We study the notion of $k$-stabilizer universal quantum state, that is, an $n$-qubit quantum state, such that it is possible to induce any stabilizer state on any $k$ qubits, by using only local operations and classical communications. These states generalize the notion of $k$-pairable states introduced by Bravyi et al., and can be studied from a combinatorial perspective using graph states and $k$-vertex-minor universal graphs. First, we demonstrate the existence of $k$-stabilizer universal graph states that are optimal in size with $n=\Theta(k^2)$ qubits. We also provide parameters for which a random graph state on $\Theta(k^2)$ qubits is $k$-stabilizer universal with high probability. Our second contribution consists of two explicit constructions of $k$-stabilizer universal graph states on $n = O(k^4)$ qubits. Both rely upon the incidence graph of the projective plane over a finite field $\mathbb{F}_q$. This provides a major improvement over the previously known explicit construction of $k$-pairable graph states with $n = O(2^{3k})$, bringing forth a new and potentially powerful family of multipartite quantum resources.


翻译:我们研究$k$-稳定子通用量子态的概念,即一种$n$量子比特量子态,通过仅使用局部操作和经典通信,可以在任意$k$个量子比特上诱导出任意稳定子态。这些态推广了Bravyi等人提出的$k$-可配对态概念,并可通过图态和$k$-顶点小子通用图从组合学角度进行研究。首先,我们证明存在最优尺寸的$k$-稳定子通用图态,其量子比特数$n=\Theta(k^2)$。我们还给出了随机图态在$\Theta(k^2)$个量子比特上高概率成为$k$-稳定子通用的参数。我们的第二个贡献是两种显式构造,在$n = O(k^4)$个量子比特上构建$k$-稳定子通用图态。这两种构造均依赖于有限域$\mathbb{F}_q$上射影平面的关联图。这相较于先前已知的$n = O(2^{3k})$的$k$-可配对图态显式构造取得了重大改进,带来了一种新型且可能强大的多部分量子资源家族。

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