Quantum logic gates for coupled superconducting phase qubits
基于对两个电容耦合电流偏置约瑟夫森结的量子分析，我们提出了两种基本的两量子比特量子逻辑门。这些门中的每一个，当被单量子比特操作补充时，足以用于通用量子计算。含时薛定谔方程的数值解表明，这些操作可以进行良好的保真度。
2003-10-21 quant-ph
Coupling Josephson qubits via a current-biased information bus
没有直接相互作用的约瑟夫森量子比特可以通过将它们顺序连接到信息总线来有效地耦合：将电流偏置的大约瑟夫森结视为具有可调频率的振荡器。任何量子位和总线之间的耦合都可以通过调制施加到该量子位的磁通量来控制。这种可调谐的选择性耦合提供了两个量子比特的纠缠态，用于实现基本的量子逻辑运算，并用于实验测试贝尔不等式。
2004-08-02 cond-mat.supr-con quant-ph
Two-photon coupling via Josephson element II: Interaction dressing, cross-Kerr coupling, and limits of low-energy bosonic model
Bogolyubov Institute for Theoretical Physics, National Academy of Sciences of Ukraine（乌克兰国家科学院博戈留博夫理论物理研究所）；Institute of Physics of the National Academy of Sciences（乌克兰国家科学院物理研究所）
研究对称超导量子干涉仪介导的相互作用及其重整化，以及低能玻色子模型在耦合相位量子比特中的适用性。发现交叉凯尔耦合在玻色子双光子极限下不为零，因量子比特势能不对称性和耦合器非线性导致。
2026-05-08 cond-mat.supr-con quant-ph
On the Harmonic approximation for large Josephson junction coupling charge qubits
利用变分方法研究了大约瑟夫森结与电荷量子比特相互作用系统的谐波近似。通过数值计算和解析处理，可以精确地给出HA工作的条件，以控制通过与大结耦合的谐振子（HO）哈密顿量实现双量子比特量子逻辑门的参数.
2004-09-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum--Classical Interface Based on Single Flux Quantum Digital Logic
我们描述了一种基于单通量量子（SFQ）数字逻辑家族的近端协处理器对大规模超导多量子位电路进行集成控制和测量的方法。相干控制是通过用最优控制理论导出的经典比特流直接照射量子比特来实现的。量子位测量是由约瑟夫森光子计数器进行的，它提供了在毫开尔文阶段的投影量子测量的经典结果。我们分析了SFQ协处理器的功耗预算和物理占用空间，并讨论了与这种方法相关的挑战和机遇。
2017-10-12 quant-ph
Testing Bell's inequality in constantly coupled Josephson circuits by effective single-qubit operations
在位间不可调的超导电路中（例如，电容）耦合，理想的局部量子操作不能精确地在各个约瑟夫森量子位上执行。在这里，我们提出了一个有效的动态解耦方法，以克服“固定相互作用”的困难，有效地实现量子计算的基本逻辑门。所提出的单量子比特操作和局部测量应该允许用一对电容耦合的约瑟夫森量子比特来测试贝尔不等式。除了光谱分析[Nature \textbf{421}，823（2003）; Science \textbf{300}，1548（2003）]之外，这提供了一种强有力的方法来验证两个固定耦合的约瑟夫森量子比特之间宏观量子纠缠的存在。
2005-08-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
Quantum computation with Josephson-qubits by using a current-biased information bus
我们提出了一个有效的方案来操纵存储在超导纳米电路中的量子信息。约瑟夫森量子位通过它们与信息总线的单独相互作用耦合，大电流偏置的约瑟夫森结被视为具有可调频率的振荡器。总线一次仅顺序地耦合到一个量子位。没有任何直接相互作用的远距离约瑟夫森量子位可以通过与总线顺序地独立地相互作用来间接地彼此耦合，经由总线中的振动量子的激发/去激发。这是一个超导模拟的成功离子阱实验的量子计算。我们的方法不同于以前的方案，同时耦合两个量子位到总线上，而不是他们的顺序耦合在这里考虑。利用这些可调谐的选择性耦合可以实现有意义的量子逻辑门。在Bloch-Redfield形式主义内分析了所提出的量子系统的退相干性质。某些重要的实验参数的数值估计。
2004-07-27 cond-mat.supr-con quant-ph
Pokemon: Protected Logic Qubit Derived from the 0-$π$ Qubit
我们提出了一种新的保护逻辑量子比特称为口袋妖怪，它是由0- $π$量子比特通过利用一个电容并联电感和两个电容并联约瑟夫森结嵌入超导回路。与0- $π$量子比特类似，所提出的量子比特的两个基态被高势垒分开，但是它们的波函数沿着二维参数空间的两个轴方向高度局域化，而不是在0- $π$量子比特中仅沿着一个轴方向高度局域化的波函数。这使得口袋妖怪量子比特更受保护。例如，口袋妖怪量子比特的弛豫以两个同等重要的因子呈指数减小，而0- $π$量子比特的弛豫仅以一个因子呈指数减小。此外，我们表明，口袋妖怪中的电感器可以用非线性电感器代替，例如，一对或两对约瑟夫森结。这为实现具有更高量子相干性的下一代超导量子比特提供了一种实验上有希望的方法。
2021-12-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Quantum state engineering with Josephson-junction devices
本文综述了约瑟夫森结器件在量子态工程方面的理论和实验研究进展。量子计算的概念刺激了该领域的活动增加。约瑟夫森系统的电荷或相位（通量）都可以作为量子自由度，它们的量子态可以通过电压和电流脉冲进行相干操纵。因此，它们可以充当量子位，并且可以执行量子逻辑门。它们的相位相干时间有限，例如，通过控制电路中的电磁波动，足够长以允许一系列这些操纵。详细分析了由单电子晶体管、SQUID或进一步的纳米电子器件执行的量子测量过程。
2000-11-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Josephson-Junction Qubits with Controlled Couplings
低电容约瑟夫森结，其中库珀对相干隧穿，而库仑阻塞效应允许控制总电荷，提供量子位（量子位）的物理实现，逻辑状态在岛上相差一个库珀对电荷。量子计算所需的单比特和双比特操作可以通过施加一系列栅极电压来执行。一个基本的设计，如前所述[cond-mat/9706016]，足以证明的原则，但需要一个高精度的时间控制，和残留的两位相互作用引入错误。在这里，我们提出了一种新的纳米电子设计，接近理想的，其中的约瑟夫森结取代可控SQUID。这大大放松了对时间控制和系统参数的要求，并且对于任意对，两位耦合可以在零和非零值之间精确切换。相位相干时间足够长以允许一系列操作。
1998-08-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Josephson-phase qubit without tunneling
我们表明，一套完整的一位门可以实现通过耦合的相位量子比特的两个逻辑状态到第三个层次（在更高的能量）使用微波脉冲。因此，可以实现相干控制，而不调用量子位级别之间的任何隧道。我们提出了两种实现，使用射频SQUID和d波约瑟夫森结。
2003-03-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Quantum Process Tomography of a Universal Entangling Gate Implemented with Josephson Phase Qubits
量子逻辑门必须在其标准输入基态上操作时以及在这些状态的复杂叠加上操作时正确地执行。使用超导量子比特的实验已经验证了用于例如受控非门[1，2]的特定实现的真值表，但是还没有完全表征用于输入状态的任意叠加的门操作。在这里，我们演示了使用量子过程层析成像（QPT）[3，4]来充分表征两个超导量子比特之间的通用纠缠门的性能。过程层析成像允许完整的门分析，但需要精确准备任意输入状态，控制随后的量子位相互作用，并同时单次测量输出状态。我们使用QPT来测量纠缠门的保真度，并量化影响门性能的退相干机制。除了展示有前途的保真度，我们的纠缠门具有300的开/关比，可调耦合水平将成为未来高保真设备的要求。这是双量子位系统中QPT的第一个固态演示，因为固态过程层析成像以前只使用单量子位进行了演示[5，6]。
2009-10-06 quant-ph
0-$π$ qubit in one Josephson junction
本文提出利用半导体中自旋轨道耦合与塞曼劈裂的相互作用，在单个高透明约瑟夫森结中实现宇称保护的0-π超导量子比特，从而在不增加器件复杂度的情况下实现硬件级量子态保护。
2021-10-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Logic gates at the surface code threshold: Superconducting qubits poised for fault-tolerant quantum computing
量子计算机可以解决困难的问题--例如素因子分解、数据库搜索和量子模拟--但代价是需要保护脆弱的量子态不受错误的影响。量子纠错通过量子纠缠在许多物理量子比特之间分配逻辑状态来提供这种保护。超导性是一个吸引人的平台，因为它允许构建大型量子线路，并且与微加工兼容。对于超导量子比特，表面码是纠错的自然选择，因为它只使用最近邻耦合和快速循环的纠缠门。门保真度要求是适度的：每步保真度阈值仅约为99%。在这里，我们展示了超导多量子位处理器中的一组通用逻辑门，实现了99.92%的平均单量子位门保真度和高达99.4%的双量子位门保真度。这将约瑟夫森量子计算置于表面码纠错的容错阈值。我们的量子处理器是迈向表面码的第一步，它使用五个量子比特以线性阵列排列，并具有最近邻耦合。作为进一步的演示，我们使用完整的电路和全套门构造了一个五量子比特的Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态。结果表明，约瑟夫森量子计算是一种高保真度的技术，有一个清晰的路径，以扩大到大规模，容错量子线路。
2014-02-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Josephson parametric phase-locked oscillator and its application to dispersive readout of superconducting qubits
参量锁相振荡器（PPLO），也称为参变管，是一种谐振电路，其中一个电抗被周期性调制。它可以检测、放大和存储自激振荡两个不同相位形式的二进制数字信号。事实上，使用基于磁性铁氧体环或变容二极管的PPLO作为其基本逻辑元件的数字计算机在20世纪50年代和60年代成功运行。最近，已经在机电谐振器中证明了基本的位操作，并且已经提出了基于光学PPLO的伊辛机。在这里，使用PPLO实现与约瑟夫森结电路，我们演示了微波信号的解调数字调制的二进制相移键控。此外，我们将这种解调能力应用于超导量子比特的色散读出。这种读出方案能够实现快速和锁存型读出，但在量子位耦合到的谐振器中仅需要少量的读出光子，因此具有几种不同方案的组合优势。我们已经实现了高保真度，单次和非破坏性的量子位读出，拉比振荡对比度超过90%，主要受量子位能量弛豫的限制。
2014-07-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Adiabatic quantum computation with Cooper pairs
我们提出了一个新的变体的受控非量子逻辑门的基础上绝热的q位的水平交叉动力学。该门在小约瑟夫森隧道结阵列中的库珀对传输方面具有自然的实现。绝热方法的一个重要优点是，栅极动态对不可避免的结参数扩散不敏感。
1997-06-13 cond-mat quant-ph
Josephson-Junction Qubits and the Readout Process by Single-Electron Transistors
已经提出了几种量子比特的物理实现。其中，纳米电子器件似乎最适合大规模集成和潜在的应用。我们建议使用低电容约瑟夫森结，利用超导状态下隧穿的相干性，结合通过库仑阻塞效应控制单个电荷的可能性（cond-mat/9706016，cond-mat/9808067）。这些系统构成量子比特，逻辑状态相差一个库珀对电荷。通过施加一系列栅极电压，可以执行单比特和两位操作。相位相干时间足够长以允许一系列这些步骤。除了操纵量子位之外，还必须读出所得到的量子态。这可以通过将单电子晶体管电容器耦合到量子位来实现（cond-mat/9801125）。为了描述这个量子测量过程，我们研究了耦合系统的密度矩阵随时间的演化。只有当传输电压打开时，晶体管才会破坏量子位的相位相干性;在这种情况下，在很短的时间内。当信号分辨出不同的量子态时，在较长的时间尺度之后完成测量。在更长的时间里，测量过程本身破坏了关于初始状态的信息。我们提出了一套合适的系统参数，这可以通过当今的技术来实现。
1999-12-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Decoherence in Josephson qubits
高度的量子相干性是实现量子逻辑器件的关键要求。从设计的可集成性和灵活性的角度来看，固态纳米器件似乎特别有前途。然而，退相干是一个严重的限制，由于存在许多类型的低能量激发在“内部”的环境和“外部”的来源，由于控制电路。在这里，我们研究这两种退相在一个特殊的实现，电荷约瑟夫森量子比特，然而，我们的许多结果是适用于一个大类的固态量子比特。这是1/f噪声的情况下，我们介绍和研究的一个模型的环境中的波动。在适当的谐振子环境下分析了外部噪声源，并给出了自旋玻色子模型上的显式映射。我们进行了详细的调查，各种计算程序（Single Shot测量，重复测量），并讨论了所需的信息来表征环境的影响的问题。对于具有1/f谱的波动器环境，记忆效应变得重要。虽然在一般情况下，需要功率谱以外的信息，但在许多情况下，这导致只知道环境的一个微观参数。这允许确定在所考虑的每个不同的物理情况下，环境的哪些自由度是退相干的有效来源。
2003-12-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Parity-protected superconducting qubit based on topological insulators
Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学）；Wuhan National High Magnetic Field Center（武汉国家强磁场中心）；Fuyang Normal University（阜阳师范大学）
基于拓扑绝缘体的 parity 保护超导量子比特，利用拓扑约瑟夫森结实现对电荷和磁通噪声的双重保护，提升量子比特的相干时间。
2023-08-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Characterization of multi-level dynamics and decoherence in a high-anharmonicity capacitively shunted flux circuit
我们提出了一个三约瑟夫森结超导回路与三个大的并联电容器的设计和表征。作为量子位使用时，该电路显示出40 ${ \unicode[Times]{x3BC}}$ s量级的长能量弛豫时间和9.4 ${ \unicode[Times]{x3BC}}$ s的自旋回波退相时间。该电路具有高的非谐性，2 $π$ $\times$ 3.69 GHz。我们提取的多级弛豫和退相率的电路用作quutrit和讨论的退相干的可能来源。高非谐性允许快速量子位控制，具有纳秒范围的门持续时间和99.92%的测量平均门保真度，其特征在于随机基准测试。这些结果表明，有趣的潜在用途快速纳秒时间尺度的两个量子比特门和多级量子逻辑。
2022-02-24 quant-ph
Toward Practical-Scale Quantum Annealing Machine for Prime Factoring
我们提出了一个在量子退火（QA）框架下操作的素因子分解器。其思想是用基于QA的布尔逻辑电路实现乘法器的逆运算。我们设计了一个特定于应用程序的退火计算架构，有效地增加了可用的硬件预算有限的功能为代价的QA机。利用经典噪声源对超导磁通量子比特组成的QA逻辑门进行了电路模拟，证实了QA逻辑门的可逆操作。该电路采用Nb/AlOx/Nb约瑟夫森结超导集成电路技术实现和制造。我们还提出了一个2.5维的量子位芯片/芯片/封装基板结构的封装方案，实现实际的大规模QA系统。
2018-09-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con physics.app-ph
Fast entanglement of two charge-phase qubits through nonadiabatic coupling to a large junction
我们提出了一个理论上的协议，量子逻辑门之间的两个约瑟夫森结电荷相位量子比特通过控制它们的耦合到一个大的结。当$E_{J}\gg E_{c}$处于大结的低激发极限时，它有效地表现为谐振子的量子数据总线模式。我们的协议是高效和快速的。此外，它不需要数据总线保持在其基态，因此它可以在与数据总线量子态无关的宽参数范围内实现。
2004-01-06 cond-mat.supr-con quant-ph
Controllable coherent population transfers in superconducting qubits for quantum computing
提出了一种利用可控斯塔克啁啾快速绝热通道（SCRAP）实现单量子比特和双量子比特系统中选定量子态之间布居相干转移的方法。这些{ \it演化时间不敏感}传输，辅之以易于实现的单量子位相移操作，可以作为量子计算的基本逻辑门。具体来说，这个提议可以方便地用现有的约瑟夫森相位量子比特来证明。我们的建议可以立即应用于这些量子位的读出。事实上，这些人造“原子”中束缚态的破宇称对称性提供了一种设计所需绝热脉冲的有效方法。
2008-01-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con cs.GT
Andreev spin qubits based on the helical edge states of magnetically doped two-dimensional topological insulators
Politecnico di Torino（都灵理工大学）
提出在磁性掺杂的二维拓扑绝缘体约瑟夫森结中利用螺旋边缘态实现安德烈夫自旋量子比特，通过微波脉冲操控自旋态，无需外加塞曼场或辅助态，并数值模拟了NOT和Hadamard量子逻辑门。
2026-09-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Dissipative protection of a GKP qubit in a high-impedance superconducting circuit driven by a microwave frequency comb
提出利用微波频率梳参数调制约瑟夫森电路，实现高阻抗模式下GKP量子比特的耗散保护与稳定，显著延长寿命，并支持初始化、读出和克利福德门控制，助力容错量子计算。
2025-03-26 math.OC quant-ph
Granular aluminum: A superconducting material for high impedance quantum circuits
超导量子信息处理机主要基于具有相对低的特性阻抗（约100欧姆）和小的非谐性的微波电路，这会限制它们的相干性和逻辑门保真度。一种有前途的替代方案是基于所谓的超级电感器的电路，其特性阻抗超过电阻量子$R_Q = 6.4$ k $Ω$。然而，以前的超级电感器的实现，由介观约瑟夫森结阵列组成，可以在量子位附近引入非预期的非线性或寄生谐振模式，降低其相干性。在这里，我们提出了一个fluxonium量子位设计使用颗粒铝（grAl）超导带。粒状铝是一种特别有吸引力的材料，因为它可以自组装成具有非常高的动态电感的有效结阵列，并且其制造可以与标准铝电路加工原位集成。测量的量子位相干时间$T_2^R$高达30 $μ$ s，说明了grAl的应用范围从保护量子位设计到量子限制放大器和检测器的潜力。
2018-09-27 cond-mat.supr-con quant-ph
