The non-linear binary Kerdock codes are known to be Gray images of certain extended cyclic codes of length $N = 2^m$ over $\mathbb{Z}_4$. We show that exponentiating these $\mathbb{Z}_4$-valued codewords by $\imath \triangleq \sqrt{-1}$ produces stabilizer states, that are quantum states obtained using only Clifford unitaries. These states are also the common eigenvectors of commuting Hermitian matrices forming maximal commutative subgroups (MCS) of the Pauli group. We use this quantum description to simplify the derivation of the classical weight distribution of Kerdock codes. Next, we organize the stabilizer states to form $N+1$ mutually unbiased bases and prove that automorphisms of the Kerdock code permute their corresponding MCS, thereby forming a subgroup of the Clifford group. When represented as symplectic matrices, this subgroup is isomorphic to the projective special linear group PSL($2,N$). We show that this automorphism group acts transitively on the Pauli matrices, which implies that the ensemble is Pauli mixing and hence forms a unitary $2$-design. The Kerdock design described here was originally discovered by Cleve et al. (arXiv:1501.04592), but the connection to classical codes is new which simplifies its description and translation to circuits significantly. Sampling from the design is straightforward, the translation to circuits uses only Clifford gates, and the process does not require ancillary qubits. Finally, we also develop algorithms for optimizing the synthesis of unitary $2$-designs on encoded qubits, i.e., to construct logical unitary $2$-designs. Software implementations are available at https://github.com/nrenga/symplectic-arxiv18a, which we use to provide empirical gate complexities for up to $16$ qubits.


翻译:非线性二进制 Kerdock 代码已知是某些远期的复杂循环代码的灰色图像 $N = 2mm美元 超过 $mathbb = 4美元。 我们显示, $\ mathbb = 4美元 价值为4美元 的代码代表了这些 $\ mathbqqq \ sqrt{-1} 值的代码 稳定状态。 这些是仅使用 Clifford 单位获得的量级状态。 这些国家也是将赫米蒂亚基基基基基基基基基基基流转换成 。 这个基量描述为 最大流基流基流基/ 基流基流基, 我们用这个量描述的 PSL( 2, Nationald) 基流基流分解, 因此, 我们组织稳定州组成了 $N+1 共和基流基流基流化的自动形态, 以 IMFI 格式组成。

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