The threshold theorem states that quantum computations can be made reliable below a physical error threshold, at the cost of additional physical qubits and circuit depth. Recent work has reduced these space and time overheads to polylogarithmic or nearly logarithmic scalings, but whether the cumulative spacetime overhead can be constant has remained unclear. Here, we show that even for the simplest task of preserving quantum information in a quantum memory, under an optimistic noise model and allowing general adaptive protocols, there is an unavoidable logarithmic contribution to the cumulative spacetime overhead. This additional cost can nevertheless be shared among many logical qubits, so sufficiently wide computations, including standard implementations of Shor's algorithm, may still achieve constant relative overhead. We further give a positive-rate CSS code construction that attains the memory bound, identify sufficient conditions under which the same scaling extends from quantum memory to fault-tolerant circuit implementations, and derive circuit-size bounds for subsystem spacetime codes. Our work establishes fundamental limits on the resources required for quantum fault tolerance.


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量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机,其理论模型是通用图灵机;通用的量子计算机,其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看,量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题,但是从计算的效率上,由于量子力学叠加性的存在,目前某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

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