Optimal simulation of three-qubit gates
本文研究了利用双量子比特门对三量子比特幺正的最优模拟。首先，我们给出了模拟多量子比特门的两量子比特门成本的下界。其次，通过推广Toffoli门的代价，我们完全刻画了模拟三量子比特受控门的两量子比特门代价。受控受控门的功能简单地说就是一个三量子比特受控幺正门，可以直观地解释为：门将直接输出两个控制量子比特的状态，只有当两个控制量子比特的状态都是$\ket{1}$时，才将给定的一量子比特幺正$u$应用于目标量子比特。以前，仅知道五个两量子位门足以实现这样的门[Sleator和Weinfurter，Phys.Rev.Lett. 74，4087（1995）]。我们的结果表明，如果$u$的行列式为1，四个双量子位门是可实现的最佳。否则，五个是最佳的。第三，我们证明了五个双量子比特门对于实现Fredkin门（受控交换门）是必要的和足够的，这解决了在[Smolin和Dijuenzo，Phys. Rev. A，53，2855（1996）]中引入的公开问题。Fredkin门是最重要的量子逻辑门之一，因为它对于经典可逆计算是唯一通用的，因此对于量子计算来说几乎没有帮助。在我们的工作之前，已经知道Fredkin门的五个两量子比特门分解，并且发现了显示五个是最佳的数值证据。
2013-01-16 quant-ph
Phase gate of one superconducting qubit simultaneously controlling n qubits in a cavity
我们提出了如何实现一个超导量子比特同时控制N个量子比特的三步相位控制门（1<n<N）。该门的操作时间与门操作中涉及的量子位数n无关。这种相位门同时控制n个量子位对腔模的初始状态不敏感，并且可以用于产生同时作用于n个量子位的类似CNOT门。
2013-03-18 quant-ph
Phase gate of one qubit simultaneously controlling $n$ qubits in a cavity
我们提出了如何实现一个量子比特的三步控制相位门，同时控制腔中或耦合到谐振器的$n$量子比特。形成该多量子位相位门的$n$双量子位受控相位门可以同时执行。该相位门的操作时间与量子位的数量$n$无关。这种相位门同时控制$n$量子位对腔模的初始状态不敏感，并且可以用于产生同时作用于$n$量子位的类似CNOT门。我们提出了两种替代方法来实现这个门。一种方法是基于调谐量子比特频率，而另一种方法是调谐谐振器频率。以超导量子位耦合到谐振器为例，我们展示了如何实现一个超导量子位同时控制从耦合到谐振器的$N$量子位（$1<n<N$）中选择的$n$量子位的门.我们还讨论了利用一个初始处于任意态的腔来实现原子门的问题。
2010-11-08 quant-ph
Efficient construction of three- and four-qubit quantum gates by global entangling gates
我们提出了改进的电路的控制-控制-相位（Toffoli）门和控制-交换（Fredkin）门，分别使用三个和四个全局两量子位门。与传统电路相比，这几乎是两倍的速度，传统电路需要五个（对于Toffoli）和七个（对于Fredkin）条件双量子位门。我们采用相同的方法，通过七个全局两量子比特门来构造条件四量子比特相位门。我们还提出了建设的Toffoli和Fredkin门与五个最近邻的相互作用。我们的构造不采用辅助量子位或辅助内部状态，并且特别适合于离子量子位和电路QED系统，其中纠缠操作可以通过全局寻址来实现。
2015-03-09 quant-ph
Single Shot i-Toffoli Gate in Dispersively Coupled Superconducting Qubits
量子算法通常受益于执行多量子位（>2）门的能力。到目前为止，这种多量子位门通常被分解为单量子位门和双量子位门，特别是在超导量子位架构中。在一个步骤中执行多量子位操作的能力可以大大提高许多算法的保真度和执行时间。在这里，我们提出了一个Single Shot方法来执行一个i-Toffoli门，一个三量子比特门门，两个控制和一个目标量子比特，使用目前现有的超导硬件。我们展示了数值证据的过程保真度超过98%和500纳秒的门时间的超导量子比特通过可调谐耦合器相互作用。我们的方法可以直接向前扩展，以实现具有两个以上控制量子位的门。
2021-11-10 quant-ph
Modifying $n$-qubit controlled-$ZX$ gate to be $n$-qubit Toffoli gate
本文修改受控-$ZX$门的分解方法，仅用$2n-3$个附加单量子比特门实现$n$-量子比特Toffoli门，保持原电路深度$8n-20$且无需辅助比特，并证明其在现有物理系统中易于构建。
2023-05-24 quant-ph
High-fidelity three-qubit iToffoli gate for fixed-frequency superconducting qubits
研究固定频率超导量子比特中高保真三比特 iToffoli 门的实现，基于交叉共振效应并同步施加微波脉冲，达到 98.26% 的过程保真度，为多比特门开发开辟了新路径。
2023-06-29 quant-ph
A unified approach to realize universal quantum gates in a coupled two-qubit system with fixed always-on coupling
我们证明了在耦合的双量子比特系统中，任何单量子比特门都可以分解为两个条件双量子比特门，并且任何条件双量子比特门都可以通过类似于受控双量子比特门的操作来实现。在此基础上，我们提出了一种统一的方法来实现通用的单量子比特和双量子比特门在耦合的双量子比特系统与固定的常开耦合。这种方法既不需要辅助电路或额外的物理量子位来控制耦合，也不需要额外的硬件来调整能级结构。这种方法的可行性是通过数值模拟的单量子比特门和创建两个量子比特贝尔态的射频驱动电感耦合的两个SQUID通量量子比特与现实的设备参数和恒定的始终在线耦合。
2005-07-01 quant-ph
Realization of a General Three-Qubit Quantum Gate
我们证明了一个通用的三量子位量子逻辑门可以实现使用最多98个一量子位旋转的$y$ -和$z$ -轴和40个CNOT门，击败了64个CNOT门的早期限制。
2004-01-30 quant-ph
Five Two-Qubit Gates Are Necessary for Implementing Toffoli Gate
在本文中，我们解决了长期以来的开放问题的最小成本的两个量子比特门模拟Toffoli门。更准确地说，我们证明了五个两量子比特门是必要的。在我们的工作之前，人们知道五个门是足够的，并且只收集了数字证据，表明五个门的实现是必要的。这里介绍的思想也可以用来解决Deutsch在1989年提出的三量子比特控制相位的最优模拟问题。
2013-01-15 quant-ph
Experimental demonstration of a high-fidelity virtual two-qubit gate
本研究实验演示虚拟双量子比特门，通过电路中间测量实现投影门、确定性采样减少评估次数并结合量子误差缓解，将虚拟CZ门平均保真度提至0.9938±0.0002，为少比特量子模拟及远距双比特门实现提供实用方案。
2023-12-09 quant-ph
Comparing Two-Qubit and Multi-Qubit Gates within the Toric Code
在一些量子计算（QC）架构中，可以在单个操作中生成任意数量的量子比特的纠缠。该性质具有许多潜在的应用，并且可以特别地用于量子纠错（QEC）。然后，可以使用单个多量子位门而不是几个两量子位门来实现稳定器测量，从而减少电路深度。在这项研究中，复曲面码被用作一个基准来比较奇偶校验电路中的两个量子比特和五个量子比特门的性能。我们考虑通过拉曼跃迁控制的捕获离子量子比特，其中假设误差的主要来源是自发光子散射。我们表明，一个五量子位Mølmer-Sørensen门提供了一个约$40\%$改善两个量子位门的容错阈值。该结果表明在QEC的上下文中使用多量子位门的优点。
2022-02-17 quant-ph
A universal quantum circuit for two-qubit transformations with three CNOT gates
我们考虑通过CNOT门和单量子比特幺正门实现两量子比特的幺正变换。我们表明，通过一个明确的量子线路，连同本地门三个CNOT门是必要的和足够的，以实现任意幺正变换的两个量子比特。我们还确定了两个量子比特门的子集，可以执行只有两个CNOT门。
2003-08-04 quant-ph
Quantum circuits with uniformly controlled one-qubit gates
均匀控制的单量子位门是量子门，其可以表示为作用于单个量子位的二维么正算子的直和。我们提出了一个量子门阵列，它使用最多2^{n-1} - 1个受控非门，2^{n-1}个单量子位门和一个对角n量子位门来实现这种类型的任何n量子位门。该电路是基于所谓的量子多路复用器，我们提供了一个修改后的建设。我们说明了这些门的通用性，通过将它们应用到一个一般的n-量子位门和一个本地状态的准备过程的分解。此外，我们研究他们的实现仅使用最近邻门。我们给出了所有上述应用的单量子比特和受控非门计数的上界。在所有这四种情况下，所提出的电路拓扑结构要么改善或实现先前报道的上限的门数。因此，它们为目前已知的一般门分解提供了最有效的方法。
2004-10-29 quant-ph
Two-qubit gates for the soft 0-π qubit
Beijing Academy of Quantum Information Sciences（北京量子信息科学研究院）；University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；The University of Melbourne（墨尔本大学）
针对软0-π量子比特，提出一种无保护CZ门，利用计算态与高非计算态直接跃迁，在约160纳秒内实现约99.9%保真度，填补了双量子比特门空白。
2026-09-15 quant-ph
Software mitigation of coherent two-qubit gate errors
双量子比特门是量子计算的重要组成部分。然而，量子位之间不必要的相互作用（所谓的寄生门）可能特别成问题，并降低量子应用的性能。在这项工作中，我们提出了两种软件方法来减轻寄生双量子位门错误。第一种方法建立在KAK分解的基础上，并保持了无错误的原生两量子比特门的原始酉分解。它通过仅应用单量子位旋转来抵消寄生的双量子位门，因此没有双量子位门开销。我们展示了单量子比特缓解门的最佳选择。第二种方法应用数值优化算法将目标幺正重新编译为误差寄生双量子位门加单量子位门。我们证明了这些方法的CPase寄生iSWAP类门。基于KAK的方法与没有错误缓解的噪声实现相比，有助于将酉失真降低3倍。当允许任意单量子位旋转时，重新编译可以完全减轻寄生错误的影响，但可能需要比基于KAK的方法更多的本机门。我们还比较了它们的平均门保真度在现实的噪声模型，包括松弛和去极化误差。数值结果表明，不同的方法是有利的，在不同的错误制度，提供短期量子计算机的错误缓解指导。
2021-11-08 quant-ph
Time-optimal multi-qubit gates: Complexity, efficient heuristic and gate-time bounds
本研究证明时间最优多量子比特门合成是NP难的，给出特殊时间最优门的显式构造，提出多项式时间启发式合成算法，推导GZZ门时间上下界并推测其为O(n)标度，可实现更快更鲁棒的量子算法执行。
2024-03-05 quant-ph
Optimal Construction of Two-Qubit Gates using the Symmetries of B Gate Equivalence Class
Vellore Institute of Technology（维洛尔理工学院）
本文利用B门等价类的对称性，发现仅该等价类具有逆和镜像两种对称性，并找到一参数族可构造通用两比特量子电路，仅需两个非局部门。
2026-06-08 quant-ph
Fast microwave-driven two-qubit gates between fluxonium qubits with a transmon coupler
QuTech and Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学量子技术与卡弗里纳米科学研究所）；Netherlands Organization for Applied Scientific Research (TNO)（荷兰应用科学研究组织（TNO））；Quantum Engineering Centre for Doctoral Training, H. H. Wills Physics Laboratory and Department of Electrical and Electronic Engineering, University of Bristol（布里斯托大学量子工程博士培训中心、H.H.威尔斯物理实验室及电气与电子工程系）
本研究通过精心设计的微波驱动脉冲，实现了一个高保真度的回旋子量子比特间两个量子比特门，展示了快速频率选择性纠缠门的实现方法。
2025-04-22 quant-ph
Minimal and Robust Composite Two-Qubit Gates with Ising-Type Interaction
我们构造了一个具有Ising型相互作用的最小鲁棒受控非门，并通过它实现了基本的两量子比特门。该方法对耦合强度的不精确性具有鲁棒性，所得到的量子线路由最少数量（N=3）的基本双量子比特门和多个单量子比特门构成.值得注意的是，所有的鲁棒电路都可以映射到对脉冲长度误差鲁棒的单量子比特电路。我们还证明了一个最小的鲁棒SWAP门不能用N=3来构造，而是需要N=6个基本的两量子比特门。
2013-01-30 quant-ph
Analytic Constructions of General n-Qubit Controlled Gates
在这封信中，我们提出了两个解析表达式，最普遍的模拟$n$量子位控制的$U$门与标准的单量子位门和CNOT门分别使用指数和多项式复杂度。导出了分解的显式电路和一般表达式。利用门计数技术给出了这两种方案中基本操作的确切数目。
2007-08-24 quant-ph
Gate fidelity of arbitrary single-qubit gates constrained by conservation laws
最近的研究表明，守恒定律限制了量子计算中门运算的精度。在角动量守恒定律下的不可避免的误差到目前为止已经针对自旋1/2量子比特的CNOT、Hadamard和NOT门进行了评估，而SWAP门没有约束。在这里，我们将上述结果推广到一般的单量子比特门。我们得到了在任意守恒律下实现的任意单量子比特门的门保真度的上界，该上界由守恒定律的几何形状和Bloch球上的门操作以及辅助的大小确定。
2009-04-16 quant-ph
Optimal two-qubit quantum circuits using exchange interactions
海森堡交换相互作用是实现非局部（即，多量子位）量子门。我们考虑由交换作用实现的$(SWAP)^α$门和单量子比特门组成的量子线路。用三个$(SWAP)^α$门和六个单量子位门构造了一个通用的双量子位量子线路。我们进一步表明，三个$(SWAP)^α$门不仅是足够的，但必要的。由于已知需要六个单量子位门，因此我们的通用双量子位电路在{ \em both} $(SWAP)^α$和单量子位门的数量方面是最优的。
2005-07-15 quant-ph
High-fidelity, high-scalability two-qubit gate scheme for superconducting qubits
高质量的双量子比特门操作对于可扩展的量子信息处理至关重要。通常，当系统变得更加集成时，栅极保真度会受到影响。因此，非常需要低错误率、易于缩放的双量子位门方案。在这里，我们实验证明了一种新的双量子比特门方案，利用固定频率的量子比特和超导量子线路中的可调谐耦合器。该方案需要较少的控制线，减少串扰效应，简化校准过程，但产生的控制Z门在30 ns的高保真度为99.5%，来自交错随机基准测试方法。误差分析表明，门误差主要是相干限制的。我们的演示为大规模实现高保真量子操作铺平了道路。
2020-12-22 quant-ph
Optimal Quantum Circuits for General Two-Qubit Gates
为了在实验上演示非平凡的量子计算，例如任意纠缠态的合成，理解如何将所需的量子计算分解为最短的单量子比特和双量子比特门序列将是有用的。我们通过提供一种方法来为最多需要3个CNOT门和15个基本单量子位门的一般双量子位门构建最佳量子线路，从而为这一努力做出贡献。此外，如果所需的双量子位门对应于纯实数幺正变换，我们提供了一个最多需要2个hocT和12个单量子位门的构造。然后，我们证明了这些结构是最佳的CNOT，y-旋转，z-旋转，和相位门的家庭。
2004-03-25 quant-ph
General structures of reversible and quantum gates
最一般的结构（矩阵形式）的单量子位门。随后，使用它来获得一组条件，用于测试（a）给定的2量子位门是否真正是2量子位门，即，不能分解成两个单量子位门，以及（b）给定的单量子位门是否是自逆的？在可逆和量子线路的优化，特别是量子成本的优化的背景下，在这里报告的结果的相关性进行了讨论。一个系统的程序开发的不可分解的2-量子比特门的识别。这种不可分解的2量子位门连同所有可能的单量子位门一起形成通用量子门库。最后，讨论了本工作的一些可能的应用。
2017-02-21 quant-ph
Constructing three-qubit unitary gates in terms of Schmidt rank and CNOT gates
本文构造了Schmidt秩从一到七的三量子比特酉门，发现Toffoli和Fredkin门秩分别为二和四，并利用CNOT及局域门实现，揭示了CNOT门数量与Schmidt秩的联系。
2020-07-06 quant-ph
How many CNOT gates does it take to generate a three-qubit state ?
讨论了确定性地将一个三量子位纯量子态转换成另一个纯量子态所需的两量子位门的数目。我们表明，任何状态都可以准备从产品状态使用最多三个CNOT门，并且，从GHZ状态开始，只有两个足够。因此，任何三个量子位的状态都可以用最多四个CNOT门转换成任何其他状态。推广到其他两个量子位门也进行了讨论。
2007-11-26 quant-ph
Experimental implementation of quantum gates through actuator qubits
通用量子计算需要在量子寄存器上实现任意控制操作。在大多数情况下，这是通过外部控制场选择性地作用于每个量子位来驱动单量子位操作来实现的。结合包含量子位之间的相互作用的漂移哈密顿算子，这允许实现任何所需的门操作。在这里，我们展示了一个替代方案，不需要对所有量子位进行本地控制：我们间接地在一组目标量子位上实现一个和两个量子位的门操作，通过直接控制的致动器量子位上的门与耦合致动器和目标量子位的漂移哈密顿量的组合。实验进行核自旋，使用射频脉冲作为门操作和磁偶极耦合的漂移哈密顿量。
2014-05-28 quant-ph
Effect of Decoherence for Gate Operations on a Superconducting Bosonic Qubit
超导电路中的高品质因数3D腔是玻色子逻辑量子比特的理想候选者，因为它们的保真度仅受低光子损失率的限制。然而，用于操纵玻色子量子位的transmon量子位导致出现额外的弛豫和退相通道。在这项工作中，进行了数值研究，以阐明各种损失通道的玻色子量子比特上的逻辑门的性能的影响。一个门误差模型的开发，封装任意门操作的损失机制，并预测实验可实现的玻色子量子比特的门误差。从这项研究中收集到的关于损失机制的见解提出了更有效的优化算法，可以减少玻色子量子比特上的门错误。
2022-11-09 quant-ph
Multiqubit tunable phase gate of one qubit simultaneously controlling $n$ qubits in a cavity
我们提出了如何在腔中或耦合到谐振器的四能级量子系统中实现一个量子比特同时控制$n$量子比特的多量子比特可调相位门。在该多量子位相位门中涉及的每个$n$双量子位受控相位（CP）门具有共享的控制量子位，但是具有{ \it不同的}目标量子位。在这个提议中，每个系统的两个最低级别代表量子位的两个逻辑状态，而两个较高能量的中间级别用于门实现。这里提出的方法基本上是通过控制量子位创建一个光子，然后诱导每个目标量子位状态的相移。每个目标量子位上的相移可以通过改变施加到目标量子位系统的脉冲的拉比频率来调整。门实现的操作时间与量子位的数量无关，并且该提议不需要在门操作期间调整量子位水平间距或调整腔模式频率。还应注意，该方法可以应用于实现某些类型的有效多量子位相位门，例如，多量子位相位门由$n$双量子位CP门组成，它们是量子傅里叶变换中的关键元件。一个可能的物理实现我们的方法。我们的建议是相当普遍的，并可以应用到物理系统，如各种类型的超导器件耦合到一个谐振腔和捕获原子在一个腔。
2010-12-31 quant-ph
Two-Qubit Pulse Gate for the Three-Electron Double Quantum Dot Qubit
栅控双量子点的三电子结构为量子信息处理提供了一种很有前途的量子比特。我提出了一个两量子比特纠缠门使用脉冲门控操作程序。高保真纠缠操作的要求相当于已成功实现的脉冲选通单量子位操作的要求。这种双量子比特门完成了三电子双点量子比特的全脉冲门控操作的通用集合，并为实现量子计算的可扩展设置铺平了道路。
2015-01-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Multi-qubit non-adiabatic holonomic controlled quantum gates in decoherence-free subspaces
无消相干子空间中的非绝热完整量子门由于其内在的容错性、相干稳定性和运行时间短等优点而具有重要的实用价值。在这里，我们提出了一些紧凑的方案来实现两个和三个量子比特控制的酉量子门和Fredkin门。对于受控幺正量子门，作用于目标量子比特的幺正算符是任意的单量子比特门操作。受控的量子门可以在无消相干子空间中使用非绝热完整性直接实现，并且通过仅使用经历集体移相的两个相邻物理量子比特来编码逻辑量子比特，用于无消相干子空间编码的所需资源是最小的。
2016-01-11 quant-ph
Conditions for optimal construction of two-qubit non-local gates
量子门的优化实现是量子计算机设计的关键。得到了两量子比特幺正操作的最优构造的必要条件。可以证明，B门是唯一的门，可以构造一个两个量子比特通用电路只有两个应用，即这个条件也是充分的情况下，两个应用的基本两个量子比特门。研究还表明，一半的完美纠缠子不能模拟任意的两比特门，只有3个应用程序。
2004-11-09 quant-ph
Fast and Robust Geometric Two-Qubit Gates for Superconducting Qubits and beyond
基于绝热演化的量子协议对控制脉冲的缺陷和系统的不确定性具有显著的鲁棒性。虽然绝热协议已经成功地实现了量子操作，如量子态转移和单量子比特门，它们的使用几何双量子比特门仍然是一个挑战。在本文中，我们提出了一个通用的方案来实现强大的几何双量子比特门的多层次量子比特系统中，量子比特之间的相互作用是由一个辅助系统（如总线或耦合器）介导的。虽然我们的方案利用受激拉曼绝热通道（STIRAP），它是基本上比STIRAP为基础的门，已提出的原子平台，需要更少的控制音和辅助状态，以及只利用一个通用的色散相互作用简单。我们还展示了我们的门如何可以使用快捷方式来加速绝热性的方法，使人们能够实现一个门，这是快速和相对强大的。我们提出了一个全面的理论分析，我们的两个量子比特门的性能在参数调制的超导电路包括两个通量量子比特耦合到一个辅助系统。
2023-03-22 quant-ph
Crosstalk analysis for simultaneously driven two-qubit gates in spin qubit arrays
当放大基于量子调制器的量子处理器时，挑战之一在于存在由相邻量子位上的控制操作引起的串扰误差。在以前的工作中，自旋量子位阵列中的串扰已经研究了非驱动的单量子位接近单独驱动的量子门和两个同时驱动的单量子位门。然而，同时门并不限于单量子位操作，还包括经常使用的双量子位门，如CNOT门。我们分析了串扰驱动对量子位操作的影响，例如CNOT和CPHASE门。我们调查的情况下，并行$Y$和CNOT门，我们还考虑了两个平行的CNOT门的二维排列，并发现不可避免的串扰。为了最大限度地减少串扰误差，我们开发了适当的控制协议。
2021-11-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Implementing two-qubit gates at the quantum speed limit
本文利用机器学习启发的最优控制方法，在超导transmon量子比特上实验实现了接近量子速度极限的高保真度双量子比特门，并证明该方法适用于多种量子计算平台，可显著加速非原生双量子比特门。
2023-12-01 quant-ph
Quantum gates with parametrically driven multi-qubit couplers
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg（埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希·阿列克桑德大学）；Quint Computing GmbH（Quint计算有限公司）
本文通过参数驱动方法，利用中心可调耦合电路实现四量子比特板中任意两量子比特（包括对角）的√iSWAP门及三量子比特门，数值模拟显示50ns内√iSWAP门保真度达99.9%。
2026-06-15 quant-ph
Quantum simulation by qubitization without Toffoli gates
Qubitization是一种现代的方法来估计哈密顿特征值，而无需模拟其时间演化。虽然以这种方式避免了近似误差，但它的资源和门要求更加广泛：量子化需要额外的量子位来存储关于哈密顿量的信息，并且Toffoli门在整个例程中探测它们。最近，它表明，存储在一元表示的哈密顿量可以减轻需要这样的门在qubitization子程序之一。基于这一原则，我们开发了整个算法的全新分解：没有Toffoli门，我们可以将哈密顿量编码为对数深度内的量子位。
2020-05-19 quant-ph
Cat-qubit-inspired gate on cos($2θ$) qubits
针对基于电压控制半导体纳米线约瑟夫森结的 cos($2θ$) 比特，提出一种受 Kerr-cat 比特启发的单比特 Z 门。该门通过绝热改变势能实现相空间 π 旋转，始终将动力学约束在子空间内，从而在保持相干性的同时实现高保真操作，并经数值模拟验证。
2023-04-04 quant-ph
Universal Set of Quantum Gates for Double-Dot Exchange-Only Spin Qubits with Intradot Coupling
提出了一种基于双量子点中只交换自旋量子比特的通用量子门操作，其中每个量子比特由（2，1）填充中的三个电子获得.门操作通过静电调制隧道势垒和两个点之间的能量偏移来解决，分别为单占用和双占用。我们提出了Hadamard门和$π$ /8门的单量子位操作的显式门序列，以及双量子位控制的非（CNOT）门，以完成泛集.考虑了双占据量子点中两个电子之间不可切换的相互作用。采用自旋密度泛函理论模拟得到短的门时间。
2014-04-09 quant-ph
Achievability of two qubit gates using linear optical elements and post-selection
我们研究了仅使用线性光学元件（分束器和移相器）和后选择就可以实现的双量子比特门。我们能够准确地描述这个集合，并发现以这种方式实现大多数两个量子比特门是不可能的。证明还产生了一个算法，用于计算这些门的最佳成功概率是可以实现的。
2014-04-01 quant-ph
Deterministic construction of arbitrary $W$ states with quadratically increasing number of two-qubit gates
本文提出一种基于cNOT门和单比特门的量子电路，通过逐步增强生成任意比特数的W态，所需两比特门数量呈二次增长，并讨论了实际可行性。
2022-09-16 quant-ph
Protocol for a resonantly-driven three-qubit Toffoli gate with silicon spin qubits
三量子比特Toffoli门在量子纠错和复杂的量子算法（如Shor的因子分解算法）中起着重要的作用，激发了对这种门的有效实现的搜索。本文介绍了一种适用于硅量子点阵列中交换耦合电子自旋量子比特的Toffoli门。我们的协议是一个自然的延伸，以前证明了硅自旋量子位的共振驱动CNOT门。它是基于一个单一的交换脉冲与谐振微波驱动相结合，与操作时间的顺序为100纳秒和保真度超过99%。我们分析了校准误差和1/f噪声对门保真度的影响，并将门性能与由双量子位门合成的Toffoli门进行了比较。我们的方法很容易推广到其他受控的三量子比特门，如Deutsch和Fredkin门。
2019-05-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum Computing on Lattices using Global Two-Qubit Gate
我们研究了由二维系统（量子比特）组成的晶格的计算能力，在这种晶格上可以实现量子不变的全局两量子比特门。我们表明，如果一组特定的6个全局双量子比特门可以执行，如果可以适当地选择晶格的初始状态，那么量子计算机可以有效地模拟
2005-02-23 quant-ph
Automatic Qubit Characterization and Gate Optimization with QubiC
随着量子计算机的尺寸和复杂性的增加，量子比特（qubit）表征和门优化变得复杂而耗时。目前的校准技术需要复杂而冗长的测量来调整量子比特和门，这不能容易地扩展到大规模量子系统。我们开发了一个简洁和自动的校准协议，以表征量子比特和优化门使用QubiC，这是一个开源的FPGA（现场可编程门阵列）为基础的控制和测量系统的超导量子信息处理器。我们提出了基于多维损失的单量子比特门优化方法和用于双量子比特CNOT门校准的全XY平面测量方法。我们证明了QubiC自动校准协议能够在劳伦斯伯克利国家实验室的高级量子测试台上运行的最先进的transmon型处理器上提供高保真门。通过随机基准测试测量的单量子比特和双量子比特Clifford门不稳定度分别为$4.9(1.1) \times 10^{-4}$和$1.4(3) \times 10^{-2}$。
2021-04-30 quant-ph
Fast parametric two-qubit gates with suppressed residual interaction using a parity-violated superconducting qubit
在有限的磁通量偏置下，我们利用由电容分流的非对称约瑟夫森结环组成的违反宇称的超导量子比特实现了快速双量子比特门。量子比特的二阶非线性效应使得它能够通过一阶量子比特间边带跃迁与相邻的单结transmon量子比特相互作用，其拉比频率高达30 MHz。同时，利用连续微波驱动引起的交流斯塔克位移消除了不需要的静态纵向~（ZZ）相互作用。利用随机基准测试，CZ、iSWAP和SWAP门的平均量子比特数分别为0.967、0.951、0.956。
2020-05-07 quant-ph
Electric nonadiabatic geometric entangling gates on spin qubits
量子纠缠的产生和维持是量子操作最优构造的核心，也是实现通用量子计算的基本问题。我们在这里介绍一个自旋量子位的设置，它允许在具有任意纠缠功率的寄存器量子位之间几何实现纠缠门。我们通过演示一个通过自旋链的电路来证明这一点，该电路执行通用非绝热完整两量子比特纠缠。所提出的门都是电的和几何的，这将有助于在自旋量子比特上实现快速和鲁棒的纠缠门。这个纠缠门家族包含与量子算法中的CNOT门一样有效的门。我们在一定程度上研究了电路的鲁棒性。
2017-07-10 quant-ph
Parallel Gate Operations Fidelity in a Linear Array of Flip-Flop Qubits
基于硅的量子计算机由于具有较长的电子和核自旋态相干时间，是实现长期通用量子计算的理想选择。此外，微电子学和纳米电子学的持续发展，也与金属氧化物半导体（MOS）系统的缩放有关，使得可以控制单个掺杂剂的位移，从而建议将其开发为量子比特保持器。触发器量子位是一种基于施主的量子位（DQ），其中量子位之间的相互作用可以达到数百纳米的距离。在这项工作中，一个线性阵列的触发器量子位被认为是不必要的相互量子位的相互作用，由于同时应用两个单量子位和两个双量子位门被包括在量子门模拟。特别地，通过研究一个量子位门的对，即Rz（-pi/2）和Rx（-pi/2），以及两个量子位门的对，即\sqrt{iSWAP}的并行执行，发现了安全的量子位间距离，其中不需要的量子位相互作用可以忽略不计，从而导致并行门保真度高达99.9%。
2021-10-25 quant-ph
A tunable coupling scheme for implementing high-fidelity two-qubit gates
具有量子优势的计算硬件的前景关键取决于量子门运算的质量。非理想双量子比特门是实现可扩展量子信息处理器的主要瓶颈。在这里，我们提出了一个可推广和可扩展的方案，通过调制耦合器频率来控制量子比特-量子比特耦合的双量子比特耦合器开关。双量子比特门操作可以通过在色散区操作耦合器来实现，这对量子比特状态是非侵入性的。我们通过在超导量子线路上模拟一个通用的双量子比特门来研究该方案的性能，发现来自已知寄生效应的误差被强烈抑制。该方案与现有的高相干硬件兼容，从而有望与当前技术的更高的门保真度。
2018-03-26 quant-ph
Simplified construction of $n$-qubit controlled phase gates and physical realization
我们证明了在第三层量子比特的帮助下，可以从$2n-4$双量子比特条件交换门、单量子比特控制相位门和两个单量子比特操作构造n量子比特相位门。与以前的方案不同，我们的方案使用辅助水平“暴露”一些状态的qutrit-qubit控制的相位门，而不是使用它来“隐藏”状态的条件动力学。附加级别的数目和单qutrit操作的数目都不需要随着$n$而增加。我们提出了一种腔QED中所需基本门的物理实现方法，并表明与以前的方法相比，总的门时间可以大大减少。
2012-07-19 quant-ph
Fault-Tolerant Topological One-Way Quantum Computation with Probabilistic Two-Qubit Gates
我们提出了一种可扩展的方法来构建一个3D集群状态的容错拓扑单向计算（TOWC），即使纠缠的两个量子比特门成功的概率很小。结果表明，当两量子比特门的条件错误概率小于0.040%（0.016%）时，两量子比特门的成功概率可以达到0.5（0.1）.此外，与传统的概率双量子比特门容错方案相比，资源使用被大大抑制。
2010-12-20 quant-ph
A universal quantum gate set for transmon qubits with strong ZZ interactions
高保真单量子比特和双量子比特门是容错量子计算机的基本构建模块。虽然在抑制超导量子比特系统中的单量子比特门错误方面已经取得了很大进展，但双量子比特门仍然遭受高出几个数量级的错误率。一个限制因素是剩余的ZZ-相互作用，这源于计算状态和高能状态之间的耦合。虽然这种相互作用通常被视为一种滋扰，但在这里，我们通过实验证明，它可以被利用来在耦合transmon量子比特系统中产生一组通用的快速单量子比特和双量子比特纠缠门。为了实现任意的单量子比特旋转，我们设计了一种称为双轴门的新协议，该协议基于三部分复合脉冲。它旋转一个量子位独立于其他量子位的状态，尽管有很强的ZZ耦合。我们实现了单量子位门的随机基准测量高达99.1%。然后，我们演示了CZ门和CNOT门。因为系统具有强的ZZ-相互作用，所以可以通过让系统自由地演化门时间$t_g=53.8$ ns来实现CZ门。为了设计CNOT门，我们利用基于SWIPHT协议的分析微波脉冲形状来实现快速，低泄漏门。从量子进展层析成像中，我们分别获得了94.6%和97.8%的CNOT和CZ门的正确性。
2021-03-23 quant-ph
Error-divisible two-qubit gates
我们介绍了一个简单的，广泛适用的形式主义设计“错误可分”两个量子比特门：一个量子门集，分数旋转已成比例地减少错误相比，完整的纠缠门。在当前的噪声中间尺度量子（NISQ）算法中，性能在很大程度上受到高电路深度处的误差扩散的限制，其中两个量子比特门误差通常是主要贡献。此外，在许多硬件实现中，任意两个量子位旋转必须由多个两个量子位库存门组成，进一步增加了误差。这项工作介绍了一组标准，示例波形和协议，以满足他们，使用超导量子位与可调谐耦合器构建连续的门集，小角度旋转的误差显着降低。如果大规模实施，NISQ算法的性能将显着提高我们的错误可分门协议。
2021-10-22 quant-ph
