验证图 Steane 码的生成子稳定 Steane 编码的码字

习题 10.32:验证图 10-6 中的生成子稳定 10.4.2 节所述 Steane 编码的码字

1. 问题理解

Steane 码是一种 CSS 码(Calderbank--Shor--Steane 码),它由两个经典线性码构造。在 Steane 码中,这两个经典码都取为相同的经典 汉明码。

稳定子码的一个核心性质是:每个码字 (编码逻辑量子态的量子态)必须是每一个稳定子生成元的 +1 本征态。也就是说,将一个生成元作用在码字上,码字保持不变。

2. 生成元与码字

Steane 码的六个稳定子生成元如下(按标准文献及本题图 10-6 给出):

名称 算符(7 个泡利矩阵的张量积)
g_1 (记为 IIIXXXX)
g_2 I (IXXIIXX)
g_3 (XIXIXIX)
g_4 (IIIZZZZ)
g_5 (IZZIIZZ)
g_6 (ZIZIZIZ)

逻辑码字的定义基于经典汉明码的码字集合。设 为经典 汉明码的所有 16 个码字(由 型生成元对应的比特串 0001111、0110011、1010101 张成)。两个逻辑量子态为:

即:⟩ 是所有 16 个经典码字的等幅叠加,⟩ 是对所有经典码字按位取反(与全 1 向量异或)后的等幅叠加。

3. 验证 型生成元(​)

对于 型生成元,它作用在计算基态 上的效果是:在生成元中为 的位置上翻转对应比特。这等价于:

其中 是该生成元 位置对应的比特掩码。

例如:​ 对应掩码 。

(1)作用在 上

​ 将每个基 映射为 。由于 本身就是 中的一个码字,因此 仍然跑遍整个 (只是顺序重排)。于是:

(2)作用在 上

同样, 跑遍 ,所以整体和不变,。

同理,​(掩码 0110011)和 ​(掩码 1010101)也都是 中的码字,因此完全类似地,它们分别稳定 和 。

4. 验证 型生成元(​)

对于 型生成元,它作用在计算基态 上会产生一个相位:若在生成元中为 的位置上, 的对应比特为 1 的个数为奇数,则相位为 ;偶数则为 。这个相位可以写成:

其中 是该生成元 位置对应的奇偶校验掩码, 是模 2 内积。

对于 Steane 码,掩码 恰好是经典汉明码奇偶校验矩阵的三行。

经典码的重要性质 : 是汉明码,它的每个码字 与奇偶校验矩阵的每一行的内积都是 0(模 2)。即:

(1)作用在 上

对所有 ,,因此每项相位为 。于是:

(2)作用在 |1_L\rangle∣1L​⟩ 上

此时基态为 。需要计算:

已知:

  • 。

  • 对于汉明码, 也是一个码字(实际上属于 ,因为汉明码包含全 1 向量?需要确认:对 汉明码,全 1 向量确实是一个码字,因为它的重量 7,且满足校验方程)。于是 。

因此 ,相位仍为 。所以:

5. 结论

  • 型生成元通过重排叠加态中的基矢(且重排后集合不变)来稳定码字。

  • 型生成元通过给每个基矢乘以 相位来稳定码字,因为基矢本身(以及按位取反后的基矢)与校验掩码的内积恒为 0。

因此,所有六个生成元 ​ 都满足 和 ,即它们确实稳定了 Steane 码的逻辑码字。证毕。

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