The threshold theorem is a fundamental result in the theory of fault-tolerant quantum computation stating that arbitrarily long quantum computations can be performed with a polylogarithmic overhead provided the noise level is below a constant level. A recent work by Fawzi, Grospellier and Leverrier (FOCS 2018) building on a result by Gottesman (QIC 2013) has shown that the space overhead can be asymptotically reduced to a constant independent of the circuit provided we only consider circuits with a length bounded by a polynomial in the width. In this work, using a minimal model for quantum fault tolerance, we establish a general lower bound on the space overhead required to achieve fault tolerance. For any non-unitary qubit channel $\mathcal{N}$ and any quantum fault tolerance schemes against $\mathrm{i.i.d.}$ noise modeled by $\mathcal{N}$, we prove a lower bound of $\max\left\{\mathrm{Q}(\mathcal{N})^{-1}n,\alpha_\mathcal{N} \log T\right\}$ on the number of physical qubits, for circuits of length $T$ and width $n$. Here, $\mathrm{Q}(\mathcal{N})$ denotes the quantum capacity of $\mathcal{N}$ and $\alpha_\mathcal{N}>0$ is a constant only depending on the channel $\mathcal{N}$. In our model, we allow for qubits to be replaced by fresh ones during the execution of the circuit and we allow classical computation to be free and perfect. This improves upon results that assumed classical computations to be also affected by noise, and that sometimes did not allow for fresh qubits to be added. Along the way, we prove an exponential upper bound on the maximal length of fault-tolerant quantum computation with amplitude damping noise resolving a conjecture by Ben-Or, Gottesman, and Hassidim (2013).


翻译:阈值是断分量计算理论的基本结果, 该理论指出任意长量计算可以使用多面性电流进行, 只要噪音水平低于恒定水平。 Fawzi、 Grospellier 和 Leverrier (FOCS 2018) 最近在Gottesman (QIC 2013) 的结果下开展的工作表明, 空间成本可以自动降低为恒定独立电路。 只要我们考虑的电路长度受宽度多面性约束的电路 。 在这项工作中, 使用最小的量性能容忍度模型进行任意长量量的量量计算。 对于任何非统一型Qbit 频道 $\ mathcal{N} 和任何量级差度容忍计划来说, 以 $mcall{N} 为模型, 我们只能用 $maxx mal_ma} 和 美元直流量量的量流流流流流到 美元, 也只能用 美元到 美元直径直径的量的量 。

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