Understanding Stabilizer Codes Under Local Decoherence Through a General Statistical Mechanics Mapping
Abstract: We consider the problem of a generic stabilizer Hamiltonian under local, incoherent Pauli errors. Using two different approaches -- (i) Haah's polynomial formalism arXiv:1204.1063 and (ii) the homological perspective on CSS codes -- we construct a mapping from the $n$th moment of the decohered ground state density matrix to a classical statistical mechanics model. We demonstrate that various measures of information capacity -- (i) quantum relative entropy, (ii) coherent information, and (iii) entanglement negativity -- map to thermodynamic quantities in the statistical mechanics model and can be used to characterize the decoding phase transition. As examples, we analyze the 3D toric code and X-cube model, deriving bounds on their optimal decoding thresholds and gaining insight into their information properties under decoherence. Additionally, we demonstrate that the SM mapping acts an an "ungauging" map; the classical models that describe a given code under decoherence also can be gauged to obtain the same code. Finally, we comment on correlated errors and non-CSS stabilizer codes.
- A. Kitaev, Annals of Physics 303, 2–30 (2003).
- C. Mochon, Physical Review A 67, 10.1103/physreva.67.022315 (2003).
- S. Das Sarma, M. Freedman, and C. Nayak, Physical Review Letters 94, 10.1103/physrevlett.94.166802 (2005).
- D. Gottesman, Stabilizer codes and quantum error correction (1997), arXiv:quant-ph/9705052 [quant-ph] .
- H. BombÃn, Communications in Mathematical Physics 327, 387–432 (2014).
- J. Haah, Journal of Mathematical Physics 62, 012201 (2021), https://pubs.aip.org/aip/jmp/article-pdf/doi/10.1063/5.0021068/15978399/012201\_1\_online.pdf .
- C. Chamon, Physical Review Letters 94, 040402 (2005), arxiv:cond-mat/0404182 .
- J. Haah, Physical Review A 83, 10.1103/physreva.83.042330 (2011).
- B. Yoshida, Physical Review B 88, 10.1103/physrevb.88.125122 (2013).
- S. Vijay, J. Haah, and L. Fu, Physical Review B 92, 235136 (2015).
- S. Vijay, J. Haah, and L. Fu, Physical Review B 94, 235157 (2016).
- P. Panteleev and G. Kalachev, Asymptotically Good Quantum and Locally Testable Classical LDPC Codes (2022a), arxiv:2111.03654 [quant-ph] .
- P. Panteleev and G. Kalachev, IEEE Transactions on Information Theory 68, 213 (2022b), arxiv:2012.04068 [quant-ph] .
- C. Wang, J. Harrington, and J. Preskill, Annals of Physics 303, 31 (2003), arxiv:quant-ph/0207088 .
- C. T. Chubb and S. T. Flammia, Annales de l’Institut Henri Poincaré D 8, 269 (2021), arxiv:1809.10704 [cond-mat, physics:quant-ph] .
- Y.-H. Chen and T. Grover, Separability transitions in topological states induced by local decoherence (2023), arXiv:2309.11879 [quant-ph] .
- A. Y. Kitaev, Russian Mathematical Surveys 52, 1191 (1997).
- H. Bombin and M. A. Martin-Delgado, Journal of Mathematical Physics 48, 10.1063/1.2731356 (2007).
- S. Bravyi and M. B. Hastings, Homological Product Codes (2013), arxiv:1311.0885 [quant-ph] .
- A. Hamma, P. Zanardi, and X.-G. Wen, Physical Review B 72, 10.1103/physrevb.72.035307 (2005).
- C. Castelnovo and C. Chamon, Physical Review B 78, 10.1103/physrevb.78.155120 (2008).
- K. P. Michnicki, Physical Review Letters 113, 130501 (2014).
- F. J. Wegner, Journal of Mathematical Physics 12, 2259 (1971).
- J. B. Kogut, Reviews of Modern Physics 51, 659 (1979).
- J. Haah, Revista Colombiana de Matemáticas 50, 299 (2017).
- A. Rényi, in Proceedings of the Fourth Berkeley Symposium on Mathematical Statistics and Probability, Volume 1: Contributions to the Theory of Statistics, Vol. 4 (University of California Press, 1961) pp. 547–562.
- H. Umegaki, Kodai Mathematical Seminar Reports 14, 59 (1962).
- V. Vedral, Reviews of Modern Physics 74, 197–234 (2002).
- D. Petz, Reports on Mathematical Physics 23, 57 (1986).
- B. Schumacher and M. A. Nielsen, Physical Review A 54, 2629–2635 (1996).
- S. Lloyd, Physical Review A 55, 1613–1622 (1997).
- A. Peres, Physical Review Letters 77, 1413–1415 (1996).
- M. Horodecki, P. Horodecki, and R. Horodecki, Physics Letters A 223, 1–8 (1996).
- G. Vidal and R. F. Werner, Physical Review A 65, 10.1103/physreva.65.032314 (2002).
- Y. A. Lee and G. Vidal, Phys. Rev. A 88, 042318 (2013).
- B. Shi and Y.-M. Lu, Physical Review B 97, 10.1103/physrevb.97.144106 (2018).
- P. Calabrese, J. Cardy, and E. Tonni, Phys. Rev. Lett. 109, 130502 (2012).
- M. Levin and Z.-C. Gu, Physical Review B 86, 10.1103/physrevb.86.115109 (2012).
- D. J. Williamson, Physical Review B 94, 10.1103/physrevb.94.155128 (2016).
- H. A. Kramers and G. H. Wannier, Phys. Rev. 60, 252 (1941).
- M. Kardar, Statistical Physics of Particles (Cambridge University Press, 2007).
- D. Browne, Lectures on topological codes and quantum computation (2014).
- T. Mittal, Quantum LDPC codes: an exposition of recent results (2022).
- D. A. Johnston and R. P. K. C. M. Ranasinghe, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 44, 295004 (2011), arxiv:1104.3224 [cond-mat] .
- D. Johnston and R. P. Malmini, Physics Letters B 378, 87 (1996).
- Y. Ozeki and H. Nishimori, Journal of the Physical Society of Japan 56, 1568 (1987).
- J. Ashkin and E. Teller, Phys. Rev. 64, 178 (1943).
- C. Fan, Physics Letters A 39, 136 (1972).
- T.-C. Lu, T. H. Hsieh, and T. Grover, Physical Review Letters 125, 10.1103/physrevlett.125.116801 (2020).
- G. Savvidy and F. Wegner, Nuclear Physics B 413, 605–613 (1994).
- D. A. Johnston, M. Mueller, and W. Janke, The European Physical Journal Special Topics 226, 749 (2017), arxiv:1612.00060 [cond-mat] .
- M. Mueller, D. A. Johnston, and W. Janke, Nuclear Physics B 914, 388 (2017).
- D. A. Johnston and R. P. K. C. M. Ranasinghe, Entropy 22, 633 (2020).
- M. Mueller, W. Janke, and D. A. Johnston, Phys. Rev. Lett. 112, 200601 (2014).
- Z. Wang, Z. Wu, and Z. Wang, Intrinsic mixed-state topological order without quantum memory (2023), arXiv:2307.13758 [quant-ph] .
- G. Savvidy and K. Savvidy, Physics Letters B 324, 72 (1994).
- M. Suzuki, Phys. Rev. Lett. 28, 507 (1972).
- D. A. Johnston, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 45, 405001 (2012).
- A. Lyons and Z.-X. Luo (2024), in preparation.
- S. Bravyi, B. Leemhuis, and B. M. Terhal, Annals of Physics 326, 839 (2011), arxiv:1006.4871 [quant-ph] .
- J.-P. Tillich and G. Zemor, IEEE Transactions on Information Theory 60, 1193 (2014), arxiv:0903.0566 [quant-ph] .
- J. Y. Lee, Y.-Z. You, and C. Xu, Symmetry protected topological phases under decoherence (2024), arXiv:2210.16323 [cond-mat.str-el] .
- R. Ma and C. Wang, Physical Review X 13, 10.1103/physrevx.13.031016 (2023).
- K. Su, Z. Yang, and C.-M. Jian, Tapestry of dualities in decohered quantum error correction codes (2024), arXiv:2401.17359 [cond-mat.str-el] .
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.