This thesis intends to familiarise the reader with quantum error correction, and also show some relations to the well known concept of information - and the lesser known quantum information. Quantum information describes how information can be carried by quantum states, and how interaction with other systems give rise to a full set of quantum phenomena, many of which have no correspondence in classical information theory. These phenomena include decoherence, as a consequence of entanglement. Decoherence can also be understood as "information leakage", i.e., knowledge of an event is transferred to the reservoir - an effect that in general destroys superpositions of pure states. It is possible to protect quantum states (e.g., qubits) from interaction with the environment - but not by amplification or duplication, due to the "no-cloning" theorem. Instead, this is done using coding, non-demolition measurements, and recovery operations. In a typical scenario, however, not all types of destructive events are likely to occur, but only those allowed by the information carrier, the type of interaction with the environment, and how the environment "picks up" information of the error events. These characteristics can be incorporated into a code, i.e., a channel-adapted quantum error-correcting code. Often, it is assumed that the environment's ability to distinguish between error events is small, and I will denote such environments "memory-less". This assumption is not always valid, since the ability to distinguish error events is related to the \emph{temperature} of the environment, and in the particular case of information coded onto photons, <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?k_%7B%5Ctext%7BB%7D%7DT_%7B%5Ctext%7BR%7D%7D%5Cll%5Chbar%5Comega" /> typically holds, and one must then assume that the environment has a "memory". In this thesis, I describe a short quantum error-correcting code (QECC), adapted for photons interacting with a cold environment, i.e., this code protects from an environment that continuously records which error occurred in the coded quantum state. Also, it is of interest to compare the performance of different QECCs - But which yardstick should one use? We compare two such figures of merit, namely the quantum mutual information and the quantum fidelity, and show that they can not, in general, be simultaneously maximised in an error correcting procedure. To show this, we have used a five-qubit perfect code, but assumed a channel that only cause bit-flip errors. It appears that quantum mutual information is the better suited yardstick of the two, however more tedious to calculate than quantum fidelity - which is more commonly used. / Denna avhandling är en introduktion till kvantfelrättning, där jag undersöker släktskapet med teorin om klassisk information - men också det mindre välkända området kvantinformation. Kvantinformation beskriver hur information kan bäras av kvanttillstånd, och hur växelverkan med andra system ger upphov till åtskilliga typer av fel och effekter, varav många saknar motsvarighet i den klassiska informationsteorin. Bland dessa effekter återfinns dekoherens - en konsekvens av s.k. sammanflätning. Dekoherens kan också förstås som "informationsläckage", det vill säga att kunskap om en händelse överförs till omgivningen - en effekt som i allmänhet förstör superpositioner i rena kvanttillstånd. Det är möjligt att med hjälp av kvantfelrättning skydda kvanttillstånd (t.ex. qubitar) från omgivningens påverkan, dock kan sådana tillstånd aldrig förstärkas eller dupliceras, p.g.a icke-kloningsteoremet. Tillstånden skyddas genom att införa redundans, varpå tillstånden interagerar med omgivningen. Felen identifieras m.h.a. icke-förstörande mätningar och återställs med unitära grindar och ancilla-tillstånd.Men i realiteten kommer inte alla tänkbara fel att inträffa, utan dessa begränsas av vilken informationsbärare som används, vilken interaktion som uppstår med omgivningen, samt hur omgivningen "fångar upp" information om felhändelserna. Med kunskap om sådan karakteristik kan man bygga koder, s.k. kanalanpassade kvantfelrättande koder. Vanligtvis antas att omgivningens förmåga att särskilja felhändelser är liten, och man kan då tala om en minneslös omgivning. Antagandet gäller inte alltid, då denna förmåga bestäms av reservoirens temperatur, och i det speciella fall då fotoner används som informationsbärare gäller typiskt <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?k_%7B%5Ctext%7BB%7D%7DT_%7B%5Ctext%7BR%7D%7D%5Cll%5Chbar%5Comega" />, och vi måste anta att reservoiren faktiskt har ett "minne". I avhandlingen beskrivs en kort, kvantfelrättande kod som är anpassad för fotoner i växelverkan med en "kall" omgivning, d.v.s. denna kod skyddar mot en omgivning som kontinuerligt registrerar vilket fel som uppstått i det kodade tillståndet. Det är också av stort intresse att kunna jämföra prestanda hos kvantfelrättande koder, utifrån någon slags "måttstock" - men vilken? Jag jämför två sådana mått, nämligen ömsesidig kvantinformation, samt kvantfidelitet, och visar att dessa i allmänhet inte kan maximeras samtidigt i en felrättningsprocedur. För att visa detta har en 5-qubitarskod använts i en tänkt kanal där bara bitflip-fel uppstår, och utrymme därför finns att detektera fel. Ömsesidig kvantinformation framstår som det bättre måttet, dock är detta mått betydligt mer arbetskrävande att beräkna, än kvantfidelitet - som är det mest förekommande måttet. / <p>QC 20121206</p>
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-106795 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Almlöf, Jonas |
| Publisher | KTH, Kvantelektronik och -optik, QEO, Stockholm |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Licentiate thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/masterThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | Trita-FYS, 0280-316X ; 2012:19 |
Page generated in 0.0028 seconds