Quantum LDPC codes have attracted intense interest due to their advantageous properties for realizing efficient fault-tolerant quantum computing. In particular, sheaf codes represent a novel framework that encompasses all well-known good qLDPC codes with profound underlying mathematics. In this work, we generalize Poincaré duality from manifolds to both classical and quantum codes defined via sheaf theory on $t$-dimensional cell complexes. Viewing important code properties including the encoding rate, code distance, local testability soundness, and efficient decoders as parameters of the underlying (co)chain complexes, we rigorously prove a duality relationship between the $i$-th chain and the $(t-i)$-th cochain of sheaf codes. We further build multiplicative structures such as cup and cap products on sheaved chain complexes, inspired by the standard notions of multiplicative structures and Poincaré duality on manifolds. This immediately leads to an explicit isomorphism between (co)homology groups of sheaf codes via a cap product. As an application, we obtain transversal disjoint logical $\mathrm{C}Z$ gates with $k_{\mathrm{C}Z}=Θ(n)$ on families of good qLDPC and almost-good quantum locally testable codes. Moreover, we provide multiple new methods to construct transversal circuits composed of $\mathrm{C}\mathrm{C}Z$ gates as well as for higher order controlled-$Z$ that are provably logical operations on the code space. We conjecture that they generate nontrivial logical actions, pointing towards fault-tolerant non-Clifford gates on nearly optimal qLDPC sheaf codes. Mathematically, our results are built on establishing the equivalence between sheaf cohomology in the derived-functor sense, Čech cohomology, and the cohomology of sheaf codes, thereby introducing new mathematical tools into quantum coding theory.


翻译:量子LDPC码因其在实现高效容错量子计算方面的优越特性而受到广泛关注。特别地,层码(sheaf codes)作为一种新颖的框架,涵盖了所有已知的具有深刻数学基础的优质qLDPC码。本文中,我们将庞加莱对偶性从流形推广到通过$t$维胞复形上层理论定义的经典与量子码。通过将编码率、码距、局部可测试性可靠度以及高效解码器等关键码属性视为底层(上)链复形的参数,我们严格证明了层码的第$i$阶链与第$(t-i)$阶上链之间的对偶关系。进一步地,受流形上乘法结构与庞加莱对偶的标准概念启发,我们在层化链复形上构建了杯积(cup product)和帽积(cap product)等乘法结构。这直接通过帽积实现了层码(上)同调群之间的显式同构。作为应用,我们在优质qLDPC码族和近似优质的量子局部可测试码族上获得了具有$k_{\mathrm{C}Z}=Θ(n)$的横向不相交逻辑$\mathrm{C}Z$门。此外,我们提出了多种新方法来构建由$\mathrm{C}\mathrm{C}Z$门以及高阶受控$Z$门组成的横向电路,并证明这些电路在码空间上构成逻辑操作。我们推测这些操作会产生非平凡的逻辑作用,这为在近乎最优的qLDPC层码上实现容错非克利福德门指明了方向。在数学上,我们的结果建立在导出函子意义下的层上同调、Čech上同调与层码上同调之间的等价性之上,从而为量子编码理论引入了新的数学工具。

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