Designing encoding and decoding circuits to reliably send messages over many uses of a noisy channel is a central problem in communication theory. When studying the optimal transmission rates achievable with asymptotically vanishing error it is usually assumed that these circuits can be implemented using noise-free gates. While this assumption is satisfied for classical machines in many scenarios, it is not expected to be satisfied in the near term future for quantum machines where decoherence leads to faults in the quantum gates. As a result, fundamental questions regarding the practical relevance of quantum channel coding remain open. By combining techniques from fault-tolerant quantum computation with techniques from quantum communication, we initiate the study of these questions. We introduce fault-tolerant versions of quantum capacities quantifying the optimal communication rates achievable with asymptotically vanishing total error when the encoding and decoding circuits are affected by gate errors with small probability. Our main results are threshold theorems for the classical and quantum capacity: For every quantum channel $T$ and every $\epsilon>0$ there exists a threshold $p(\epsilon,T)$ for the gate error probability below which rates larger than $C-\epsilon$ are fault-tolerantly achievable with vanishing overall communication error, where $C$ denotes the usual capacity. Our results are not only relevant in communication over large distances, but also on-chip, where distant parts of a quantum computer might need to communicate under higher levels of noise than affecting the local gates.


翻译:设计编码和解码电路以可靠地发送使用噪音频道的许多用途的信息,这是通信理论中的一个中心问题。当研究在无噪音的消失错误中可以实现的最佳传输率时,通常假定这些电路可以使用无噪音的门来实施。虽然许多情况下古典机器的这一假设是令人满意的,但对于音量机器来说,在近期内,如果音量机的脱色导致量子门的错误,则预计无法满足。因此,关于量子频道编码的实际相关性的基本问题仍然开放。通过将可防错量量量量量计算技术与量子通信技术相结合,我们开始研究这些问题。我们引入了耐错量能力版本,在编码和解码电路受到门错误影响时,可以以无噪音的方式将最佳通信率量化。我们的主要结果是,对于每个量量子频道的美元和每美元分量子频道的实用相关性 >0美元,通过量子计算出一个门槛($\ epslon,T) 与量子通信技术的计算方法,我们开始研究这些问题。我们引进的量子容量能力,在距离以下的错误率比C高的频率大的情况下,其速度的频率的概率可能超过美元。

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