A Topologically Fault-Tolerant Quantum Computer with Four Dimensional Geometric Codes
本文通过旋转四维自校正量子存储器设计拓扑量子码，提出[[96,6,8]]四维阿达玛格码，实现单发纠错、低深度逻辑操作和通用容错架构，显著降低量子比特需求，并给出完整的克利福德门集。
2025-06-18 quant-ph
A new twist on the Majorana surface code: Bosonic and fermionic defects for fault-tolerant quantum computation
本文提出马约拉纳表面码中扭曲缺陷的统一框架，证明其可编码两倍拓扑保护信息，并实现通用计算，为容错量子计算开辟新路径。
2024-07-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el quant-ph
Noise threshold and resource cost of fault-tolerant quantum computing with Majorana fermions in hybrid systems
研究了由Majorana费米子和拓扑无保护量子系统（如超导电路或量子点）组成的系统中的容错量子计算.拓扑无保护的量子系统引起的错误需要用纠错方案来纠正，例如，表面码。我们发现，这种混合拓扑量子计算机的纠错性能并不优于一个正常的量子计算机，除非马约拉纳费米子的拓扑电荷是不受噪声的影响。如果改变拓扑电荷的错误很少发生，那么容错阈值就比普通量子计算机的阈值高得多，并且表面编码逻辑量子比特可以仅用几十个拓扑量子比特来编码，而不是大约一千个普通量子比特。
2016-09-16 quant-ph
High-threshold fault-tolerant quantum computation with analog quantum error correction
Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）量子比特是实现连续变量容错量子计算的重要技术元素。然而，它仍然是具有挑战性的实验产生的GKP量子比特所需的压缩水平，14.8分贝，现有的容错量子计算。为了降低这个要求，我们提出了一个高阈值的容错量子计算与GKP量子位使用拓扑保护的测量为基础的量子计算与表面码。利用GKP量子比特中的模拟信息，对表面码进行模拟量子纠错，并在基于拓扑保护测量的量子计算中，提出了一种在构建大规模团簇态时防止压缩能级下降的方法.我们数值计算表明，所需的压缩水平可以放宽到小于10分贝，这是在目前的实验技术的范围内。因此，这项工作可以大大减轻这种实验要求，并向实现大规模量子计算更近一步。
2018-03-06 quant-ph
Blueprint for a microwave trapped-ion quantum computer
通用量子计算机的可用性将对大量研究领域和整个社会产生根本性影响。越来越多的科学和工业界正在努力实现这样的装置。任意大的量子计算机最好使用模块化方法构建。我们提出了一个基于捕获离子的可扩展量子计算机模块的蓝图，它使得创建一个基于长波长辐射的可扩展量子计算机架构成为可能量子门。这些模块作为独立单元控制所有操作，使用硅微制造技术建造，并且它们在当前技术的范围内。为了执行所需的量子计算，这些模块利用基于长波长辐射的量子门技术。为了将这种微波量子计算机架构扩展到任意大小，我们提出了一种完全可扩展的设计，该设计利用不同模块之间的离子传输，从而允许连接任意多个模块以构建大规模设备。一个高错误阈值的表面错误校正代码可以实现在所提出的架构执行容错操作。只需进行微小的调整，所提出的模块也适用于替代的捕获离子量子计算机架构，例如使用光子互连的方案。
2016-06-24 quant-ph
Autocorrelations and Thermal Fragility of Anyonic Loops in Topologically Quantum Ordered Systems
显示拓扑量子序（TQO）的系统，并有一个间隙的激励，硬件容错在有限的温度？我们表明，在表面码模型，显示低d维规范样对称性，如Kitaev的和它的推广，拓扑对称性运营商的期望值消失在任何非零温度，我们创造的热脆性的现象。在这些系统中的非局部拓扑量的自相关时间可能仍然有限，即使在热力学极限。我们提供了明确的表达Kitaev的模型中的自相关函数。如果可以实现远低于间隙的温度，则这些自相关时间（尽管是有限的）可以变大。在大的空间和/或时间距离的相关性的损失背后的物理引擎是在任何有限的温度下的拓扑缺陷的扩散作为一个降维的结果。这就提出了一个重要的问题：我们如何才能最好地量化有限温度下拓扑有序系统中量子信息的保护程度？
2007-09-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el quant-ph
Scaling law for topologically ordered systems at finite temperature
了解有限温度下拓扑有序晶格系统的行为是评估其作为容错量子存储器潜力的一种方法。我们计算了T > 0时拓扑纠缠熵的自然扩展，即对互信息面积定律的次引导修正$I_{\textrm{topo}}$。对于阿贝尔基塔耶夫模型，它对T的依赖性可以用信息论函数和容易识别的标度行为来表示，从中可以看出体积、温度和拓扑序之间的相互作用。这些论点被扩展到非阿贝尔量子双模型，并给出了数值结果的$D(S_3)$模型，定性的阿贝尔情况下的协议。
2008-08-18 cond-mat.str-el quant-ph
Topologically protected excitons in porphyrin thin films
有机材料中激子输运的控制对于开发高效的光捕获系统具有根本的重要性。这种输运很容易被无序能量景观中的陷阱所破坏。在这里，我们提出并分析了一个系统，支持拓扑Frenkel激子边缘状态。这些手性Frenkel激子的反向散射被对称性所禁止，确保了这样的系统的输运性质对无序是鲁棒的。为了实现我们的想法，我们提出了一个二维的周期性阵列的倾斜卟啉与均匀磁场相互作用。该场用于打破时间反演对称性，并导致模拟电子获得的Aharonov-Bohm相位的晶格通量。我们的建议是实现分子聚集体中物质的拓扑相的第一个蓝图，并提出了一个工程新型激子材料的范例。
2014-06-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Experimental Preparation of Topologically Ordered States via Adiabatic Evolution
拓扑序是一类奇异的物质态，其特征是长程纠缠模式。某些拓扑有序系统被认为是容错量子计算的潜在实现。拓扑序可以在二维自旋晶格模型中出现。在本文中，我们设计了一个含时的哈密顿量，通过绝热演化来制备一个拓扑有序态。在退化的基态空间的模型的其他部门是通过应用相应的闭弦算子的非平凡操作。每个扇区都是高度纠缠的，如完全重建的密度矩阵所示。这为探索拓扑序的性质以及拓扑序在拓扑量子存储中的应用铺平了道路。
2018-07-09 cond-mat.str-el quant-ph
Experimental realization of a topologically protected Hadamard gate via braiding Fibonacci anyons
拓扑量子计算（TQC）是实现容错量子计算机最引人注目的体系结构之一。在TQC中，逻辑空间和量子门是拓扑保护的，即，鲁棒性强，不受局部干扰。然而，拓扑保护需要相当复杂的晶格模型和难以操纵的动力学;即使是可以实现普适TQC的最简单的系统-斐波那契任意子系统-也缺乏物理实现，更不用说编织非阿贝尔任意子了。在这里，我们提出了一个可以实现Fibonacci任意子系统的磁盘模型，并利用Fibonacci任意子构造了拓扑保护的逻辑空间。通过编织Fibonacci任意子，我们可以在逻辑空间上实现泛量子门。我们的建议是平台独立的。作为演示，我们实现了一个逻辑量子比特上的拓扑Hadamard门通过一系列的$15$编织操作的三个Fibonacci任意子只有$2$核自旋量子位。通过随机基准测试，门保真度达到97.18%。我们进一步通过实验证明，逻辑空间和Hadamard门的拓扑保护：局部扰动由于热涨落的结果，在全球的阶段。我们的工作证明了TQC的原理，为容错量子计算铺平了道路。
2022-10-21 quant-ph
Physical Implementation of a Majorana Fermion Surface Code for Fault-Tolerant Quantum Computation
我们提出了一个物理实现的相互作用马约拉纳费米子实现$Z_{2}$拓扑秩序的交换哈密顿量，使用约瑟夫森耦合拓扑超导岛阵列。所需的多体相互作用哈密顿量自然地由充电能量在超导岛上引起的量子相位滑移和电子隧穿的组合产生。我们的设置改进了最近的建议，用于实现马约拉纳费米子表面码[1]，容错量子计算的“混合”方法，结合（1）工程的稳定剂哈密顿与拓扑有序的基态（2）投影稳定剂测量，以实现纠错和一组通用的逻辑门。我们的混合策略在误差抑制和单步稳定器测量方面优于传统的表面码结构，并且广泛适用于实现量子计算的稳定器码。
2015-09-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Physical Architecture for a Universal Topological Quantum Computer based on a Network of Majorana Nanowires
拓扑量子计算（TQC）的思想是利用物质的拓扑有序相的物理特性，以内在容错的方式存储和操纵量子信息。目前，最有前途的拓扑量子比特平台之一是自旋轨道耦合超导纳米线中的马约拉纳费米子零模（MZM）。然而，拓扑鲁棒的操作，可能与MZM可以有效地模拟在一个经典的计算机上，因此不足以实现一个通用的门设置TQC。在这里，我们表明，一个阵列的耦合超导体纳米线与MZM边缘状态可以用来实现一个更复杂的类型的非阿贝尔缺陷：基因在伊辛$\times$伊辛拓扑状态。这导致了一种可能的实施方式的丢失的拓扑保护的$π/8$相位门，从而通用TQC的基础上超导体纳米线技术。我们提供了详细的数值估计的相关能源规模，我们表明，位于可访问的范围内。
2015-09-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el cond-mat.supr-con
Methods for simulating string-net states and anyons on a digital quantum computer
在实验环境中寻找拓扑有序态的物理实现，从凝聚态到人工量子系统，一直是利用其非常规性质的主要挑战。我们展示了如何在数字量子计算机上实现一大类拓扑有序态并模拟它们的准粒子激发。为了实现这一点，我们设计了一组线性深度的量子线路，以产生一般弦网络模型的基态，以及幺正开弦算子，以模拟阿贝尔和非阿贝尔任意子的创建和编织。我们表明，阿贝尔（非阿贝尔）酉弦算子可以实现一个常数（线性）深度量子线路。我们的方案允许我们直接探测特征拓扑性质，包括拓扑纠缠熵，编织统计，和任意子的融合通道。此外，这组高效制备的拓扑有序态在容错量子计算机的发展中具有潜在的应用。
2022-10-24 cond-mat.str-el quant-ph
Fault-tolerant quantum computation with static linear optics
基于Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）量子比特的容错量子计算光子实现的可扩展性受到线性光网络内嵌压缩和可重构性要求的影响。在这项工作中，我们提出了一个拓扑纠错的架构，没有这些元素的成本-事实上，在一个优势-国家准备开销。我们的计算机由三个模块组成：GKP状态的概率源的二维阵列;静态分束器、移相器和单时间步长延迟线的深度四电路;以及零差检测器的二维阵列。我们提出的电路的对称性使我们能够结合有限压缩和均匀光子损失的噪声模型内的影响，从而产生更全面的阈值估计。这些跨越架构和分析障碍的跨越大大加快了光子量子计算机的构建。
2021-04-09 quant-ph
Fault-tolerant Holonomic Quantum Computation in Surface Codes
我们证明了通用完整量子计算（HQC）可以通过对表面码的带隙稳定子哈密顿量进行几何变形而实现容错，其中量子信息被编码在系统哈密顿量的简并基空间中.我们明确提出的程序来执行每个逻辑操作，包括逻辑状态初始化，逻辑状态测量，逻辑CNOT，状态注入和蒸馏等，特别是，绝热编织的表面上的不同类型的孔导致拓扑保护，非阿贝尔几何逻辑CNOT。在整个计算过程中，量子信息通过恒定的能隙而免受小扰动和低权重热激发的影响，并且与系统大小无关。此外，在整个过程中，哈密顿项的权重最多为4。在绝热码变形过程中考虑了热误差传播的影响。在主动纠错的帮助下，该方案是容错的，在这个意义上，计算时间可以是任意长的足够大的晶格尺寸。计算结果表明，恒定的能隙可以大大降低纠错的频率和所需的物理资源。
2015-02-04 quant-ph
Combining Topological Hardware and Topological Software: Color Code Quantum Computing with Topological Superconductor Networks
我们提出了一个可扩展的容错拓扑量子计算的架构，使用网络的电压控制的马约拉纳库珀对盒，和拓扑色码的错误校正。颜色码有一组横向门，这与基于马约拉纳的系统中的拓扑保护门的集合一致，即Clifford门。通过这种方式，我们建立色码提供了一个自然的设置，其中拓扑硬件提供的优势可以与成熟的容错量子计算的拓扑纠错软件所产生的优势相结合。我们提供了一个完整的描述，我们的架构，包括基本的物理成分。我们首先表明，在拓扑超导体网络中，六边形细胞可以用作物理量子比特的通用量子计算，并提出了实现拓扑保护的克利福德门的协议。这些六边形单元量子位允许通过魔态蒸馏直接实现具有无附属校验子读出和逻辑$T$门的开边界色码。为了具体起见，我们描述了如何使用Majorana库珀对盒网络来实现必要的操作，并给出了这种架构中纠错的可行性估计。我们的方法的动机是基于拓扑超导体的网络，但也可以实现在替代设置，如量子霍尔超导体混合。
2017-09-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Roadmap to Majorana surface codes
表面码为容错量子计算提供了一条非常有前途的途径。我们认为，在拓扑超导体/半导体异质结构的二维相互作用网络的马约拉纳束缚态在这个方向上有几个明显的优势，无论是关于硬件实现和实际操作的代码。我们在这里讨论如何拓扑保护的逻辑量子比特在这个马约拉纳表面码架构可以被定义，初始化，操纵，和读出。实现这些操作所需的所有物理成分通常用于拓扑上微不足道的量子设备。特别是，我们表明，通过在线性电导测量，复合单电子泵浦协议，和门可调隧道势垒的量子干涉条款，通用量子计算所需的全套量子门可以实现。
2016-06-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Universal quantum computation via scalable measurement-free error correction
本文提出Bacon-Shor码无测量形变协议与一次性Toffoli小装置，实现无中间测量、无前馈的容错通用量子计算，测得约0.12%的电路级退极化噪声容错阈值，适配中性原子平台。
2025-11-17 quant-ph
Digital Quantum Simulation of the quantum $β$-FPUT Lattice: Formulation and Resource Estimation
Univ. Grenoble Alpes, CNRS（格勒诺布尔阿尔卑斯大学，法国国家科学研究中心）；Capgemini Quantum Lab
针对量子$\beta$-FPUT晶格，提出第一量子化的数字量子模拟框架，通过离散晶格位移直接处理非简谐相互作用，并设计浅层量子电路计算模分辨位移关联函数，给出了容错量子计算机上的资源估计。
2026-05-27 quant-ph
The x+y Floquet code: A simple example for topological quantum computation in the path integral approach
本文提出 x+y Floquet 码，沿 x+y 方向穿越 toric-code 相的路径积分构造容错电路，并说明边界、角、拓扑逻辑门及基于 lattice surgery 的容错逻辑 ZZ 测量。
2025-03-17 quant-ph
FT-Weave: Real-Time Compilation Framework for Reconfigurable Fault-Tolerant Quantum Architectures
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；QuEra Computing Inc.（QuEra计算公司）
针对容错量子编译中离线调度无法适应随机资源结果的问题，提出实时编译框架FT-Weave，联合协调资源制备、分配、路由与纠错，在两种中性原子架构上实现高达3倍加速，并揭示运行时协调比暴露并行性更关键。
2026-09-18 quant-ph
Measurement-free topological protection using dissipative feedback
保护量子信息不受环境噪声的影响是容错量子计算的关键。为此，标准量子纠错采用单个粒子的平行投影测量，这使得系统极其复杂。在这里，我们提出了在二维测量自由拓扑保护没有任何选择性解决个别粒子。我们利用工程耗散动力学和反馈操作来减少由退相干产生的熵，从而在拓扑上保护量子信息。我们计算一个错误阈值，低于该阈值，量子信息被保护，而不假设选择性寻址，投影测量，也不是瞬时经典处理。所有的物理操作都是局部的和几何不变的，并且不需要并行的投影测量，这意味着高的可扩展性。此外，由于我们利用的工程耗散动力学已经在量子模拟中得到了很好的研究，该方案可以是一个有前途的路线从量子模拟到容错量子信息处理。
2014-01-24 cond-mat.str-el quant-ph
Quantum computing with anyons is fault tolerant
Harvard University（哈佛大学）；IBM Quantum, T. J. Watson Research Center（IBM量子，T.J.沃森研究中心）；IBM Denmark（IBM丹麦）
本文提出了一种基于任意子编织的容错量子计算方案，通过错误校正实现鲁棒的通用量子计算。
2026-02-11 cond-mat.stat-mech cond-mat.str-el quant-ph
Topological fault-tolerance in cluster state quantum computation
我们描述了一个容错版本的单向量子计算机在三个空间维度上使用集群状态。拓扑保护的量子门通过选择合适的边界条件来实现。我们提供了这些边界条件，可用于简化容错电路，并在拓扑的方式来获得电路身份的等价变换。通过将簇的一个空间轴转换为时间轴，可以将方案的空间维度减少到两个。误差阈值为0.75%的准备，门，存储和测量误差的误差模型中的每个源。操作开销在电路大小上是多对数的。
2007-03-16 quant-ph
Experimental Quantum Computations on a Topologically Encoded Qubit
量子计算机的构建仍然是一个基本的科学和技术挑战，特别是由于不可避免的噪音。使用容错量子计算（FTQC）协议可以保护量子态和操作免受错误。在这里，我们提出了一个步骤，通过实现量子纠错码，编码一个量子比特分布在7个捕获离子量子比特的纠缠态。我们展示了代码检测一个比特翻转，相位翻转或两者的组合错误的能力，无论它们发生在哪个量子比特上。此外，我们将整个逻辑单量子位Clifford门集合的组合应用于编码量子位，以探索其计算能力。实现的7-qubit码是完整的Calderbank-Shor-Steane（CSS）码的第一个实现，并构成了基于级联基本量子码的FTQC方案的中心构建块。它还代表了颜色代码的最小的全功能实例，打开了通往拓扑FTQC的路线。
2014-03-21 cond-mat.other quant-ph
Anyon condensation and the color code
本文提出任意子凝聚理论，统一解释容错逻辑操作，并用于色码，设计新逻辑门及Floquet色码，展示动态码为凝聚序列。
2024-03-13 cond-mat.str-el quant-ph
Topological superconductor from superconducting topological surface states and fault-tolerant quantum computing
二维手征$p$波超导/超流体系统是拓扑量子计算中最简单、最稳定的系统。自然界中这种拓扑超导体/超流体的候选者非常罕见。一种普遍认为的手征$p$波超流体是$ν=\frac{5}2$分数量子霍尔效应中的摩尔-里德态，尽管实验证据还没有决定性。利用量子反常霍尔绝缘体-超导体混合结构实现手征$p$波超导体的实验一直存在争议。在这里，我们报告了一个新的机制，实现二维手性$p$波超导体的表面上的三维$s$波超导体，具有拓扑能带结构和支持超导拓扑表面态（SC-TSS），如铁基超导体Fe（Te，Se）。我们发现，通过薄膜上下表面的SC-TSS之间的隧穿和配对，或两个超导体的相对表面之间的隧穿和配对，可以产生一种新出现的二维时间反演对称性破缺的手征拓扑超导体.拓扑保护的任意子涡旋与马约拉纳零模式，以及手征马约拉纳费米子边缘模式，可以用作一个平台，更有利的非阿贝尔编织操作。我们提出了一种新的具有六个手征马约拉纳费米子边缘模的CNOT门器件，为容错通用量子计算铺平了道路。
2020-03-26 cond-mat.supr-con quant-ph
Robustness of a state with Ising topological order against local projective measurements
本文研究弱塞曼微扰下蜂窝基塔耶夫模型基态在随机局域投影测量下的鲁棒性，发现非阿贝尔伊辛拓扑序比环面码极限中的阿贝尔 $Z_2$ 拓扑序更能抵抗退相干扰动。
2024-03-12 cond-mat.str-el quant-ph
Fault-Tolerant Quantum Computing with Trapped Ions: The Walking Cat Architecture
IonQ Inc.（IonQ公司）
本文提出了一种基于LDPC码的囚禁离子量子计算机架构，设计了高效的解码器和误差校正协议，展示了三种不同架构实例，实现了高逻辑量子比特数和高操作速率的容错量子计算。
2026-04-21 cs.ET quant-ph
Self-induced manipulation of biphoton entanglement in topologically distinct modes
本文提出通过波导非线性与晶格结构结合，利用泵浦功率自诱导调控缺陷态拓扑性质，在拓扑平凡模式上生成双光子纠缠态，并给出实验方案及其在SSH模型和容错量子信息处理中的应用。
2025-11-08 quant-ph
Instantaneous braids and Dehn twists in topologically ordered states
拓扑有序态的一个定义特征是在具有非平凡拓扑的空间上存在局部不可区分的态。这些简并态形成了空间的映射类群（MCG）的表示，它是由缺陷或任意子的辫子，以及沿着不可收缩循环的Dehn扭曲产生的。这些操作可以被看作拓扑量子纠错码和拓扑量子计算中的容错逻辑门。在这里，我们表明，辫子和德恩扭曲一般可以实现一个恒定的深度量子线路，具有独立的代码距离$d$和系统的大小的深度。该电路由实现量子态的局部几何变形的恒定深度局部量子线路（LQC）组成，随后是对量子位的置换（重新标记）。置换需要置换由$d$阶的距离分开的量子位;它可以通过移动量子位的集体经典运动来实现，或者作为在固定量子位上使用长距离SWAP操作（具有由$d$设置的范围）的恒定深度电路来实现。将这些结果应用于某些非阿贝尔量子纠错码，演示了如何仅使用恒定深度酉电路在编码量子比特上实现通用逻辑门集。
2019-07-04 cond-mat.str-el hep-th math-ph
Error-tolerant quantum convolutional neural networks for symmetry-protected topological phases
针对近期量子计算机的误差容错需求，构建了可识别对称保护拓扑相的容错量子卷积神经网络，证明其对特定误差具有鲁棒性，且可通过经典后处理实现常数深度电路，指数级降低样本复杂度。
2024-09-18 quant-ph
Multiplexed bi-layered realization of fault-tolerant quantum computation over optically networked trapped-ion modules
University of Pittsburgh（匹兹堡大学）；Wyant College of Optical Sciences, University of Arizona（亚利桑那大学怀恩特光学科学学院）；A. James Clark School of Engineering, University of Maryland（马里兰大学A·詹姆斯·克拉克工程学院）
研究基于光网络离子阱模块的容错测量量子计算架构，采用空间和时间多路复用生成拓扑保护的RHG团簇态，并分析双层实现中的码周期时间和离子资源需求。
2024-11-13 cs.DC quant-ph
Long-range nonstabilizerness of topologically encoded states from mutual information
Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Bologna and INFN, Sezione di Bologna（博洛尼亚大学物理与天文学系及意大利国家核物理研究所博洛尼亚分部）；Perimeter Institute for Theoretical Physics（理论物理珀利默研究所）；Department of Physics and Astronomy, Purdue University（普渡大学物理与天文学系）；Purdue Quantum Science and Engineering Institute, Purdue University（普渡大学量子科学与工程研究所）；Quantinuum
本文研究了拓扑有序系统编码态的长程非稳定性，通过互信息分析来诊断非稳定性，展示了在扭环面上的格子模型中，非合同环区域间的互信息变化如何揭示非稳定性特征，并在扭码和非阿贝尔弦网模型中进行了具体验证。
2026-06-16 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Braiding with Majorana lattices: Groundstate degeneracy and supersymmetry
本文提出一种在三结Majorana晶格中的编织协议，证明基态能量劈裂随模数指数衰减，源于低能哈密顿量的超对称性与非平凡拓扑，为容错拓扑量子计算提供新方案。
2022-09-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con hep-th
An exchange-based surface-code quantum computer architecture in silicon
硅中的磷施主自旋为实现鲁棒量子比特提供了许多有前途的特性。在用于按比例放大的各种概念中，共享控制概念利用3D扫描隧道显微镜（STM）制造技术来最小化控制线的数量，从而允许将施主放置在$\geq$ 30 nm的节距极限处，从而实现偶极相互作用。一个根本的挑战是利用更快的交换相互作用，然而，所需的供体间距通常为15 nm或更小，并且交换相互作用对供体放置中的晶格位置变化非常敏感。这项工作提出了一个快速交换为基础的表面码量子计算机架构，明确解决了施主放置不精确的原子精度的制造技术和严格的量子比特间距的要求。通过引入中间供体作为交换相互作用开关来扩展有效间距。我们认为这两个全球性的控制方案和预定的一系列操作，通过设计GRAPE脉冲为个人hocTs的基础上预测的原子紧束缚模拟耦合的情况。该架构与现有的制造能力兼容，并可作为基于硅中施主杂质的全尺寸容错量子计算机的实验实现的蓝图。
2021-07-26 cond-mat.mes-hall physics.comp-ph quant-ph
Topological Quantum Computation with Gapped Boundaries
本文研究了带隙边界的容错量子计算。首先，我们介绍了Kitaev的量子双模型的Dijkgraaf-Witten理论，利用其哈密顿实现的间隙边界。对边界元激发进行了分类，系统地描述了体-边界凝聚过程。我们还提供了一个可交换的哈密顿量来实现任何量子双模型中边界之间的缺陷。接下来，我们给出了带隙边界和边界缺陷的代数/范畴结构，这些结构将被用来描述拓扑保护操作并获得量子门。为了证明一个潜在的物理实现，我们提供了量子线路的表面码，可以执行所有的基本操作的间隙边界。最后，我们展示了如何间隙边界的阿贝尔理论$\mathfrak{D}(\mathbb{Z}_3)$可以用来执行通用的量子计算。
2016-10-17 cond-mat.str-el math.QA quant-ph
Universal quantum computation using Ising anyons from a non-semisimple Topological Quantum Field Theory
本文提出利用非半单拓扑量子场论扩展伊辛任意子框架，通过添加一种新任意子类型，实现仅靠编织即可完成的通用量子计算，为容错量子计算开辟新途径。
2025-04-26 cond-mat.str-el math.QA quant-ph
Quantum Origami: Transversal Gates for Quantum Computation and Measurement of Topological Order
在拓扑学中，环面在某些称为模变换的非平凡变换下保持不变。在拓扑有序的量子态的物质的背景下，这些转换编码的编织统计和融合规则的紧急anyonic激发，从而作为一个诊断的拓扑秩序。此外，较高亏格表面（例如，具有多个柄的环面）的模变换可以增强拓扑状态的计算能力，在许多情况下为量子计算提供通用容错门集合。然而，由于模块化转换的侵入性，它抽象地涉及全局操作和流形手术，它们在本地系统中的物理实现仍然难以捉摸。在这里，我们表明，通过折叠流形，模变换可以应用在一个Single Shot由独立的本地幺正，提供了一类新的横向逻辑门的容错量子计算。具体来说，我们证明了多层拓扑状态与适当的边界条件和扭曲缺陷允许模块化的转换，有效地实现了一个有限的序列的层之间的局部SWAP门。我们进一步提供了直接测量模矩阵的方法，从而测量任意子激发的分数统计，提供了一种直接测量拓扑序的新方法。
2019-12-01 cond-mat.quant-gas cond-mat.str-el hep-th
Enhancing Detection of Topological Order by Local Error Correction
本文提出局部纠错修饰（LED）方法，将纠错与重整化群流结合，用于在噪声条件下高效稳健地探测拓扑序，并在环面码模拟、里德伯原子量子自旋液体实验及非阿贝尔拓扑相中验证其有效性。
2023-07-31 cond-mat.str-el hep-lat quant-ph
Holonomic quantum computing in symmetry-protected ground states of spin chains
虽然固态设备为现代经典计算机提供了自然可靠的硬件，但到目前为止，量子信息处理器类似于真空管计算机，既不可靠也不可扩展。在拓扑有序物质中稳定的强相关的许多身体状态提供了自然容错计算的可能性，但对工程师和相干控制都具有挑战性，并且不能容易地适应不同的物理平台。我们提出了一个架构，实现了一些拓扑模型的鲁棒性，但与一个大大简单的建设。量子信息存储在自旋为1的链的受保护的简并基态中，而量子门仅使用单位场和最近邻耦合通过绝热非阿贝尔完整性来执行。门操作尊重对称性，因此从受保护的基态继承了对噪声和无序的一些保护。
2013-02-24 cond-mat.quant-gas cond-mat.str-el quant-ph
Non-Abelian braiding of Fibonacci anyons with a superconducting processor
本文在超导量子处理器上首次实现了斐波那契弦网模型的非阿贝尔拓扑有序态，演示了具有通用计算能力的斐波那契任意子编织，并通过拓扑纠缠熵和融合规则验证了其非平凡拓扑性质。
2024-03-29 quant-ph
Experimental observation of topological transitions in interacting multi-spin systems
拓扑有序相是近年来出现的最令人兴奋的概念之一，它不仅拓宽了我们对物质相的理解，而且在容错量子计算中也有潜在的应用。然而，拓扑性质的直接测量仍然是一个挑战，特别是在相互作用的量子系统中。本文利用核磁共振模拟器实现了一维海森堡自旋链，观察了相互作用诱导的拓扑跃迁，其中利用动力学响应探测了哈密顿量参数空间中的Berry曲率，然后通过在闭曲面上积分曲率来提取第一Chern数.所采用的实验方法为探索多体相互作用量子系统中的拓扑现象提供了强有力的手段。
2016-01-23 quant-ph
A Quantum von Neumann Architecture for Large-Scale Quantum Computing
随着量子系统的尺寸变得越来越大，需要更复杂的硬件来控制这些系统。为了降低复杂度，我讨论了容错量子计算机所需的并行度以及在不同架构中可以实现的计算速度。要构建大规模量子计算机，可以使用经典计算机架构的架构原理，如多路复用或流水线。在本文中，介绍了量子冯诺依曼架构，该架构使用专用硬件来执行量子计算机的不同任务，如计算或存储。此外，它需要长量子比特相干性和在量子计算机的不同部分之间移动量子信息的能力。作为一个例子，量子冯诺依曼体系结构的捕获离子，它采用了多路复用的存储器区域的大规模量子计算。为了说明这种架构的能力，模型捕获离子量子计算机的基础上量子冯诺依曼架构，量子4004，介绍。它的硬件经过优化以实现简单性，并使用1971年的经典Intel 4004 CPU作为蓝图。Quantum 4004只有一个处理区，采用4个量子位封装。它的量子存储器可以存储多达32768个量子比特离子，单量子比特操作的计算速度为10 $μ$ s，双量子比特操作的计算速度为20 $μ$ s。
2017-11-11 quant-ph
Blind topological measurement-based quantum computation
盲量子计算是一种新的安全量子计算协议，它使没有足够量子技术的爱丽丝能够将她的量子计算委托给拥有完全成熟的量子计算机的鲍勃，这样鲍勃就无法了解爱丽丝的输入，输出和算法。最近的一个原理验证实验证明了光学系统中的盲量子计算，这对盲量子计算在现实噪声条件下的可扩展性提出了新的挑战。在这里，我们表明，容错盲量子计算是可能的拓扑保护的方式使用Raussendorf-Harrington-Goyal计划。该方案的误差阈值为0.0043，与非盲拓扑量子计算的误差阈值（0.0075）相当。由于在一些实验系统中已经实现了0.001量级的每门误差，因此我们的结果意味着安全的云量子计算是可以实现的。
2012-09-06 quant-ph
Measurement-only quantum computation with Majorana corner modes
Majorana模通常出现在一维拓扑超导体的边缘，被认为是容错量子计算中编码非定域量子比特的一个很有前途的候选者。在这里，我们提出利用二维几何的Majorana角模在二阶拓扑超导体实现测量的量子计算。特别地，周期性调制的拓扑超导系统可以承载八个马约拉纳角模，通过这些角模可以构建两个逻辑量子比特以及一个辅助量子比特，并且可以通过一系列马约拉纳奇偶测量来实现拓扑保护的门操作。测量是通过马赫-曾德尔型干涉的半导体拓扑超导体的电导。我们的提议代表了一种场景，其中可以在最小的设置中进行单量子位和双量子位门操作，这可能为基于马约拉纳的量子位架构提供自然的构建块。
2019-04-05 quant-ph
Anyonic interferometry and protected memories in atomic spin lattices
强关联量子系统可以表现出奇异的行为，称为拓扑序，其特征在于依赖于系统拓扑的非局域关联。这样的系统可以表现出显着的现象，如准粒子与任意统计，并已被提出作为自然容错量子计算的候选人。尽管有这些显著的性质，任意子从来没有在自然界中被直接观察到过。在这里，我们描述了如何明确地检测和表征这种状态在最近提出的自旋晶格实现使用超冷原子或分子被困在一个光晶格。我们提出了一种实验上可行的技术，通过对由光学腔模式介导的被困自旋进行全局操作来访问非局部自由度。我们展示了如何使用原子或光子量子比特可靠地读取和写入拓扑保护的量子存储器。此外，我们的技术可以用来探测统计和动力学的任意子激发。
2007-11-08 quant-ph
Quantum topology identification with deep neural networks and quantum walks
拓扑有序材料可以作为容错量子计算机等新量子技术的平台。为了实现这一承诺，需要有效和通用的方法来发现和分类新的拓扑相的物质。我们证明了用外部存储器增强的深度神经网络可以使用量子行走中形成的密度分布来有效地识别拓扑相位和相变的属性。在一个拓扑有序模型上，该方法的拓扑相识别准确率达到97.4%，并且对噪声具有较好的鲁棒性。此外，我们证明了我们训练的DNN能够识别扰动模型的拓扑相位，并预测拓扑相变的相应位移，而无需提前学习任何有关扰动的信息。这些结果表明，我们的方法是普遍适用的，并可用于识别各种量子拓扑材料。
2019-08-27 quant-ph
Simulation of anyonic statistics and its topological path independence using a 7-qubit quantum simulator
任意子是二维空间中具有奇异交换统计的准粒子，可以作为容错量子计算的基本单元。然而，由于目前实验平台的技术限制，实验证明任意子统计是一个挑战。在这里，我们采取一个状态的承诺的方法来模拟任意子在Kitaev晶格模型使用7-qubit的核磁共振量子模拟器。任意子是通过动态准备7量子比特Kitaev晶格模型的基态和激发态而产生的，随后沿着两条不同但拓扑等价的路径编织。我们观察到任意子获得的相位与路径无关，并且当考虑到退相干和实现误差时，与理想的理论预测相吻合。作为首次证明任意子的拓扑路径独立性的实验，我们的实验有助于研究和利用任意子的性质，以实现构建拓扑量子计算机的目标。
2016-01-18 quant-ph
Non-Abelian Anyons with Rydberg Atoms
本研究提出在红宝石晶格里德伯原子系统中，通过混合边界穿孔与辅助原子，利用iDMRG数值方法生成非阿贝尔任意子，实现容错量子计算的逻辑量子比特与编织门。
2023-01-10 quant-ph
Metamaterials in Superconducting and Cryogenic Quantum Technologies
本综述提出将超材料作为解决超导量子计算机相干性与扩展性挑战的方案，通过调控光子态密度抑制退相干并实现长程耦合，推动其成为下一代量子技术的核心架构。
2025-06-24 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Designing quantum technologies with a quantum computer
LG Electronics Toronto AI Lab（LG电子多伦多AI实验室）
本文提出了一种利用量子计算机模拟和优化固态自旋量子比特技术的方法，通过混合算法和量子Krylov快速推进技术，实现长时间动态模拟并减少门操作和电路深度。
2026-07-17 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
An algebraic quantum field theoretic approach to toric code with gapped boundary
本文采用代数量子场论方法，将Naaijkens对无限平面晶格上环面码的严格处理推广到带间隙边界的情形，恢复了Kitaev和Kong的凝聚结果，并证明边界理论是体态上的模张量范畴。
2023-08-18 math-ph math.MP quant-ph
Photonic simulation of Majorana-based Jones polynomials
本研究利用光子量子系统模拟Majorana零模的编织操作，其结果振幅等价于特定参数下的Jones多项式，高保真度平台成功区分多种拓扑链环，推进了容错拓扑量子算法的发展。
2024-05-31 quant-ph
