It is a major challenge to construct good quantum codes supporting fault-tolerant (e.g. transversal) non-Clifford gates with low-weight parity-check measurements. In this paper, we construct the first known quantum codes with linear dimension and distance supporting transversal non-Clifford gates that have sublinear locality (i.e. parity-check weight). Specifically, we construct codes with transversal $CCZ$ gates that have dimension and distance $\Theta(N)$ and locality $O(\sqrt{N})$, where $N$ denotes the block length. We furthermore design an efficient decoding algorithm for these codes. The alphabet size of these codes is $q=\Theta(\sqrt{N})$, but it can be reduced to a constant (e.g. $q=2$) while incurring a polylogarithmic loss in other parameters. We also show how to decrease the locality to $O(N^{1/3})$, albeit with a larger alphabet size and slightly lower distance. We construct these codes as products of classical codes with appropriate algebraic structure. While our quantum codes are subsystem codes with non-commuting gauge operators, we show they nevertheless permit error correction from noisy syndrome measurements. As byproducts, we prove multiple technical results of independent interest. In particular, our efficient decoder can be viewed as a new multivariate generalization of Prony's method for reconstructing a function from partial access to its Fourier transform. Meanwhile, our distance analysis involves new connections to the classical study of maximally recoverable codes. Our results on product codes also resolve a conjecture of Bravyi & Hastings (2014) in the large-alphabet regime, by providing a new construction of quantum codes with dimension and distance $\Theta(N)$ and locality $N^\epsilon$ for arbitrary $\epsilon>0$.


翻译:构造具有低权重奇偶校验测量且支持容错(例如横向)非克利福德门的优质量子码是一项重大挑战。本文中,我们构造了首个已知的具有线性维度和距离、支持具有亚线性局部性(即奇偶校验权重)的横向非克利福德门的量子码。具体而言,我们构造了具有横向$CCZ$门的码,其维度与距离为$\Theta(N)$,局部性为$O(\sqrt{N})$,其中$N$表示码块长度。此外,我们为这些码设计了一种高效的解码算法。这些码的字母表大小为$q=\Theta(\sqrt{N})$,但可以将其减小至常数(例如$q=2$),同时在其他参数上产生多对数损失。我们还展示了如何将局部性降低至$O(N^{1/3})$,尽管需要更大的字母表大小和略低的距离。我们通过将具有适当代数结构的经典码进行乘积来构造这些量子码。虽然我们的量子码是具有非对易规范算符的子系统码,但我们证明它们仍然允许从含噪校验子测量中进行纠错。作为副产品,我们证明了多个具有独立价值的技术性结果。特别地,我们的高效解码器可被视为一种新的多元推广的Prony方法,用于从部分访问其傅里叶变换来重构函数。同时,我们的距离分析涉及与经典最大可恢复码研究的新联系。我们在乘积码方面的结果也解决了Bravyi & Hastings (2014)在大字母表体系下的一个猜想,通过为任意$\epsilon>0$提供一种新的具有维度与距离$\Theta(N)$、局部性$N^\epsilon$的量子码构造。

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