In order to perform universal fault-tolerant quantum computation, one needs to implement a logical non-Clifford gate. Consequently, it is important to understand codes that implement such gates transversally. In this paper, we adopt an algebraic approach to characterize all stabilizer codes for which transversal $T$ and $T^{-1}$ gates preserve the codespace. Our Heisenberg perspective reduces this to a finite geometry problem that translates to the design of certain classical codes. We prove three corollaries: (a) For any non-degenerate $[[ n,k,d ]]$ stabilizer code supporting a physical transversal $T$, there exists an $[[ n,k,d ]]$ CSS code with the same property; (b) Triorthogonal codes are the most general CSS codes that realize logical transversal $T$ via physical transversal $T$; (c) Triorthogonality is necessary for physical transversal $T$ on a CSS code to realize the logical identity. The main tool we use is a recent efficient characterization of certain diagonal gates in the Clifford hierarchy (arXiv:1902.04022). We refer to these gates as Quadratic Form Diagonal (QFD) gates. Our framework generalizes all existing code constructions that realize logical gates via transversal $T$. We provide several examples and briefly discuss connections to decreasing monomial codes, pin codes, generalized triorthogonality and quasitransversality. We partially extend these results towards characterizing all stabilizer codes that support transversal $\pi/2^{\ell}$ $Z$-rotations. In particular, using Ax's theorem on residue weights of polynomials, we provide an alternate characterization of logical gates induced by transversal $\pi/2^{\ell}$ $Z$-rotations on a family of quantum Reed-Muller codes. We also briefly discuss a general approach to analyze QFD gates that might lead to a characterization of all stabilizer codes that support any given physical transversal $1$- or $2$-local diagonal gate.


翻译:为了执行通用的不误差量计算, 需要执行一个符合逻辑的非利弗福德门。 因此, 有必要理解执行这些门的代码。 在本文中, 我们采用一种代数法来描述所有稳定码的特性, 这些稳定码的跨转美元T$和$T ⁇ -1美元门保存了代码。 我们的海森堡观点将它降低到一个有限的几何学问题, 将它转化为某些经典代码的设计。 我们证明三种曲解:(a) 任何非下降的[ n, k, d] 美元稳定码用于支持物理透明化的门门 。 用于支持物理透明化的门的 美元 。 我们使用的主要工具是 $[ n, k, d] CSS 代码以相同的属性来描述所有稳定码 。

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