Si)및 상기 게이지 그룹(gj)을 이용하여 상기 양자 오류를 상기 이진 오류로 변환하는 양자 오류 정정 부호 설계 장치.
The method of claim 3,
The analyzing unit,
Wherein the quantum error correcting code designing apparatus converts the quantum error into the binary error using the stabilizer ( Si ) and the gauge group ( gj ).
제5항에 있어서,
상기 양자 오류 및 상기 이진 오류는,
하기 수학식 3와 같은 관계로 구성되는 양자 오류 정정 부호 설계 장치.
[수학식 3]
Figure pat00027

(여기서, 상기 각각의
Figure pat00028
,
Figure pat00029
Figure pat00030
은 이진 벡터에 대응되며, 상기
Figure pat00031
은 벡터
Figure pat00032
의 원소 중
Figure pat00033
번째 원소에 대응 됨.)
6. The method of claim 5,
Wherein the quantum error and the binary error are < RTI ID = 0.0 >
The quantum error correcting code designing apparatus comprising:
&Quot; (3) "
Figure pat00027

(Wherein each of the
Figure pat00028
,
Figure pat00029
Figure pat00030
Corresponds to a binary vector,
Figure pat00031
Vector
Figure pat00032
Of the elements
Figure pat00033
Corresponding to the first element.)
제3항에 있어서,
상기 제1 상태 작성부는,
상기 안정기를 이용하여 수신단에서 수행되는 연산자를 제거한 제1 워드 오퍼레이터에 유니터리 부호화 연산을 수행하여, 상기 CWS 코드의 초기 상태에 대한 제2 워드 오퍼레이터를 생성하는 양자 오류 정정 부호 설계 장치.
The method of claim 3,
Wherein the first state creating unit comprises:
And a second word operator for an initial state of the CWS code by performing a unitary encoding operation on a first word operator that removes an operator performed by a receiver using the ballast.
제7항에 있어서,
상기 제2 상태 작성부는,
상기 제2 워드 오퍼레이터가 하기 수학식 4를 만족하는 양자 오류 정정 부호를 구성하는 양자 오류 정정 부호 설계 장치.
[수학식 4]
Figure pat00034

Figure pat00035

(여기서, 상기 각각의 A, B는 상기 각각의 워드 오퍼레이터가 작동하는 서브 시스템에 대응 됨.)
8. The method of claim 7,
Wherein the second state creating unit comprises:
And the second word operator constitutes a quantum error correcting code satisfying the following equation (4): " (4) "
&Quot; (4) "
Figure pat00034

Figure pat00035

(Where each of A and B corresponds to a subsystem in which each of the word operators operates).
CWS(codeword stabilized quantum) 코드의 초기 상태에 게이지 큐비트(gauge qubit)을 적용하여 기본 스테이트(base state)를 구성하는 단계;
상기 게이지 큐비트(Gauge qubit)가 포함된 상기 기본 스테이트(base state)를 위한 게이지 그룹(Gauge group)을 구성하는 단계;
상기 CWS 코드를 이용하여 양자 오류 채널에서 발생하는 양자 오류를 이진 오류(binary error)로 분석하는 단계;
상기 이진 오류를 수정하는 이진 오류 정정 부호를 설계하는 단계;
상기 이진 오류 정정 부호를 이용하여 송신단에서 수행되는 상기 CWS 코드의 워드 오퍼레이터(word operator)를 작성하는 단계; 및
상기 워드 오퍼레이터를 이용하여 상기 게이지 큐비트를 포함한 코드 워드를 작성하는 단계
를 포함하는 양자 오류 정정 부호 설계 방법.
Constructing a base state by applying a gauge qubit to an initial state of a codeword stabilized quantum (CWS) code;
Constructing a gauge group for the base state including the gauge qubits;
Analyzing a quantum error occurring in a quantum error channel using a CWS code as a binary error;
Designing a binary error correcting code for correcting the binary error;
Creating a word operator of the CWS code performed in the transmitter using the binary error correction code; And
Generating a codeword including the gauge qubit by using the word operator
The method comprising the steps of:
제9항에 있어서,
상기 기본 스테이트를 구성하는 단계는,
상기 CWS 코드의 n-큐비트의 초기 상태에 상기 게이지 큐비트를 적용하여 하기 수학식 5와 같은 상기 기본 스테이트를 구성하는 단계
를 포함하는 양자 오류 정정 부호 설계 방법.
[수학식 5]
Figure pat00036

(여기서, 상기
Figure pat00037
는 초기 상태의 상기 기본 스테이트(base state)에 대응되며, 상기
Figure pat00038
는 r-큐비트에 대응 됨.)
10. The method of claim 9,
Wherein configuring the base state comprises:
Applying the gauge qubit to the initial state of the n-qubit of the CWS code to construct the base state as shown in Equation (5)
The method comprising the steps of:
&Quot; (5) "
Figure pat00036

(Wherein,
Figure pat00037
Corresponds to the base state of the initial state,
Figure pat00038
Corresponds to r-qubits.)
제9항에 있어서,
상기 양자 오류를 이진 오류로 분석하는 단계는,
상기 CWS 코드의 표준 방식(standard form)의 안정기(stabilizer generator)를 생성하는 유니터리 연산자를 이용하여 상기 기본 스테이트를 부호화 하는 단계
를 포함하는 양자 오류 정정 부호 설계 방법.
10. The method of claim 9,
Wherein analyzing the quantum error as a binary error comprises:
Encoding the base state using a unitary operator that generates a stabilizer generator in a standard form of the CWS code;
The method comprising the steps of:
제11항에 있어서,
상기 안정기(Si)및 상기 게이지 그룹(gj)은,
하기 수학식 6과 같은 연산자로 구성되는 양자 오류 정정 부호 설계 방법.
[수학식 6]
Figure pat00039

(여기서, 상기
Figure pat00040
와 상기
Figure pat00041
Figure pat00042
파울리 연산자에 대응되며, 상기
Figure pat00043
은 이진 벡터에 대응 됨.)
12. The method of claim 11,
The stabilizer ( Si ) and the gauge group ( gj )
A quantum error correcting code designing method composed of an operator as shown in Equation (6).
&Quot; (6) "
Figure pat00039

(Wherein,
Figure pat00040
And
Figure pat00041
The
Figure pat00042
Corresponds to the Paulownian operator,
Figure pat00043
Corresponds to a binary vector.)
제11항에 있어서,
상기 양자 오류를 이진 오류로 분석하는 단계는,
상기 안정기(Si)및 상기 게이지 그룹(gj)을 이용하여 상기 양자 오류를 상기 이진 오류로 변환하는 단계
를 더 포함하는 양자 오류 정정 부호 설계 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein analyzing the quantum error as a binary error comprises:
Transforming the quantum error into the binary error using the stabilizer ( Si ) and the gauge group ( gj )
And a quantum error correcting code designing method.
제13항에 있어서,
상기 양자 오류 및 상기 이진 오류는,
하기 수학식 7과 같은 관계로 구성되는 양자 오류 정정 부호 설계 방법.
[수학식 7]
Figure pat00044

(여기서, 상기 각각의
Figure pat00045
,
Figure pat00046
Figure pat00047
은 이진 벡터에 대응되며, 상기
Figure pat00048
은 벡터
Figure pat00049
의 원소 중
Figure pat00050
번째 원소에 대응 됨.)
14. The method of claim 13,
Wherein the quantum error and the binary error are < RTI ID = 0.0 >
A quantum error correcting code designing method comprising the following relationship.
&Quot; (7) "
Figure pat00044

(Wherein each of the
Figure pat00045
,
Figure pat00046
Figure pat00047
Corresponds to a binary vector,
Figure pat00048
Vector
Figure pat00049
Of the elements
Figure pat00050
Corresponding to the first element.)
제11항에 있어서,
상기 워드 오퍼레이터(word operator)를 작성하는 단계는,
상기 안정기를 이용하여 수신단에서 수행되는 연산자를 제거한 제1 워드 오퍼레이터에 유니터리 부호화 연산을 수행하여, 상기 CWS 코드의 초기 상태에 대한 제2 워드 오퍼레이터를 생성하는 단계
를 포함하는 양자 오류 정정 부호 설계 방법.
12. The method of claim 11,
The step of creating the word operator comprises:
Generating a second word operator for an initial state of the CWS code by performing a unitary encoding operation on a first word operator that removes an operator performed by a receiver using the ballast;
The method comprising the steps of:
제15항에 있어서,
상기 코드 워드를 작성하는 단계는,
상기 제2 워드 오퍼레이터가 하기 수학식 8을 만족하는 양자 오류 정정 부호를 구성하는 단계
를 포함하는 양자 오류 정정 부호 설계 방법.
[수학식 8]
Figure pat00051

Figure pat00052

(여기서, 상기 각각의 A, B는 상기 각각의 워드 오퍼레이터가 작동하는 서브 시스템에 대응 됨.)
16. The method of claim 15,
The step of generating the codeword comprises:
The second word operator configuring a quantum error correcting code satisfying the following equation (8)
The method comprising the steps of:
&Quot; (8) "
Figure pat00051

Figure pat00052

(Where each of A and B corresponds to a subsystem in which each of the word operators operates).
제9항 내지 제16항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.A computer-readable recording medium storing a program for performing the method of any one of claims 9 to 16.
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