(English) The main focus of this thesis are stabilizer codes, a type of error-correcting code used to correct quantum information that has been corrupted by noise. We introduce several new general constructions of stabilizer codes. In particular we use one of the constructions to construct quantum cyclic redundancy check codes, an error-correcting code which is used in classical information to correct burst errors. We show how to use a quantum version of such codes to correct burst errors on systems of quantum bits. We include a geometric description of stabilizer codes, extending previous constructions which work only for the qubit case to quantum systems in which the quantum particles have local dimension p, where p is any prime number. Finally, we reduce the problem of ascertaining when a generalised Reed-Solomon code is contained in its Hermitian dual and therefore can be used to construct a stabilizer code. This reduction allows us to determine the shortest and longest length of generalised Reed-Solomon codes which are contained in their Hermitian dual, verifying a conjecture of Grassl and Rotteler. (Català) El tema principal d'aquesta tesi són els codis estabilitzadors, un tipus de codi de correcció d'errors utilitzat per corregir la informació quàntica que ha estat corrompuda pel soroll. Introduïm diverses noves construccions generals de codis estabilitzadors. En particular, usem una d'aquestes construccions per definir codis CRC, un codi de correcció d'errors que s'usa en informació clàssica per corregir ràfegues d'errors. Mostrem com usar una versió quàntica d'aquests codis per corregir errors en ràfegues en sistemes de bits quàntics. Incloem una descripció geomètrica dels codis estabilitzadors, ampliant construccions prèvies que només funcionen per al cas de qubits a sistemes quàntics en què les partícules tenen dimensió local p, on p és qualsevol nombre primer. Finalment, reduïm el problema de determinar quan un codi de Reed-Solomon generalitzat està contingut en el seu dual hermític i, per tant, pot ser utilitzat per construir un codi estabilitzador. Aquesta reducció ens permet determinar la longitud més curta i més llarga dels codis de Reed-Solomon generalitzats que estan continguts en el seu dual hermític, verificant una conjectura de Grassl i Rötteler. (Español) El enfoque principal de esta tesis son los códigos estabilizadores, un tipo de código de corrección de errores utilizado para corregir la información cuántica que ha sido corrompida por el ruido. Introducimos varias nuevas construcciones generales de códigos estabilizadores. En particular, utilizamos una de estas construcciones para definir códigos de CRC cuánticos, un código de corrección de errores que se utiliza en información clásica para corregir errores en ráfaga. Mostramos cómo utilizar una versión cuántica de dichos códigos para corregir errores en ráfaga en sistemas de bits cuánticos. Incluimos una descripción geométrica de los códigos estabilizadores, ampliando construcciones previas que solo funcionan para el caso de qubits a sistemas cuánticos en los que las partículas cuánticas tienen dimensión local p, donde p es cualquier número primo. Finalmente, reducimos el problema de determinar cuándo un código de Reed-Solomon generalizado está contenido en su dual hermitiano y, por lo tanto, puede ser utilizado para construir un código estabilizador. Esta reducción nos permite determinar la longitud más corta y más larga de los códigos de Reed-Solomon generalizados que están contenidos en su dual hermitiano, verificando una conjetura de Grassl y Rötteler.
(English) The main focus of this thesis are stabilizer codes, a type of error-correcting code used to correct quantum information that has been corrupted by noise. We introduce several new general constructions of stabilizer codes. In particular we use one of the constructions to construct quantum cyclic redundancy check codes, an error-correcting code which is used in classical information to correct burst errors. We show how to use a quantum version of such codes to correct burst errors on systems of quantum bits. We include a geometric description of stabilizer codes, extending previous constructions which work only for the qubit case to quantum systems in which the quantum particles have local dimension p, where p is any prime number. Finally, we reduce the problem of ascertaining when a generalised Reed-Solomon code is contained in its Hermitian dual and therefore can be used to construct a stabilizer code. This reduction allows us to determine the shortest and longest length of generalised Reed-Solomon codes which are contained in their Hermitian dual, verifying a conjecture of Grassl and Rotteler. (Català) El tema principal d'aquesta tesi són els codis estabilitzadors, un tipus de codi de correcció d'errors utilitzat per corregir la informació quàntica que ha estat corrompuda pel soroll. Introduïm diverses noves construccions generals de codis estabilitzadors. En particular, usem una d'aquestes construccions per definir codis CRC, un codi de correcció d'errors que s'usa en informació clàssica per corregir ràfegues d'errors. Mostrem com usar una versió quàntica d'aquests codis per corregir errors en ràfegues en sistemes de bits quàntics. Incloem una descripció geomètrica dels codis estabilitzadors, ampliant construccions prèvies que només funcionen per al cas de qubits a sistemes quàntics en què les partícules tenen dimensió local p, on p és qualsevol nombre primer. Finalment, reduïm el problema de determinar quan un codi de Reed-Solomon generalitzat està contingut en el seu dual hermític i, per tant, pot ser utilitzat per construir un codi estabilitzador. Aquesta reducció ens permet determinar la longitud més curta i més llarga dels codis de Reed-Solomon generalitzats que estan continguts en el seu dual hermític, verificant una conjectura de Grassl i Rötteler. (Español) El enfoque principal de esta tesis son los códigos estabilizadores, un tipo de código de corrección de errores utilizado para corregir la información cuántica que ha sido corrompida por el ruido. Introducimos varias nuevas construcciones generales de códigos estabilizadores. En particular, utilizamos una de estas construcciones para definir códigos de CRC cuánticos, un código de corrección de errores que se utiliza en información clásica para corregir errores en ráfaga. Mostramos cómo utilizar una versión cuántica de dichos códigos para corregir errores en ráfaga en sistemas de bits cuánticos. Incluimos una descripción geométrica de los códigos estabilizadores, ampliando construcciones previas que solo funcionan para el caso de qubits a sistemas cuánticos en los que las partículas cuánticas tienen dimensión local p, donde p es cualquier número primo. Finalmente, reducimos el problema de determinar cuándo un código de Reed-Solomon generalizado está contenido en su dual hermitiano y, por lo tanto, puede ser utilizado para construir un código estabilizador. Esta reducción nos permite determinar la longitud más corta y más larga de los códigos de Reed-Solomon generalizados que están contenidos en su dual hermitiano, verificando una conjetura de Grassl y Rötteler.
(English) Quantum computers use the laws of quantum mechanics to do complex operations that classical computers can't solve. Quantum computers and other physical quantum systems require quantum information to be completely isolated from the environment in order to be perfectly functional. Quantum systems that are not completely isolated suffer from decoherence noise and may suffer from errors. Implementing these systems is a huge challenge and development of suboptimal systems with a low error rate seems to be the best way forward to building these systems. In quantum communications, designing codes that are able to reduce or protect against errors is a necessity. This work focuses on perfect and quasi-perfect quantum codes, which are a family of codes that exists in the classical setting and are optimum in terms of minimizing the error probability for a given number of channel uses. In the first part of the work we generalize the definition of quasi-perfect codes to include both classical codes and quantum codes. We also provide an example of a quantum quasi-perfect code for 2-qubits classical-quantum channels that make use of quantum entanglement and that can be extrapolated to an N-dimensional classical-quantum channel. The second part of this work focuses on quasi-perfect codes in optical communications, where coherent states are used to convey information through an optical channel, known as the Bosonic channel. The Bosonic channel has infinite dimension, so instead we consider a finite-dimensional approximation of the Bosonic channel with a negligible approximation error for a sufficiently large channel dimension. We show that phase-modulated coherent states constitute a codebook that is quasi-perfect for the approximated channel, and thus are close to optimal for the Bosonic channel. The last part of the work focuses on stabilizer error correction codes, which are practical codes that use redundancy to protect against errors. Error correction is not specifically used to transmit classical information, but to protect quantum information instead. However, it is possible that we require to obtain classical information from a quantum state after performing error correction. For these particular cases we may be able to prove that an error correction code is quasi-perfect and thus optimum. (Català) Els ordinadors quàntics fan servir les lleis de la mecànica quàntica per a realitzar operacions complexes que els ordinadors clàssics no poden resoldre. Els ordinadors quàntics i els altres sistemes quàntics requereixen que la informació quàntica estigui completament aïllada de l'entorn per tal de ser perfectament funcionals. Els sistemes quàntics que no estan completament aïllats són afectats per soroll de decoherència i poden patir errors. Implementar aquests sistemes és un gran repte i l'única manera de construir sistemes quàntics és desenvolupar sistemes subòptims amb una taxa d'error baixa. En comunicacions quàntiques, dissenyar codis capaços de reduir o protegir contra errors és una necessitat. Aquest treball es centra en codis quàntics perfectes i quasi-perfectes que ja existeixen en sistemes clàssics i que són òptims en termes de minimitzar la probabilitat d'error per un determinat nombre d'usos del canal. A la primera part del treball generalitzem la definició de codis quasi-perfectes per incloure codis clàssics i codis quàntics. També proveïm un exemple de codi quàntic quasi-perfecte per a canals clàssic-quàntics de 2-qubits que fa servir entrellaçat quàntic i que pot extrapolar-se a un canal de dimensió N. La segona part d'aquest treball es centra en codis quasi-perfectes en comunicacions òptiques, on estats coherents es fan servir per a transmetre informació a través d'un canal òptic, conegut com a canal Bosònic. El canal Bosònic té dimensió infinita, per això considerem en canvi una aproximació del canal Bosònic de dimensió finita, amb un error d'aproximació negligible amb una dimensió de canal suficientment gran. Demostrem que una modulació de fase dels estats coherents constitueix un codi quasi-perfecte pel canal aproximat, i per tant és pràcticament òptim per al canal Bosònic. L'última part del treball es centra en codis estabilitzadors de correcció d'errors, que són codis pràctics que fan servir redundància per a protegir contra errors. La correcció d'errors no es fa servir específicament per a transmetre informació clàssica, sinó per a protegir la informació quàntica. Tot i això, és possible que requerim obtenir informació clàssica d'un estat quàntic després de fer servir correcció d'errors. Per a aquests casos, pot ser possible demostrar que un codi de correcció d'errors és quasi-perfecte i per tant òptim. (Español) Los ordenadores cuánticos hacen uso de las leyes de la mecánica cuántica para realizar operaciones complejas que los ordenadores clásicos no pueden resolver. Los ordenadores cuánticos y otros sistemas cuánticos requieren que la información cuántica esté completamente aislada del entorno para poder ser perfectamente funcionales. Los sistemas cuánticos que no están completamente aislados son afectados por ruido de decoherencia y pueden sufrir errores. Implementar estos sistemas es un gran reto y la única manera de construir sistemas cuánticos es desarrollar sistemas subóptimos con una tasa de error baja. En comunicaciones cuánticas, diseñar códigos capaces de reducir o proteger contra errores es una necesidad. Este trabajo se centra en códigos cuánticos perfectos y quasi-perfectos que ya existen en sistemas clásicos y que son óptimos en términos de minimizar la probabilidad de error para un determinado número de usos del canal. En la primera parte del trabajo generalizamos la definición de códigos quasi-perfectos para incluir códigos clásicos y códigos cuánticos. También proveemos un ejemplo de código cuántico quasi-perfecto para canales clásico-cuánticos de 2-qubits que usa entrelazado cuántico y que puede extrapolarse a un canal de dimensión N. La segunda parte de este trabajo se centra en códigos quasi-perfectos en comunicaciones ópticas, donde se usan estados coherentes para transmitir información a través de un canal óptico, conocido como canal Bosónico. El canal Bosónico tiene dimensión infinita, por eso consideramos en cambio una aproximación del canal Bosónico de dimensión finita, con un error de aproximación negligible con una dimensión del canal suficientemente grande. Demostramos que una modulación de fase de los estados coherentes constituye un código quasi-perfecto para el canal aproximado y, por lo tanto es prácticamente óptimo para el canal Bosónico. La última parte del trabajo se centra en códigos estabilizadores de corrección de errores, que son códigos prácticos que usan redundancia para proteger contra errores. La corrección de errores no se usa específicamente para transmitir información clásica, sino para proteger la información cuántica. Aún así, es posible que requiramos obtener información clásica de un estado cuántico después de usar corrección de errores. Para estos casos, puede ser posible demostrar que un código de corrección de errores es quasi-perfecto y, por lo tanto, óptimo.
The importance of quantum error correction in paving the way to build a practical quantum computer is no longer in doubt. This dissertation makes a threefold contribution to the mathematical theory of quantum error-correcting codes. Firstly, it extends the framework of an important class of quantum codes -- nonbinary stabilizer codes. It clarifies the connections of stabilizer codes to classical codes over quadratic extension fields, provides many new constructions of quantum codes, and develops further the theory of optimal quantum codes and punctured quantum codes. Secondly, it contributes to the theory of operator quantum error correcting codes also called as subsystem codes. These codes are expected to have efficient error recovery schemes than stabilizer codes. This dissertation develops a framework for study and analysis of subsystem codes using character theoretic methods. In particular, this work establishes a close link between subsystem codes and classical codes showing that the subsystem codes can be constructed from arbitrary classical codes. Thirdly, it seeks to exploit the knowledge of noise to design efficient quantum codes and considers more realistic channels than the commonly studied depolarizing channel. It gives systematic constructions of asymmetric quantum stabilizer codes that exploit the asymmetry of errors in certain quantum channels.
En esta tesis estudiamos dos temas relacionados con la informacion cuantica y la topologia: los superconductores topologicos y la correccion cuantica topologica de errores.
Los superconductores topologicos han sido ampliamente estudiados, hecho parcialmente motivado por la busqueda de fermiones de Majorana en sistemas de materia condensada. Estas cuasiparticulas son anyones no abelianos y se pueden utilizar para el procesamiento de informacion cuantica. Recientemente se han presentado varias propuestas y experimentos en los que se obtienen superconductores topologicos mediante la construccion de heteroestructuras. Dichas heteroestructuras generalmente consisten en un superconductor de onda s acoplado a un semiconductor. En la primera publicacion exploramos la posibilidad de disenar un superconductor topologico utilizando un superconductor padre de onda d acoplado a un gas de electrones bidimensional con interaccion de espin-orbita y un campo Zeeman. Hallamos una expresion analitica de los estados de Majorana y comparamos estos resultados con los obtenidos cuando se usa un superconductor de onda s convencional. Observamos que, a pesar de la dependencia angular del acoplo de onda d, la localizacion de los fermiones de Majorana es muy similar para el mismo valor de la constante de acoplo superconductora. Puesto que los superconductores de onda d corresponden en general a superconductores de alta temperatura y, por consiguiente, con un valor mucho mayor para el acoplo superconductor, podemos esperar una localizacion mas pronunciada para este tipo de configuraciones. Ademas, empleamos un invariante topologico que muestra la naturaleza topologica del superconductor y verificamos la robustez de los modos de energia cero frente el ruido estatico. La segunda publicacion investiga otras interacciones superconductoras mas exoticas: acoplamientos sin nodos compatibles con la simetria de un cristal tetragonal. Calculamos el diagrama de fases topologicas en presencia de un campo Zeeman y acoplamiento espin-orbita. Asimismo, analizamos en detalle los altos numeros de Chern obtenidos, los modos de borde masivo y los modos de energia cero.
La correccion cuantica de errores es una elemento esencial en la consecucion ordenadores cuanticos tolerantes a fallos. Los codigos topologicos de correccion cuantica de errores se destacan como uno de los candidatos mas eficientes y prometedores para lograr este ultimo fin. La tercera publicacion utiliza la conexion entre los ordenes topologicos y los codigos topologicos de correccion de errores para definir un nuevo codigo topologico, basado en el modelo del doble semion. Usamos una version modificada de los operadores de plaqueta del modelo del doble semion para construir los operadores de cadena y los operadores logicos necesarios para una memoria cuantica. El codigo resultante se ajusta al formalismo del estabilizador, pero no es un codigo formado por operadores de Pauli ni CSS. En la cuarta publicacion exploramos mas a fondo el codigo desarrollado en la tercera publicacion y obtenemos el umbral de error para dos tipos de ruido: el ruido independiente de inversion de bits y fases, y el ruido de despolarizacion. Si bien esta tarea generalmente se aborda realizando un mapeo a un modelo mecanico estadistico, la estructura de los operadores de plaquetas hace que este sea demasiado complejo. En su lugar, aprovechamos el rendimiento casi optimo de algunos decodificadores neuronales para calcular los valores de umbral. Tambien hacemos una comparacion con el codigo torico de Kitaev y constatamos la presencia de algunas diferencias como consecuencia de que el codigo semionico no esta compuesto unicamente de operadores de Pauli. Por ultimo, comparamos el rendimiento de perceptrones multicapa y redes neuronales convolucionales para la tarea de decodificacion, encontrando que las segundas son mas apropiadas para efectuar esta tarea.
The goal of this paper is to provide a self contained detailed and rigorous mathematical introduction to some aspects of the quantum error-correcting codes and especially quantum stabilizer codes without venturing much, if at all, into the world of physics. While most of the results presented are not new, it is not easy to extract a precise mathematical formulation of results and to provide their rigorous proofs by reading the vast number of papers in the field, quite a few of which are written by computer scientists or physicists. It is this formulation and proofs - quite a few of of them new - that we present here. The connections between (a) quantum stabilizer codes and classical self-orthogonal codes and (b) between error correction and error detection have been established in details. Techniques from algebra of finite fields as well as representations of finite abelian groups have been employed here.
Studying entanglement is essential for our understanding of such diverse areas as high-energy physics, condensed matter physics, and quantum optics. Moreover, entanglement allows us to surpass classical physics and technologies enabling better information processing, computation, and improved metrology. Recently, entanglement also played a prominent role in characterizing and simulating quantum many-body states and in this way deepened our understanding of quantum matter. While bipartite entanglement is well understood, multipartite entanglement is much richer and leads to stronger contradictions with classical physics. Among all possible entangled states, a special class of states has attracted attention for a wide range of tasks. These states are called k-uniform states and are pure multipartite quantum states of n parties and local dimension q with the property that all of their reductions to k parties are maximally mixed. Operationally, in a k-uniform state any subset of at most k parties is maximally entangled with the rest. The k = bn/2c-uniform states are called absolutely maximally entangled because they are maximally entangled along any splitting of the n parties into two groups. These states find applications in several protocols and, in particular, are the building blocks of quantum error correcting codes with a holographic geometry, which has provided valuable insight into the connections between quantum information theory and conformal field theory. Their properties and the applications are however intriguing, as we know little about them: when they exist, how to construct them, how they relate to other multipartite entangled states, such as graph states, or how they connect under local operations and classical communication. With this motivation in mind, in this thesis we first study the properties of k-uniform states and then present systematic methods to construct closed-form expressions of them. The structure of our methods proves to be particularly fruitful in understanding the structure of these quantum states, their graph-state representation and classification under local operations and classical communication. We also construct several examples of absolutely maximally entangled states whose existence was open so far. Finally, we explore a new family of quantum error correcting codes that generalize and improve the link between classical error correcting codes, multipartite entangled states, and the stabilizer formalism. The results of this thesis can have a role in characterizing and studying the following three topics: multipartite entanglement, classical error correcting codes and quantum error correcting codes. The multipartite entangled states can provide a link to find different resources for quantum information processing tasks and quantify entanglement. Constructing two sets of highly entangled multipartite states, it is important to know if they are equivalent under local operations and classical communication. By understanding which states belong to the same class of quantum resource, one may discuss the role they play in some certain quantum information tasks like quantum key distribution, teleportation and constructing optimum quantum error correcting codes. They can also be used to explore the connection between the Antide Sitter/Conformal Field Theory holographic correspondence and quantum error correction, which will then allow us to construct better quantum error correcting codes. At the same time, their roles in the characterization of quantum networks will be essential to design functional networks, robust against losses and local noise. El estudio del entrelazamiento cuántico es esencial para la comprensión de diversas áreas como la óptica cuántica, la materia condensada e incluso la física de altas energías. Además, el entrelazamiento nos permite superar la física y tecnologías clásicas llevando a una mejora en el procesado de la información, la computación y la metrología. Recientemente se ha descubierto que el entrelazamiento desarrolla un papel central en la caracterización y simulación de sistemas cuánticos de muchos cuerpos, de esta manera facilitando nuestra comprensión de la materia cuántica. Mientras que se tiene un buen conocimiento del entrelazamiento en estados puros bipartitos, nuestra comprensión del caso de muchas partes es mucho más limitada, a pesar de que sea un escenario más rico y que presenta un contraste más fuerte con la física clásica. De entre todos los posibles estados entrelazados, una clase especial ha llamado la atención por su amplia gama de aplicaciones. Estos estados se llaman k-uniformes y son los estados multipartitos de n cuerpos con dimensión local q con la propiedad de que todas las reducciones a k cuerpos son máximamente desordenadas. Operacionalmente, en un estado k-uniforme cualquier subconjunto de hasta k cuerpos está máximamente entrelazado con el resto. Los estados k = n/2 -uniformes se llaman estados absolutamente máximamente entrelazados porque son máximamente entrelazados respecto a cualquier partición de los n cuerpos en dos grupos. Estos estados encuentran aplicaciones en varios protocolos y, en particular, forman los elementos de base para la construcción de los códigos de corrección de errores cuánticos con geometría holográfica, los cuales han aportado intuición importante sobre la conexión entre la teoría de la información cuántica y la teoría conforme de campos. Las propiedades y aplicaciones de estos estados son intrigantes porque conocemos poco sobre las mismas: cuándo existen, cómo construirlos, cómo se relacionan con otros estados con entrelazamiento multipartito, cómo los estados grafo, o como se relacionan mediante operaciones locales y comunicación clásica. Con esta motivación en mente, en esta tesis primero estudiamos las propiedades de los estados k-uniformes y luego presentamos métodos sistemáticos para construir expresiones cerradas de los mismos. La naturaleza de nuestros métodos resulta ser muy útil para entender la estructura de estos estados cuánticos, su representación como estados grafo y su clasificación bajo operaciones locales y comunicación clásica. También construimos varios ejemplos de estados absolutamente máximamente entrelazados, cuya existencia era desconocida. Finalmente, exploramos una nueva familia de códigos de corrección de errores cuánticos que generalizan y mejoran la conexión entre los códigos de corrección de errores clásicos, los estados entrelazados multipartitos y el formalismo de estabilizadores. Los resultados de esta tesis pueden desarrollar un papel importante en la caracterización y el estudio de las tres siguientes áreas: entrelazamiento multipartito, códigos de corrección de errores clásicos y códigos de corrección de errores cuánticos. Los estados de entrelazamiento multipartito pueden aportar una conexión para encontrar diferentes recursos para tareas de procesamiento de la información cuántica y cuantificación del entrelazamiento. Al construir dos conjuntos de estados multipartitos altamente entrelazados, es importante saber si son equivalentes entre operaciones locales y comunicación clásica. Entendiendo qué estados pertenecen a la misma clase de recurso cuántico, se puede discutir qué papel desempeñan en ciertas tareas de información cuántica, como la distribución de claves criptográficas cuánticas, la teleportación y la construcción de códigos de corrección de errores cuánticos óptimos. También se pueden usar para explorar la conexión entre la correspondencia holográfica Anti-de Sitter/Conformal Field Theory y códigos de corrección de errores cuánticos, que nos permitiría construir mejores códigos de corrección de errores. A la vez, su papel en la caracterización de redes cuánticas será esencial en el diseño de redes funcionales, robustas ante pérdidas y ruidos locales.
We prove that certain classical cyclic redundancy check codes can be used for classical error correction and not just classical error detection. We extend the idea of classical cyclic redundancy check codes to quantum cyclic redundancy check codes. This allows us to construct quantum stabilizer codes which can correct burst errors where the burst length attains the quantum Reiger bound. We then consider a certain family of quantum cyclic redundancy check codes for which we present a fast linear time decoding algorithm.