Exploring Shallow-Depth Boson Sampling: Towards Scalable Quantum Supremacy
本文研究浅深度玻色采样的模拟困难性，分析 Fock 态与 Gaussian 态下几何局域架构的局限，并提出一种类似全局 Haar 随机电路的浅深度线性光学架构，为可扩展量子优越性提供依据。
2024-05-08 quant-ph
Quantum Supremacy through the Quantum Approximate Optimization Algorithm
量子近似优化算法（QAOA）是设计在门模型量子计算机上运行的，深度较浅。它将组合优化问题作为输入，并输出一个字符串，该字符串满足可以满足的最大子句数的很大一部分。对于某些问题，QAOA的最低深度版本具有可证明的性能保证，尽管存在具有更好保证的经典算法。在这里，我们认为，除了其可能的计算值QAOA可以表现出一种形式的量子至上，在合理的复杂性理论假设的基础上，即使是最低的深度版本的输出分布不能有效地模拟任何经典设备。我们将此与从运行量子绝热算法（QADI）的量子计算机的输出中采样的情况进行对比，该量子计算机的限制是支配演化的哈密顿量是有间隙的和随机的。在这里，我们表明，有一个预言，将允许从QADI采样，但即使有这个预言，如果可以有效地从QAOA的输出经典采样，多项式层次将崩溃。这表明QAOA是在近期量子计算机上运行的一个很好的候选者，不仅因为它可能用于优化，还因为它有潜力成为建立量子霸权的途径。
2019-10-21 quant-ph
Quantum supremacy in constant-time measurement-based computation: A unified architecture for sampling and verification
虽然容错通用量子计算机在解决某些决策问题方面的量子加速已经得到了承诺，但及时的研究兴趣包括可以在多大程度上减少资源需求，以证明量子设备中的可证明优势，而不需要量子纠错，这对于延长量子比特的相干时间至关重要。我们提出了一个模型装置，由局部相互作用的多个量子比特，设计，使其上的同时单量子比特测量可以输出概率分布，其平均情况下的采样是经典棘手的，在类似的假设下，非相互作用玻色子和瞬时量子线路的采样。值得注意的是，与之前这些基于单位的实现相比，我们基于测量的实现具有两个显着特征。(i)我们的实现不涉及适应的测量基地，导致输出概率分布产生在恒定的时间，独立的系统大小。因此，原则上可以在没有量子纠错的情况下实现。(ii)然而，我们的采样的经典棘手性是通过仅在某些输出量子比特处改变泡利测量基来完成的。我们使用随机交换量子线路代替计算上通用的电路，允许采样和验证的独特统一，因此它们需要相同的物理资源要求，而不是在文献中其他地方看到的更苛刻的验证协议。
2017-12-29 quant-ph
Quantum supremacy in driven quantum many-body systems
量子模拟和计算领域的一个重要里程碑是证明量子设备可以计算某些任务，而这些任务是经典计算机在任何合理的资源下都无法复制的。这样的演示被称为量子霸权。最重要的问题之一是确定表现出量子霸权并且可以用当前量子技术实现的设置。两个标准的候选者是玻色子采样和随机量子线路。在这里，我们表明，量子霸权可以在一般的量子驱动的量子多体系统中获得。我们的分析是基于本征态热化假设和复杂性理论中强有力的假设。为了说明我们的工作，我们给出了简单无序Ising链在整体磁场驱动下的例子和具有调制跳跃的Bose-Hubbard链的例子。我们的提议为一大类量子平台开辟了道路，以展示和衡量量子霸权。
2021-03-24 cond-mat.stat-mech cond-mat.str-el quant-ph
Certified Randomness from Quantum Supremacy
我们提出了一个近期量子设备的应用：即生成加密认证的随机位，用于（例如）权益证明加密货币。我们的协议重新利用了现有的“量子霸权”实验，该实验基于随机电路采样，谷歌和中国科学技术大学已于2019年开始成功实施。我们表明，只要这些实验的输出通过现在标准的线性交叉熵基准（LXEB），在合理的硬度假设下，它们必然包含$Ω(n)$最小熵，其中$n$是量子位数。为了实现随机性的净增益，我们使用一个小的随机种子来产生伪随机挑战电路。作为对挑战电路的响应，量子计算机生成输出字符串，在验证之后，这些字符串可以被馈送到随机性提取器中，以产生经过认证的接近均匀的比特-从而从伪随机性“引导”到真正的随机性。我们证明了我们的协议的声音在两个意义上：（i）根据硬度假设称为长列表量子至上验证，我们证明在随机预言机模型，和（ii）无条件地在随机预言机模型对窃听者谁可以共享任意纠缠的设备。(Note我们的协议的输出是不可预测的，甚至对于可以看到随机预言的计算上无限的对手。目前，我们的协议的主要缺点是验证的指数成本，这在实践中将限制其实施到最多$n\sim 60$量子位，一个攻击昂贵但并非不可能的制度。模的缺点，我们的协议似乎是唯一的实际应用的量子计算，既需要一个QC，是物理上可实现的今天。
2023-03-02 cs.CC quant-ph
Quantum information processing with superconducting circuits: a review
在过去的十年里，超导电路已经从一个有趣的物理器件转变为不久的将来有用的和可扩展的量子信息处理（QIP）的竞争者。先进的量子模拟实验已经显示了多达9个量子比特，而量子至上的演示与50个量子比特预计在短短几年内。量子至上意味着量子系统不能再被最强大的经典超级计算机模拟。集成的经典量子计算系统已经出现，可以用于软件开发和实验，甚至通过Web接口。因此，描述超导装置、系统和应用的一些最新发展的时机已经成熟。因此，对超导量子比特和电路的讨论仅限于被证明对当前或不久的将来的应用有用的设备。因此，兴趣的中心是QIP的实际应用，如物理和化学中的计算和模拟。
2017-10-08 quant-ph
Noise and the frontier of quantum supremacy
噪声是NISQ时代的定义特征，但目前尚不清楚噪声量子设备是否能够实现量子加速。量子霸权实验已经向前迈出了重要的一步，但这些实验背后的理论与实际实现之间仍然存在差距。在这项工作中，我们开始研究量子随机电路采样实验的复杂性与现实的噪声量。实际的量子霸权实验具有高水平的未校正噪声和指数衰减的相干性。人们自然会问，在这些高噪声设备中是否存在任何指数复杂度的信号。令人惊讶的是，我们发现，它仍然很难计算的输出概率的噪声随机量子线路没有错误校正。更正式地说，只要设备的噪声率低于错误检测阈值，我们证明了它是P-困难的随机电路的输出概率计算与恒定的噪声率每门。即使这些概率以指数方式接近均匀，这种硬度仍然存在。有趣的是，这些硬度结果也对低噪声环境中实验的复杂性产生了影响。这里的问题是，先前的硬度计算随机电路的输出概率的结果是不够强大的不精确连接与斯托克迈耶参数的硬度采样电路与恒定的保真度。在随机电路采样和玻色子采样的情况下，我们指数级地提高了先前结果对不精确性的鲁棒性。在后一种情况下，我们把证明的硬度在一个恒定的因素的指数的鲁棒性所需的硬度采样的第一次。然后，我们表明，我们的结果是在紧张与彼此-高噪声的结果意味着低噪声的结果基本上是最优的，即使我们的技术的推广。
2021-06-09 cs.CC quant-ph
General-purpose quantum circuit simulator with Projected Entangled-Pair States and the quantum supremacy frontier
量子计算硬件的最新进展将量子计算推向了量子霸权的边缘。随机量子线路是展示量子霸权的杰出候选者，其可以在二维配置上支持最近邻门操作的量子设备上实现。在这里，我们表明，使用投影纠缠对态算法，一个工具来研究二维强相互作用的多体量子系统，我们可以实现一个有效的通用模拟器的量子算法。这种技术可以精确地量化随机量子线路的内存使用和时间要求，从而显示出量子霸权的前沿。利用这种方法，我们可以计算系统的全波函数，从该全波函数中可以以单位保真度采样单个振幅。应用这个通用的量子线路模拟器，我们在天河二号超级计算机上使用不到$93$ TB的存储器，在31分钟内测量了深度为$1+40+1$和双精度数的量子比特的$7\times 7$晶格的振幅。
2019-11-05 physics.comp-ph quant-ph
Establishing the Quantum Supremacy Frontier with a 281 Pflop/s Simulation
噪声中尺度量子（NISQ）计算机正在进入一个时代，在这个时代，它们可以执行超出最强大的经典计算机能力的计算任务，从而实现“量子至上”，这是量子计算的一个重要里程碑。NISQ Supremacy需要与最先进的经典模拟器进行比较。我们报告了硬随机量子线路（RQC）的HPC模拟，该电路最近被用作量子至上的第一次实验演示的基准，在目前世界上最快的超级计算机Summit上维持281 Pflop/s（真正的单精度）的平均性能。这些模拟是使用qFlex进行的，qFlex是一种基于张量网络的经典高性能RQC模拟器。我们的研究结果表明，NISQ设备的能源消耗在许多数量级的优势，在经典的超级计算机。此外，我们提出了一个基于qFlex的NISQ计算机的标准基准。
2020-05-07 cs.CC physics.comp-ph quant-ph
The Born Supremacy: Quantum Advantage and Training of an Ising Born Machine
University of Edinburgh（爱丁堡大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；École Normale Supérieure（巴黎高等师范学院）；Sorbonne Université（索邦大学）
对近期量子器件应用的研究是广泛的。量子机器学习被吹捧为此类设备的潜在利用，特别是那些超出经典计算机模拟能力范围的设备。在这项工作中，我们提出了一个生成的量子机器学习模型，称为伊辛出生机（IBM），我们表明，在最坏的情况下，并达到适当的错误概念，可以有效地模拟经典设备。我们还表明，这适用于培训过程中遇到的所有电路系列。特别是，我们探索量子线路学习使用非通用电路从伊辛模型哈密顿，这是实现短期量子设备。我们提出了两种新的训练方法的IBM利用斯坦离散和Sinkhorn发散成本函数。我们使用Rigetti的Forest平台和Aspen-1 16 Q芯片中的模拟器进行数值计算，我们建议的成本函数优于更常用的最大平均离散度（MMD）用于可微训练。我们还提出了一个改进的MMD提出了一种新的利用量子内核，我们证明了它的经典对应提供了改进。我们讨论了这些方法学习“硬”量子分布的潜力，这将证明量子优于经典计算机的壮举，并提供了第一个正式的定义，我们称之为“量子学习至上”。最后，我们提出了一个新的观点，量子电路编译领域使用IBM“模仿”目标量子线路，只使用经典的输出数据。
2021-04-27 cs.LG quant-ph
Certified quantum supremacy in entanglement-assisted prepare-measure random-access-code
Indian Institute of Technology Hyderabad（印度理工学院海得拉巴分校）；Korea Institute for Advanced Study（韩国高等研究院）
研究在 n→l 随机访问码框架下的纠缠辅助制备-测量通信游戏，通过分析技术得出 4→l、5→l 等情况下的最优量子成功概率，展示量子优越性，验证爱丽丝酉操作，还扩展了 n→n - 2 情况的量子优势证明。
2026-07-14 quant-ph
Quantum supremacy with analog quantum processors for material science and machine learning
量子霸权是量子处理器在某些任务上优于经典计算机的能力。在数字随机量子线路中，产生的输出分布由波特-托马斯（PT）分布描述。在这种情况下，系统均匀地探索其整个希尔伯特空间，这使得大型系统无法使用经典计算资源来模拟这种量子动力学。然而，后者迄今为止还没有直接应用于解决具体问题。在这项工作中，我们证明了相同的采样复杂性可以从驱动模拟量子处理器中实现，对相干性和控制的要求不那么严格。更重要的是，我们讨论了如何应用这种方法来解决问题的量子模拟阶段的物质和机器学习。具体来说，我们考虑一个简单的量子自旋链与最近邻相互作用的全球磁场驱动。我们展示了量子霸权是如何实现的，由于无序和驱动的多体动力学之间的相互作用的热化的结果。我们分析了如何实现PT分布可以被用来作为一个可访问的参考分布探测的多体局域化（MBL）相变。在我们工作的第二部分，我们展示了我们的设置如何用于生成式建模机器学习任务。我们提出了一种新的变分混合量子经典方法，利用系统固有的可调MBL动态，训练设备学习复杂的经典数据的分布。我们的训练协议的性能仅取决于量子系统所处的阶段，这使得不需要对局部参数进行微调。该协议可在一系列驱动量子多体系统中实现，与噪声中等规模的量子设备兼容。
2019-06-10 cond-mat.quant-gas cond-mat.str-el quant-ph
Assumption-free fidelity bounds for hardware noise characterization
本文提出利用机器学习数据驱动方法和共形预测，在无需建模硬件噪声源且经典模拟不可用的情况下，为量子设备无噪声与含噪声输出之间的保真度提供理论上有效的上界。
2025-04-09 cs.LG quant-ph stat.ML
Complexity-Theoretic Foundations of Quantum Supremacy Experiments
在不久的将来，可能会出现具有40-50个高质量量子位的专用量子计算机。本文为如何使用这种设备来证明“量子霸权”奠定了一般的理论基础：即，对某些任务进行明确的量子加速，其动机是尽可能自信地推翻扩展的Church-Turing Thesis。首先，我们研究了随机量子线路的输出分布采样的难度，这与谷歌量子人工智能小组最近提出的一项建议一致。我们表明，有一个自然的硬度假设，这与采样无关，但意味着没有有效的经典算法可以通过统计测试，量子采样过程的输出确实通过。与以前的工作相比，主要优点是我们现在可以直接谈论观察到的输出，而不是正在采样的分布。其次，为了反驳我们的困难假设，我们给出了一个新的算法，用于在多项式空间和m^O（n）时间内模拟一个一般的n比特m门量子线路。然后，我们讨论为什么这个和其他已知的算法无法反驳我们的假设。第三，解决一个公开的问题Aaronson和Arkhipov，我们表明，任何强量子霸权定理的形式“如果近似量子采样是经典的容易，那么PH崩溃”-必须是非相对化的。第四，反驳了Aaronson和Ambainis的猜想，我们证明了傅立叶采样问题实现了量子和随机查询复杂性之间的常数与线性分离。第五，我们研究了P/poly中相对于神谕的量子霸权。以前的工作意味着，如果OWF存在，那么相对于这样的预言，量子霸权是可能的。我们证明了一些假设是必要的：如果SampBPP=SampBQP和N…
2016-12-26 cs.CC quant-ph
Efficient sampling from shallow Gaussian quantum-optical circuits with local interactions
我们证明了一个经典的计算机可以有效地从高斯态的光子数概率分布的采样，通过使用光路，是浅的和本地的。我们的工作将以前已知的量子比特的结果推广到连续变量域。我们证明的关键是观察到表征由浅电路和局部电路产生的高斯态的邻接矩阵具有小带宽。为了利用这种结构，我们设计了快速算法来计算带状矩阵的循环矩阵。由于从具有指数缩放光子损失的深度光路中进行采样是经典模拟的，因此我们的结果对在具有局部相互作用的光子平台上证明量子优越性的可行性提出了挑战。
2020-09-24 quant-ph
QAOA for Max-Cut requires hundreds of qubits for quantum speed-up
计算量子技术正在进入一个新的阶段，在这个阶段，有噪声的中等规模量子计算机是可用的，但仍然太小，无法从主动纠错中受益。即使有有限的相干预算来投资于量子信息处理，大约50个量子比特的嘈杂设备预计将在未来几年内通过实验证明量子霸权。根据人工任务的定义，目前的量子霸权提案即使成功，也无助于为实际问题提供解决方案。相反，我们相信量子计算机的未来用户对实际应用感兴趣，并且噪声量子设备仍然可以通过混合经典量子算法近似解决困难的组合问题来提供价值。为了降低具有实际效用的量子计算机的大小，我们对量子近似优化算法进行了现实模拟，并得出结论，至少对于代表性的组合问题，量子加速将无法实现，直到数百个量子位可用。
2018-12-18 cs.PF quant-ph
Simulating the Dynamics of Single Photons in BosonSampling Devices with Matrix Product States
玻色子采样是一个定义明确的方案，用于在近期内证明光子的量子优越性。在非自适应线性光网络中，虽然只依赖于多光子干涉，但很难进行经典模拟。在这里，我们使用矩阵乘积态来研究玻色子采样，这是量子多体物理学中一种强大的方法。该方法将光子演化过程中的瞬时量子态存储在光量子线路中，从而可以揭示玻色取样器件中单光子的动力学特征，如纠缠熵增长等。我们也将其应用到耗散光学量子线路，以及电路与费米子粒子的灵活性，这种方法。我们的工作表明矩阵乘积态是模拟光量子线路的一个强有力的平台。它很容易扩展到研究多粒子量子行走中的量子动力学。
2019-08-09 quant-ph
The Quantum Computer Puzzle (Expanded Version)
量子计算机是基于量子物理学的假设设备，它使我们能够比数字计算机快数百个数量级地执行某些计算。这种特性被称为“量子霸权”，这种量子计算霸权的一个方面或另一个方面可能会在不久的将来在实验中实现：通过实施量子纠错，非相互作用玻色子系统，称为任意子的奇异新物质相，量子退火或其他各种方式。关于量子计算机可行性的一个主要问题是量子系统固有的噪声：我们无法准确地控制它们，也无法准确地描述它们。我们将描述一个乐观的量子噪声假设，这将允许量子计算和一个悲观的假设，不会。量子计算机的难题是在这两个假设之间做出决定。以下是作者在论文中解释的悲观观点的简要总结：在存在噪声的情况下理解量子计算机需要考虑不同尺度下的行为。在小尺度下，90年代中期的噪声标准模型是合适的，它们描述的量子演化和状态表现出非常低的计算能力。这种小尺度行为对大尺度噪声量子系统的行为有着深远的影响。一方面，它不允许达到量子容错和量子霸权的起点，使它们在所有尺度上都是不可能的。另一方面，它导致了新的隐式方法在更大的尺度上建模噪声，并对噪声量子系统的行为进行各种预测。
2016-05-03 quant-ph
Semi-device-independently characterizing quantum temporal correlations
本文提出一个设备无关且可扩展为半设备无关的通用框架，用于刻画量子时间关联，并将其应用于时间贝尔不等式违背、时间可导引性和量子随机存取码成功概率的界。
2024-07-02 quant-ph
Hybrid quantum-classical algorithms and quantum error mitigation
量子计算机可以利用希尔伯特空间，其维度随着量子比特的数量呈指数增长。在实验中，谷歌团队最近通过使用具有超过50个量子位的噪声中间尺度量子（NISQ）设备实现了量子霸权。然而，什么可以在NISQ设备上实现的问题仍然没有得到充分的探讨，发现这些设备的有用任务是一个相当感兴趣的话题。量子-经典混合算法通过将量子计算机与经典计算机相结合而被认为非常适合在NISQ设备上执行，并且有望成为量子计算的第一个有用的应用。与此同时，减少量子处理器上的错误对于获得可靠的结果也至关重要。在这篇文章中，我们回顾了混合量子经典算法和量子错误缓解技术的基本结果。由于NISQ器件的量子计算是一个积极发展的领域，我们希望这篇评论是一个有用的基础，为未来的研究。
2020-11-02 quant-ph
Multi-Tensor Contraction for XEB Verification of Quantum Circuits
噪声量子计算机的计算优势已经通过对量子随机电路的位串进行采样而得到了证明。一个重要的问题是如何在所谓的“至高无上的制度”中量化量子设备的性能。标准方法是通过线性交叉熵基准（XEB），其中每个位串都需要概率的理论值。然而，XEB的计算成本呈指数级增长。到目前为止，53量子位Sycamore芯片的随机电路仅验证了10个周期的门;更深电路的XEB性能近似于简化电路。在这里，我们提出了一个多张量收缩算法，以加快XEB的计算量子线路，其中的计算成本可以显着降低，通过某种形式的记忆。作为演示，我们分析了53量子位Sycamore芯片的实验数据，并仅使用中等计算资源（少量GPU）获得了高达16个周期的相应XEB重复性的精确值。如果该算法在Summit超级计算机上实现，我们估计，对于最高（20个周期）电路，它只需要7.5天，这比文献中先前估计的低几个数量级。
2022-05-19 quant-ph
Long-distance device-independent quantum key distribution with standard optics tools
Keio University（庆应义塾大学）；Technical University of Denmark（丹麦技术大学）；National Institute of Information and Communications Technology（信息通信技术研究所）
针对设备无关量子密钥分发（DI-QKD）实际部署因无漏洞贝尔不等式违背易受损耗和探测效率限制的问题，提出两种基于单光子干涉 heralding 方案且仅用标准光学工具的长距离协议，整合经典噪声预处理技术，数值优化显示其通信距离优于现有协议。
2025-08-19 quant-ph
Characterizing quantum processors using discrete time crystals
我们提出了一种方法来表征噪声量子处理器的性能，使用离散时间晶体。与理想的持续振荡行为的偏差会产生数值分数，通过该分数可以测量相对量子处理器的能力。我们构建了覆盖目标系统的完整拓扑结构的量子位布局的小集合，并在各种IBM Quantum处理器上对这些集合执行我们的度量。我们发现，有一个很大的变化，分数，不仅在多个处理器，但在不同的电路布局在单个设备之间。并对结果的稳定性进行了检验。我们的研究结果表明，捕获量子系统的真实性能特征需要对整个设备进行询问，而不是孤立的子图。此外，我们的结果与其他指标之间的不一致表明，不经常计算的基准并不能表明量子处理器的真实性能。该方法与平台无关，易于实现，并且可扩展到形成线性链的任何数量的量子位，同时允许在单个量子位级别识别器件的性能不良区域。
2023-01-18 quant-ph
Characterizing the Reproducibility of Noisy Quantum Circuits
量子计算机再现或复制量子线路结果的能力是验证和确认量子计算应用的关键问题。由器件噪声中的不良特征波动引起的电路结果的统计变化可能导致计算错误和不可再现的结果。虽然器件表征提供了对噪声的直接评估，但一个突出的问题是这些度量如何约束给定量子线路的再现性。在这里，我们首先直接评估一个嘈杂的量子线路的再现性，在计算结果之间的Hellinger距离方面，然后我们表明，设备表征提供了一个分析界上观察到的变化。我们验证的方法，使用一个合奏的单量子位测试电路，在超导transmon处理器上执行，具有良好的特征读出和门错误率。由此产生的描述电路的再现性，在一个复合器件参数，被确认定义上界观察到的海林格距离，跨可变的测试电路。电路结果和器件表征之间的这种预测相关性为评估噪声量子线路的再现性提供了一种有效的方法。
2022-04-01 quant-ph
The Quantum Internet: A Hardware Review
本文从光子学视角综述量子互联网的硬件技术，重点梳理可能支撑大规模量子互联网的关键设备与组件，并给出定性层面的技术全景。
2023-06-01 quant-ph
A method for characterizing coherent-state quantum gates
讨论并实验实现了一种表征相干态叠加量子门的方法。这种量子比特编码的特点是使用非正交基，因此一些技术限制使我们无法使用标准方法，例如过程层析成像。我们采用了一种不同的技术，它依赖于有关设备功能的物理基础的一些先验知识。通过\virtually“处理纠缠态，得到了表征量子门整体质量的参数。
2011-05-27 quant-ph
Post-selection in noisy Gaussian boson sampling: part is better than whole
高斯玻色子采样最初是为了利用量子线性光学元件显示量子优势而提出的。最近，基于高斯玻色子采样的几个实验突破指向量子计算霸权已经提出。然而，由于技术上的限制，高斯玻色子取样装置的结果受到光子损失的严重影响。在这里，我们提出了一个有效的和实用的方法来减少光子损失所造成的负面影响。在不修改硬件的情况下，采用数据后选择的方法，根据我们的准则丢弃低质量的数据，以提高最终计算结果的性能，即部分优于整体。作为一个例子，我们表明，后选择方法可以把一个GBS实验，否则将失败的"非经典测试”到一个可以通过该测试。这种光子损失抑制方法不仅可以提高现有GBS器件计算结果的鲁棒性，而且也有利于基于GBS的量子算法的进一步发展。
2022-12-29 quant-ph
Characterizing heralded single-photon sources with imperfect measurement devices
如果不指定其二阶相干度，即，其$g^{(2)}$功能。这种相干函数的精确测量通常需要高精度的单光子探测器，在没有单光子探测器的情况下，只有时间平均的测量是可能的。然而，如何使用所得到的时间平均量来适当地表征源，这一点尚不清楚。在本文中，我们调查这个问题的一个预示着单光子源，依赖于连续波参数下转换。通过考虑源和检测器的主要缺点，即，源的多光子发射，光电探测器的时间分辨率，以及我们选择的符合窗口的宽度--我们的理论使我们能够从不完美的测量中推断出源的真实特性。我们的理论结果得到了证实的实验演示，使用PPKTP晶体泵浦的蓝色激光，结果在一个单光子产生率约1.2百万每秒每毫瓦的泵浦功率。这项工作朝着这种预示着单光子源的标准化迈出了重要的一步。
2009-09-12 quant-ph
Quantum Zeno effect in correlated qubits
近期量子硬件有望实现量子霸权。然而，从量子动力学的角度来看，量子物理学的基本特性是否允许任何任意的实时加速，这一点并不明确。我们表明，最近才公布的量子费舍尔信息的属性具有深远的影响，可能的量子信息处理的速度。为此，我们分析了一个典型的和教学的例子，量子计算机组成的计算量子位和量子存储器。我们发现存储器和器件之间频繁的相互作用表现出量子芝诺效应。在第二部分中，我们证明了芝诺效应可以通过仔细设计量子存储器的单个元素之间的相关性和相互作用来防止。
2018-05-10 quant-ph
Characterizing the Stability of NISQ Devices
在这项研究中，我们专注于NISQ设备的稳定性问题。定义器件稳定性曲线的参数是由Dijuenzo的工作激发的，Dijuenzo讨论了量子计算的物理实现要求。我们开发的指标和理论框架，以量化的Diplenenzo的要求，并研究这些关键指标的稳定性。我们评估的基础是直方图相似性（在时间和空间上）。对于相同的实验，在时间上产生可再现的直方图并且在空间上产生相似的直方图的设备被认为是更可靠的。为了研究这种可靠性问题鲁棒，我们提出了一个基于矩的距离（MBD）度量。我们说明了我们的方法，从IBM的约克镇设备收集的数据。两种类型的评估进行了讨论：空间稳定性和时间稳定性。
2020-09-17 cs.ET quant-ph
Characterizing and quantifying the incompatibility of quantum instruments
量子设备的不兼容性是量子理论的基石之一，并且量子测量和信道的不兼容性已经与某些信息理论任务中的量子优势相关联。在这项工作中，我们专注于量子仪器的不兼容性的问题，也就是说，在其整体描述测量过程的设备，占经典测量结果和量子后测量状态。特别是，我们专注于最近推出的概念，并行兼容性的文书，这已被认为是一个自然的概念，文书兼容性。我们介绍-类似的情况下的测量和通道-量子仪器的不兼容性的鲁棒性，并推导出它的普遍bounds. We然后证明，后处理的量子仪器是一个自由的操作并行兼容性。最后，我们提供家庭的工具，我们的界限是紧的，家庭的兼容不可分解的工具。
2022-11-17 quant-ph
Machine Learning Kernel Method from a Quantum Generative Model
Institute of Theoretical and Applied Informatics, Polish Academy of Sciences（波兰科学院理论与应用信息学研究所）
最近，已经提出了将噪声中间尺度量子（NISQ）设备用于机器学习任务。由于各种限制，命题往往表现不佳。然而，量子设备应该在采样任务中表现良好。因此，我们回顾了基于采样的机器学习方法的理论，并提出了一个基于量子采样的分类器。也就是说，我们使用随机特征映射方法。提出了一种基于参数化旋转分布随机量子线路的量子采样方法。我们获得了简单易用的方法，直观的超参数，执行至少同样好的顶级开箱即用的经典方法。简而言之，我们得到了一个有竞争力的量子分类器，其关键组成部分是量子采样-这是量子霸权的一个有前途的任务。
2019-07-11 cs.LG quant-ph
Self-consistent noise characterization of quantum devices
表征和理解影响量子系统的环境对于阐明其物理特性和设计更好的量子器件至关重要。我们开发了一种方法来减少量子环境导致单量子位退相到一个简单但预测的噪声模型。我们的方法，量子噪声光谱的启发，是定义一个“自洽”的经典噪声谱，即兼容所有观察到的退相干下各种量子比特动力学。我们展示了我们的方法的能力和局限性，通过表征，与纳米级的空间分辨率，噪声经历了两个电子自旋在钻石，尽管他们的接近，令人惊讶地揭示了一个复杂的量子自旋环境的存在下，无论是经典的可还原的，而不是。我们的研究结果克服了现有噪声光谱方法的局限性，并强调了寻找预测模型以准确表征底层环境的重要性。将我们的工作扩展到多量子比特系统将使复杂环境的空间分辨量子传感和量子器件表征成为可能，特别是识别量子比特之间的相关噪声，这对于实际实现量子纠错至关重要。
2022-10-17 quant-ph
Characterizing Bell state analyzer using weak coherent pulses
贝尔态分析器（BSA）是光子量子信息处理中最关键的器件之一。虽然线性光学提供了一种实现BSA的实用方法，但当输入不是理想的单光子状态时，它提供了不可避免的误差。在这里，我们提出了一个简单的方法来推导BSA的单光子输入使用弱相干脉冲。将该方法应用到与参考系无关、与测量设备无关的量子密钥分发中，实验验证了该方法的可行性和有效性。
2020-09-18 quant-ph
Polynomial-Time Classical Simulation of Noisy IQP Circuits with Constant Depth
本文提出一种多项式时间经典模拟算法，证明经历退相位或退极化噪声的任意IQP电路在深度超过常数阈值时，可由经典计算机高效采样，揭示了基于IQP电路的量子霸权实验对经典模拟的脆弱性。
2024-10-05 cs.CC quant-ph
Characterizing Noise in Controlling Superconducting Qubits
本文研究超导量子比特控制脉冲中的噪声影响，提出控制电子噪声与量子比特相互作用的模型，并给出表征控制噪声环境的方法，以揭示门保真度对信噪比的依赖关系。
2025-09-23 quant-ph
Simulating hydrodynamics on noisy intermediate-scale quantum devices with random circuits
在最近的一个里程碑式的实验中，谷歌的处理器Sycamore通过从（伪）随机电路的输出中采样，预示着“量子霸权”时代的到来。我们表明，这样的随机电路提供了量身定制的积木模拟量子多体系统的噪声中间尺度量子（NISQ）设备。具体而言，我们提出了一个算法，包括一个随机电路，然后由trottered哈密顿时间演化研究流体力学和提取传输系数的线性响应制度。我们通过模拟一维和二维量子自旋系统中时空关联函数的建立来数值演示该算法，在那里我们特别仔细研究了任何现实实现中存在的错误的不可避免的影响。重要的是，我们发现，流体动力学缩放的相关性是非常强大的特罗特步骤，这打开了大门，达到非平凡的时间尺度与少量的门的大小。虽然随机电路内的错误被证明是无关紧要的，我们还揭示了有意义的结果，可以获得噪声的时间演化与误差率在近期硬件上实现。我们的工作强调了抽象采样任务之外的NISQ设备上的随机电路的实际相关性。
2021-06-08 cond-mat.stat-mech quant-ph
Approximating the quantum approximate optimization algorithm with digital-analog interactions
量子近似优化算法是作为一种启发式方法提出的，用于解决近期量子计算机上的组合优化问题，并且可能是在量子计算的后霸权、嘈杂、中等规模时代执行有用计算的首批算法之一。在这项工作中，我们利用最近提出的数字模拟量子计算范式，其中可编程通用量子计算机的多功能性和量子模拟器的容错性相结合，以改善量子计算平台。我们表明，数字模拟范例是适合变分量子近似优化算法，由于其固有的弹性对相干误差，通过进行大规模模拟，并提供其性能的分析界限设备有限的单量子位操作时间。我们观察制度的单量子比特的操作速度，其中所考虑的变分算法提供了显着的改善非变分的同行。
2022-11-09 quant-ph
Quantum Approximate Optimization Algorithm in Non-Markovian Quantum Systems
本文提出在非马尔可夫量子系统中运行QAOA的框架，通过增广系统模型模拟色噪声，并利用量子轨迹增强模拟，证明非马尔可夫性可作为量子资源提升算法性能。
2023-09-01 quant-ph
Classical simulation of lossy boson sampling using matrix product operators
从理论和实践的角度来描述噪声中尺度量子（NISQ）器件的计算优势是一个重要的任务。在这里，我们数值研究NISQ设备的计算能力，专注于玻色子采样，一个众所周知的有前途的问题，可以表现出量子霸权。我们使用矩阵积运算符（MPO）模拟来研究有损玻色子采样的硬度，以使用MPO纠缠熵（EE）来解决光子损失对经典可模拟性的影响，纠缠熵（EE）表征MPO算法的运行时间。MPO模拟的一个优点是，它的模拟精度可以有效地控制通过增加一个MPO的键的尺寸比其他经典算法提出的日期。值得注意的是，我们通过使用MPO模拟有损玻色子采样，随着输入光子数的增长，其计算成本或MPO EE的行为不同，这取决于损失缩放，表现出与无损玻色子采样不同的特征。特别是当输出光子数比输入光子数的平方根更快时，我们的研究表明MPO模拟的时间复杂度呈指数缩放。相反，当输出光子数的缩放速度慢于输入光子数的平方根时，MPO EE可以减小，这指示指数时间复杂度可能不是必需的。
2021-08-05 quant-ph
Characterizing quantum state-space with a single quantum measurement
研究证明复射影3-design参考测量设备可推导$d$维量子态空间，量子态概率分布受广义不确定性原理约束，纯态分布满足特定方程，支持量子理论为概率约束的观点。
2025-04-04 quant-ph
Empirical determination of the simulation capacity of a near-term quantum computer
实验上可实现的量子计算机正在迅速接近量子霸权的门槛。量子哈密顿模拟有望成为这种设备可以证明优于所有经典系统的首批实际应用之一。然而，这些早期的设备将不可避免地保持噪声和小，排除了量子纠错的使用。我们使用高性能的经典工具来构建，优化和模拟量子电路的现实误差模型，以经验确定通过量子信号处理（QSP）实现的近期模拟实验的“模拟能力”，描述模拟时间，系统大小和分辨率之间的关系QSP电路的优化配置，以平衡算法精度和外部噪声。从模拟容量模型，我们估计最大容许错误率有意义的模拟实验在近期的量子计算机。通过利用QSP电路固有的对称性，我们进一步证明，它的量子模拟能力可以增加至少两个数量级，如果错误是系统的和单一的。我们发现，具有$ε^2=10^{-5}$系统幅度误差的设备可以有意义地模拟高达$n\approx16$的系统，其预期故障率低于$10\%$，而具有$p_ε=10^{-5}$随机误差率的设备可以有意义地模拟的最大系统的故障率在$n=3$和$n=5$之间（取决于随机信道）。从经验结果外推，我们估计，通常需要一个低于$p_ε=10^{-8}$的随机错误率，以执行一个有意义的$n=50$模拟实验的失败率低于$10\%$，而相同的实验可以容忍强度$ε^2\approx10^{-6}$的系统酉错误。
2019-05-26 quant-ph
Characterizing non-Markovian Off-Resonant Errors in Quantum Gates
本研究揭示量子门中由失谐驱动引起的非马尔可夫相干误差，常被标准QCVV技术误判，并展示其在transmon架构中的普遍性及对频率选择性架构的潜在限制。
2024-02-08 quant-ph
General model for simulation of the measurement-device independent quantum key distribution
提出了一种通用的与测量设备无关的量子密钥分发（MDI-QKD）仿真模型。该方法可以用来预测线性信道损耗下MDI-QKD的实验观测值，模拟出相应的增益值、不同基的误码率以及最终的密钥速率。我们的模型可以适用于任何凸源态或使用任何编码方案的MDI-QKD。因此，它是有用的表征和评估任何MDI-QKD协议的性能，使其成为一个有价值的工具，在研究量子密钥分发。
2013-12-02 quant-ph
Device-independent tests of quantum measurements
我们考虑的问题，可以由一个任意给定的量子测量产生的输入-输出相关的特征集。我们的主要结果是提供一个封闭的形式，这样一个集的任何量子位测量的充分表征，并讨论其几何解释。作为应用，我们进一步指定我们的结果的情况下，真正的和复杂的对称，信息完整的测量和相互无偏基地的量子比特，在各向同性噪声的存在。我们的结果提供了最佳的设备无关的测试的量子测量。
2017-06-23 quant-ph
Classical simulation of bosonic linear-optical random circuits beyond linear light cone
从量子线路的概率分布中采样是一项基本的和实际的重要任务，它可以用于使用有噪声的中等规模量子设备来证明量子优越性。在本工作中，我们研究了经典的可模拟性采样从输出光子数分布的线性光学电路组成的随机分束器均匀分布的压缩真空态和单光子态输入。我们提供了有效的经典算法来模拟线性光随机电路，并表明该算法的误差是指数小的深度小于二次源之间的距离使用一个经典的随机线性光电路的随机游走行为。值得注意的是，允许有效经典模拟的平均情况深度大于最坏情况深度限制，其在距离上是线性的。此外，我们的结果与玻色子采样的硬度一起给出了构造全局Haar-随机酉回路的深度的一个下界。
2022-08-25 quant-ph
Dephasing Noise Simulation for Coherence-Generating Devices
本文通过定理完整刻画量子门中退相噪声集合及其模拟条件，解析计算量子比特门的量化器，并结合实验数据证明存在不可约化为输入输出态退相的门退相噪声，从而推进相干生成资源理论。
2024-03-28 quant-ph
Semi-device-independent characterization of quantum measurements under a minimum overlap assumption
最近，一种新的框架，半设备无关的量子探测和测量协议已经提出，基于有限的可互换性之间的准备量子态的假设。在这里，我们讨论的问题，在这种情况下，一个未知的量子测量设备的特征。我们提出了几种方法来解决这个问题。考虑到最简单的情况下，两个准备与下界重叠，我们表明，真正的3-结果POVMs可以被认证，即使在存在噪声。此外，我们表明，执行明确的状态歧视的最佳POVM可以自我测试。
2019-11-08 quant-ph
Device-Independent Certification of Genuinely Entangled Subspaces
自测试是一种以最低信任级别表征量子资源的过程。到目前为止，它已被用作特定的量子测量，通道和纯纠缠态的设备无关的认证工具。在这项工作中，我们引入了自测试更一般的纠缠结构的概念。更确切地说，我们提出了第一个自我测试的纠缠子空间-五量子比特码和复曲面码。我们证明了所有最大地违反适当选择的贝尔不等式的量子态都必须属于相应的码子空间，其中也包括混合态。
2020-12-31 quant-ph
Benchmarking near-term quantum computers via random circuit sampling
近期量子硬件规模的不断增加激发了对有效噪声表征方法的需求，因为量子位和门级技术无法捕获许多量子位系统中的串扰和相关噪声。虽然可扩展的方法，如循环基准测试，是已知的特殊类别的量子线路，在一般电路的噪声与非克利福德门的表征一直是一个遥不可及的任务。我们开发了一种算法，可以采样有效地估计由任意非Clifford门层引起的噪声总量，包括所有串扰，并在IBM Quantum硬件上实验演示了该方法。我们的算法受到Google量子霸权实验的启发，基于随机电路采样。在他们的论文中，谷歌观察到他们的实验线性交叉熵与一个简单的不相关噪声模型一致，并声称这种巧合表明他们设备中的噪声是不相关的-这是硬件开发迈向容错的关键一步。作为一个应用，我们表明，我们的结果提供了正式的证据来支持这样的结论。
2022-04-19 quant-ph
A Bayesian Approach for Characterizing and Mitigating Gate and Measurement Errors
在量子计算的研究中，人们提出了各种各样的噪声模型来描述由于硬件实现不完善而引起的噪声的传播和影响。识别参数，如门和读出错误率是这些模型的关键。我们使用一个贝叶斯推断的方法来识别这些参数的后验分布，使他们可以更详细地描述。通过以这种方式表征器件误差，我们可以进一步提高量子误差减轻的准确性。在IBM的量子计算设备上进行的实验表明，我们的方法提供了比供应商使用的现有技术更好的错误缓解性能。此外，我们的方法优于标准的贝叶斯推断方法在这样的实验。
2022-11-07 cs.CE quant-ph stat.CO
Characterizing correlation within multipartite quantum systems via local randomized measurements
给定一个量子系统，它的许多量子比特被分成几个不同的部分，这些部分之间的总相关性有多少？这样一个量，旨在测量全局量子态与具有相同局部统计的不相关态的偏差，在理解量子态的复杂网络中的多体关联方面起着重要作用。然而，这个量的实验访问仍然具有挑战性，因为它往往是非线性的，因此通常需要断层扫描，随着相关量子系统的尺寸缩放，断层扫描变得迅速棘手。在这里，我们引入了一个更容易通过实验获得的总相关性量化器，它可以仅使用单量子比特测量来估计。它需要比状态层析成像少得多的测量，并且避免了对给定状态的多个副本进行相干干扰的需要。因此，我们提供了一个工具来证明多体相关性，可以应用于近期的量子器件。
2022-02-12 quant-ph
A deep dive into the interplay of structured quantum peaked circuits and infinite temperature correlation functions
本文提出利用结构化尖峰量子态替代随机态，通过相长干涉放大特定算子子空间的贡献，从而在NISQ设备上稳健检测无限温度关联函数，缓解随机平均导致的信号损失并提升可验证性。
2025-08-26 quant-ph
Characterizing finite-dimensional quantum behavior
我们研究和扩展的半定规划（SDP）层次中介绍[物理。115，020501]的表征的统计相关性所产生的有限维量子系统。首先，我们介绍了维数约束的非交换多项式优化（NPO）范式，其中一些多项式不等式的定义和优化进行所有可行的运营商表示的有界维数。器件无关和半器件无关的量子信息科学中的重要问题都可以在这个框架中表述（或几乎表述）。我们提出了有效的SDP层次攻击一般的维数约束的NPO问题（和相关的），并证明其渐近收敛。为了说明这些弛豫的力量，我们用它们来推导新的时间和贝尔型相关场景的维证人，也绑定量子随机访问码的成功概率。
2015-07-27 math.OC quant-ph
