Controlled-Z gate for transmon qubits coupled by semiconductor junctions
我们分析了两个量子位通过外延半导体结的耦合。特别是，我们考虑三种配置，包括对transmons或gatemons，以及gatemon一样的两个量子位形成的外延四端结。这三种配置通过向半导体结附近的金属栅极施加电压来提供量子位之间的相互作用的电控制，并且可以用于自然地实现受控Z栅极（CZ）。我们计算了这种CZ门的保真度和定时。我们证明了在没有退相干的情况下，CZ门可以在$50\ {\rm ns}$下进行，门误差低于$10^{-4}$。
2018-01-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Semiconducting double-dot exchange-only qubit dynamics in presence of magnetic and charge noises
从理论上研究了磁噪声和电荷噪声对双点纯交换量子比特（DEOQ）动力学演化的影响。由三个电子排列在静电定义的双量子点中组成的DEOQ在量子计算应用中值得特别关注，这是由于其在制造、控制和操纵方面的优势，考虑到仅通过电调谐来实现快速的单量子比特和双量子比特操作。由于核自旋和电荷陷阱的环境噪声的存在下，除了在所施加的磁场和电荷波动的静电门采用限制电子的波动，考虑到包括随机磁场和随机耦合项的哈密顿量。的行为的回报概率作为时间的函数的初始条件的兴趣。此外，通过对返回概率的拟合过程，当模型参数取在半导体器件中实验可实现的值时，提取相干时间。
2018-04-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
Entanglement between static and flying qubits in a semiconducting carbon nanotube
在半导体单壁碳纳米管上，两个自旋为零的电子可以产生纠缠。两个电子，一个弱束缚在导带的浅阱中，另一个注入导带，通过库仑相互作用耦合。传输和纠缠都依赖于阱的特性（可以通过局域门控制）和注入电子的动能，具有不同电子关联度的区域表现出完全或部分纠缠。在后一种情况下，最大纠缠可以估计为一对单重态-三重态共振的宽度和间隔的函数。
2006-02-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el quant-ph
SAT-Based Quantum Circuit Adaptation
随着量子计算这一新兴领域的发展，越来越多的量子硬件形态，如超导电子电路、半导体自旋、被俘获离子和中性原子，已经变得可用于执行量子计算。这些量子硬件模态表现出变化的特性并且实现不同的通用量子门集合，其可以例如包含若干不同的两量子比特量子门。将量子线路从可能与硬件无关的通用量子门集合适配到目标硬件模态的量子门集合对预期量子计算的保真度和持续时间具有关键影响。然而，当前的量子线路适配技术仅应用特定的分解或者仅允许对目标量子线路的局部改进，潜在地导致具有比所需更少的保真度或更多的量子比特空闲时间的量子计算。这些问题被硬件原生量子门的多个选项进一步加剧，从而使得多个通用量子门集合可被硬件模态访问。在这项工作中，我们开发了一个可满足性模理论模型，确定一个优化的量子线路适应给定一组允许的替代和分解，目标硬件模态和量子线路进行调整。我们进一步讨论了半导体自旋硬件模态的物理，显示不同的两个量子位量子门的可能实现，并评估半导体自旋硬件模态的开发模型。在噪声模拟器上使用所开发的量子线路自适应方法，我们表明，与替代的量子线路自适应技术相比，Hellinger保真度可以提高高达40%，量子比特空闲时间可以减少高达87%。
2023-01-27 quant-ph
Tuning terahertz transitions in a double-gated quantum ring
我们从理论上研究了由两个静电横向门控制的半导体量子环的光学功能，该静电横向门用于沿环诱导双量子阱。阱参数和相应的能级间距，位于太赫兹范围内，是高度敏感的栅极电压。我们的分析表明，层间偶极跃迁的选择规则，所造成的线极化激发，依赖于相对于门的极化角。与传统的对称双阱势的显著不同之处在于，环形几何结构允许基态和第二激发态之间的偏振相关跃迁，从而允许在三能级激光方案中使用这种结构。
2017-10-16 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Improved phase gate reliability in systems with neutral Ising anyons
最近的建议使用超导和拓扑绝缘或半导体层的异质结构已经提出了拓扑量子计算的可能平台。这些系统被预测包含伊辛任意子和共享的功能，只有中性边激发。在本文中，我们表明，这些建议可以结合最近提出的“袋几何”的相位门的实施，以进行强大的通用量子计算。此外，我们提出了一种通用的方法来调整边缘隧穿率在这样的系统中，这是必要的干涉仪设备的控制。中性伊辛系统中相位门的误差率在参数上小于边缘模式携带电荷的类似几何形状：在低温下，它是$T^3$而不是$T$。在零温度下，相位变化在很长时间内变得恒定，而不是携带对数发散。
2010-09-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Efficient purification protocols using iSWAP gates in solid-state qubits
我们展示了一个有效的纯化协议，在固态量子比特通过取代通常的双边CNOT门的双边iSWAP门。我们还表明，这种替代可以应用于育种和哈希协议，这是有用的量子态纯化。这些替换减少了脆弱和繁琐的双量子位操作的数量，使固态量子位的量子信息处理更加可行。作为例子，我们还提出了所需的时间进行状态纯化使用超导或半导体量子位的定量分析。
2008-07-30 quant-ph
SWAP gate between a Majorana qubit and a parity-protected superconducting qubit
高保真度的量子信息处理需要快速门和长寿命量子存储器的组合。在这项工作中，我们提出了一种混合架构，其中奇偶保护的超导量子位直接耦合到马约拉纳量子位，它扮演着量子存储器的角色。超导量子位是基于一个$π$ -周期性约瑟夫森结实现与栅极可调半导体线，其中个别库珀对的隧穿被抑制。其中一条线还包含四个定义量子位的马约拉纳零模式。我们证明，这使得实现的SWAP门，允许之间的拓扑和常规量子比特的量子信息的转导。这种架构结合了快速门，这可以实现与超导量子位，与拓扑保护马约拉纳内存。
2022-05-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
High-fidelity gates in quantum dot spin qubits
已经提出了几种逻辑量子比特和量子门用于由施加到顶栅的电压控制的半导体量子点。不同的计划可能很难进行有意义的比较。在这里，我们开发了一个理论框架，以平等地评估不同的量子比特门控方案。我们将该方法应用于两种类型的双点量子比特：单重态-三重态（ST）和半导体量子点混合量子比特。我们研究了三种翻转量子比特状态的量子门：DC脉冲门，基于逻辑量子比特共振（LQR）的AC门，以及被称为受激拉曼绝热通道（STIRAP）的类似门的过程。这些门都是由交换相互作用介导的，该交换相互作用是使用点间隧道耦合$g$和失谐$ε$实验控制的，失谐设置了点之间的能量差。我们的程序有两个步骤。首先，我们优化门保真度（$f$）固定$g$作为其他控制参数的函数，这产生了一个$f^\text{opt}(g)$，是通用的不同类型的门。接下来，我们确定对控制参数的物理约束;这产生了特定于量子位门组合的上限$f^\text{max}$。我们表明，类似的门结晶度（$ \sim 99.5$ %）应可达到ST量子位在同位素纯化的硅，和混合量子位在天然硅。由于核自旋产生的波动磁场$ΔB$，GaAs器件获得了相当低的结晶度。
2013-12-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
A decoherence-free subspace in a charge quadrupole qubit
量子计算有望显著提高某些类型计算问题的速度。然而，半导体量子位的稳健实现必须克服电荷噪声的影响，目前这种影响限制了门操作期间的相干性。在这里，我们描述了一个计划，保护固态量子比特从均匀电场波动的概念推广的消相干自由子空间的自旋，我们提出了一个具体的物理实现：四极电荷量子比特形成在一个三重量子点。四极量子位的独特设计使得能够实现特别简单的脉冲序列，用于抑制栅极操作期间的噪声影响。根据环境噪声的大小，模拟产生的门量子比传统的电荷量子比特好10- 1000倍。我们的研究结果表明，任何采用库仑相互作用的量子位方案（例如，编码自旋量子位或双量子位门）都可以从这样的四极设计中受益。
2017-07-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Superconducting Gatemon Qubit based on a Proximitized Two-Dimensional Electron Gas
库珀对穿过约瑟夫森结（JJ）的相干隧穿产生非线性电感，该非线性电感广泛用于基于超导电路的量子信息处理器中，从设置量子比特跃迁频率和量子比特间耦合强度，到用于量子限制读出的参量放大器的增益。电感可以通过调整单个JJ的金属氧化物尺寸来设置，也可以通过将超导量子干涉器件（SQUID）中的多个JJ与局部电流偏置磁通线并联来进行磁调谐。基于超导体-半导体混合体的JJ代表了一种诱人的全电动替代品。门控子是最近开发的transmon变体，其采用局部门控纳米线（NW）超导体-半导体JJ用于量子比特控制。在这里，我们超越了概念验证，并证明了从晶圆级二维电子气（2DEG）蚀刻的半导体通道是构建可扩展的基于门控的量子计算机的合适平台。我们显示2DEG门振子通过执行电压控制的单量子位旋转和双量子位交换操作来满足要求。我们测量量子位相干时间高达~2 us，在2DEG主机基板的介电损耗的限制。
2017-12-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Hybrid superconductor-semiconductor systems for quantum technology
超导量子器件提供了出色的连通性和可控性，而半导体自旋量子位以其持久的量子相干性、快速控制以及小型化和缩放的潜力而脱颖而出。在过去的几年里，在将超导电路和半导体器件结合成混合量子系统方面取得了显着进展，该系统受益于两种成分的物理性质。超导腔可以在电子自由度（例如半导体芯片上的单个电子的自旋）之间的长距离上调节量子相干耦合，从而为量子器件提供必要的连接性。半导体量子点中的电子自旋已经达到非常长的相干时间，并且允许快速的量子门操作，同时增加量子效率。我们总结了描述超导-半导体混合量子系统的最新进展和理论模型，解释了这些系统的局限性，并描述了未来实验和理论的不同方向。
2020-04-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
A Semiconductor Nanowire-Based Superconducting Qubit
我们介绍了一种基于半导体纳米线和外延生长的超导层的混合量子比特。类transmon器件（“gatemon”）的约瑟夫森能量由耗尽半导体弱连接区中的载流子的静电栅极控制。在这些第一代器件中，证明了与片上微波腔的强耦合和通过栅极电压脉冲的相干量子比特控制，产生了相当长的弛豫时间（0.8 μs）和失相时间（1 μs），超过栅极操作时间两个数量级。因为量子位控制依赖于电压而不是通量，所以电阻控制线中的耗散减少，屏蔽减少串扰，并且通量控制的缺乏允许在磁场中操作，这与拓扑量子信息相关。
2015-03-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
On the robustness of the hybrid qubit computational gates through simulated randomized benchmarking protocols
构建量子处理器的主要挑战之一是表征环境噪声。噪声表征可以通过利用不同的技术来实现，例如随机化，其中将若干随机量子门序列应用于测试下的量子位以导出关于影响噪声的统计特性。一个可扩展的和强大的算法能够基准的全部克利福德门使用随机化技术被称为随机基准。在这项研究中，我们模拟了半导体全电三电子双量子点量子比特，即混合量子比特，在不同的误差模型，包括准静态高斯和更现实的1/f噪声模型下，输入控制的随机基准协议。特定量子计算门的平均误差通过在感兴趣的门之间包括Clifford门获得的交错随机基准来提取。它提供了一个估计的保真度以及理论界的平均误差的门在测试。
2020-11-03 quant-ph
Gate-tunable spectrum and charge dispersion mitigation in a graphene superconducting qubit
Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, Institut Néel（格勒诺布尔阿尔卑斯大学、法国国家科学研究中心、格勒诺布尔理工学院、内耳研究所）；Research Center for Electronic and Optical Materials, National Institute for Materials Science（材料国家研究所电子与光学材料研究中心）；Research Center for Materials Nanoarchitectonics, National Institute for Materials Science（材料国家研究所材料纳米架构研究中心）
本研究在石墨烯超导电路中展示了量子比特频率、非谐振性和电荷散射的高门控可调性，并通过库珀对传输模型解释了电荷散射的抑制机制。
2025-06-05 cond-mat.mes-hall quant-ph
All-electrically reading out and initializing topological qubits with quantum dots
我们分析了在一维半导体纳米线中，弱耦合到单能级量子点（QD）的拓扑量子比特的读取和初始化。结果表明，当通过调节门电压使Majorana费米子熔合时，可以通过量子点在一个能量窗口内的占据直接读出拓扑量子比特。量子比特的初始化也可以通过调节量子点上的栅极电压来实现，其中总费米子宇称守恒。因此，读取和初始化过程都可以以全电气方式实现。
2013-04-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Universal set of quantum gates for the flip-flop qubit in the presence of 1/f noise
半导体固体基质中的杂质代表了量子计算应用的广泛研究平台。在这种情况下，所谓的触发器量子位成为硅中可扩展实现的方便选择。触发器量子位是通过在同位素纯化的硅中注入磷施主，并在施主核自旋及其束缚电子中编码逻辑态来实现的，通过施加垂直电场来电调制超精细相互作用，导致具有反平行自旋$\{|\downarrow\Uparrow\rangle,|\uparrow\Downarrow\rangle\}$的态之间的电子偶极自旋共振（EDSR）跃迁，这些自旋被选为逻辑态。当考虑两个量子比特时，利用偶极-偶极相互作用允许它们之间的长程耦合。本文提出了一种适用于触发量子比特的通用量子门，并研究了1/f噪声对单量子比特$R_z(-\fracπ{2})$和Hadamard门以及双量子比特$\sqrt{iSWAP}$门的门保真度的影响.
2021-04-29 quant-ph
Gate-tunable kinetic inductance parametric amplifier
本文提出一种基于邻近化半导体纳米线、无约瑟夫森结的栅极可调谐参量放大器，实现近量子极限性能、20 dB以上增益和30 MHz增益带宽积，并具备高饱和功率、磁场兼容性和电场调谐优势。
2024-02-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Noisy simulations of Quantum Walk and Quantum Walk search via Quantum Cellular Automata on a semiconducting spin processor emulator
Aix Marseille Univ, CNRS, LIS（艾克斯-马赛大学，法国国家科学研究中心，信息系统实验室）
本文通过量子单元自动机在半导体自旋处理器模拟器上实现量子漫步和搜索算法的噪声模拟，并展示了其在NISQ时代的应用潜力。
2025-12-11 quant-ph
Chaotic fluctuations in a universal set of transmon qubit gates
Freie Universität Berlin（柏林自由大学）；University of Cologne（科隆大学）
研究通过分析时间演算算子的瞬时本相位曲率，识别受混沌波动影响的子空间，发现高速纠缠门在接近量子速度极限时出现部分混沌动力学。
2024-01-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Large-scale on-chip integration of gate-voltage addressable hybrid superconductor-semiconductor quantum wells field effect nano-switch arrays
本文提出并实验验证了一种大规模可扩展的栅极电压可寻址混合超导体-半导体场效应纳米开关阵列芯片，实现了144个Nb-In0.75Ga0.25As量子线结的片上集成与独立控制，为容错量子技术中的低温纳米电子电路发展提供了关键基础。
2023-07-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Measurement-based Simulation of Geometric Gates in Topological Qubits on NISQ Devices
针对 MZM 编织实验实现难题，本文在 NISQ 设备上用逻辑量子比特的 Pauli 宇称测量模拟 MZM Y 型结编织，并以小规模联合测量实现几何门与哈密顿量模拟演示。
2025-07-25 quant-ph
A simple trapped-ion architecture for high-fidelity Toffoli gates
我们讨论了一个简单的架构，量子Toffoli门实现使用三个被困离子。门，这在原则上可以实现一个单一的激光诱导操作，是有效的，而一般的条件下，是惊人的鲁棒性（在任何实验现实的范围内的值）对失相，加热和随机波动的哈密顿参数。我们提供了一个完整的表征酉和噪声影响的门使用三量子比特量子过程层析成像。
2010-12-08 quant-ph
A photon loss tolerant Zeno CSIGN gate
我们对CSIGN门的光学实现进行建模，该CSIGN门在存在光子损失的情况下利用量子芝诺效应[1，2]。这种损失严重影响了闸门的原始运行。然而，我们表明，通过使用相同的光子损失代码，已提出的线性光量子计算（LOQC），性能大大提高，这样的门可以优于LOQC等价物。该技术可以应用于其他类型的非线性，使非线性光学门的实现更有吸引力。
2006-12-20 quant-ph
Quantum logic gates using Stark shifted Raman transitions in a cavity
提出了一种利用失谐光腔与三能级喇曼系统相互作用实现基本的两量子比特逻辑门如量子相位门和控制非门的方案。我们讨论了斯塔克位移的作用，这是同样重要的条款导致双光子跃迁。所提出的逻辑门的操作涉及原子的亚稳态，因此不受自发发射的影响。这些想法可以扩展到产生多粒子纠缠。
2004-03-13 quant-ph
High-fidelity gate operations for quantum computing beyond dephasing time limits
实现具有超过可靠量子计算的阈值的精度的量子门需要鲁棒的门，其性能不受可用控制字段的精度的限制。这些门的性能也不应该受到量子寄存器的噪声环境的影响。在这里，我们使用随机基准测试的量子门操作来比较不同的家庭的门，补偿控制场振幅的误差和去耦系统的环境噪声的性能。我们获得了高达99.8%的平均量子效率，这超过了某些量子纠错方案的阈值，也超过了环境引起的退相的预期极限.
2015-06-15 quant-ph
A switchable controlled-NOT gate in a spin-chain NMR quantum computer
本文提出了一种在固态NMR量子计算机中实现受控非门开关的方法。I=1/2核自旋的量子比特沿着量子自旋链（1-D反铁磁体）周期性地放置，所述量子自旋链具有单线态基态，所述单线态基态与由某些量子效应引起的最低激发态具有有限的自旋间隙。微波的辐射调谐到自旋能隙激发一个包的三重态磁振子在链的特定部分，其中涉及控制和目标量子比特。数据包在量子位之间的Suhl-Nakamura相互作用上切换，该相互作用充当受控的非门。量子位初始化是通过一个量子位初始化器来实现的，该初始化器由附着在自旋链上的半导体片组成，其中由半导体中的光泵浦方法产生的自旋极化被转移到自旋链上。该方案允许我们将初始化过程与计算分离，这样就可以优化计算部分而不受初始化方案的限制，这为我们提供了广泛的量子计算机材料选择。
2002-05-22 cond-mat.str-el quant-ph
Diagnostics of quantum-gate coherences via end-point-measurement statistics
本研究提出用于表征幺正误差对量子门平均相干性影响的品质因数，通过数值与量子光学实验验证，证明端点局部能量测量统计量可有效诊断量子门相干性。
2022-09-05 quant-ph
Implementation of a quantum controlled-SWAP gate with photonic circuits
量子信息科学研究信息的处理和传输如何受到独特的量子力学现象的影响。双量子比特门的组合已经被用来实现量子线路，然而，可扩展性成为一个关键问题。三量子比特门的使用可以极大地简化量子线路的结构。其中，受控交换（Fredkin）门是必不可少的，因为它们可以直接应用于重要的协议，例如，纠错、指纹识别和最佳克隆。在这里，我们报告的光子量子比特的Fredkin门的实现。对于3光子Greenberger-Horne-Zeilinger态，我们在计算基础上实现了0.85的保真度和0.81的输出态保真度。估计的过程保真度为0.77，表明我们的Fredkin门可以应用于各种量子任务。
2017-04-05 quant-ph
Multiobjective Optimization for Robust Holonomic Quantum Gates
East China Normal University（华东师范大学）；Chongqing Institute of East China Normal University（华东师范大学重庆研究院）；Shanxi University（山西大学）
针对量子门多种操作误差相互冲突的问题，提出结合帕累托最优与熵权法的多目标优化框架，在里德伯非绝热全息量子门上验证了其提升保真度与鲁棒性的优势，并适用于其他协议。
2025-10-09 quant-ph
NMR C-NOT gate through Aharanov-Anandan's phase shift
最近，提出了利用NMR通过Berry相位（绝热循环几何相位）移位进行量子计算（Jones等人，Nature，403，869（2000））。这种几何量子门由于Berry相位的几何性质，有望对某些类型的错误具有容错性。本文给出了一种在动态无相位演化环上利用Aharonov-Anandan相移（非绝热循环相移）实现NMR C-NOT门的方案。在我们的方案中，门是非相干运行的，因此它受退相干的影响较小。并且，在该方案中，我们在获得几何相移时选择了零动态相位时间演化环，不需要采取任何额外的操作来消除动态相位。
2001-05-10 quant-ph
Quantum-control approach to realizing a Toffoli gate in circuit QED
我们研究了用量子控制方法在电路QED系统中实现超导量子比特的Toffoli门。从优化的分段恒定控制场作用于所有量子位和量子位之间XY型耦合的典型强度开始，我们证明了最佳门的性能只受到具有微波驱动的典型截止频率的这些场的“低通”滤波的轻微影响。将我们自己限制在控制场幅度的范围内，对于该范围，物理量子比特的非计算状态的泄漏被严重抑制，我们理论上预测，在没有退相干和泄漏的情况下，在75 ns内可以实现Toffoli门，其本征结晶度高于90%，而结晶度高于99%可以在大约140 ns内达到。
2012-01-28 quant-ph
Noncyclic nonadiabatic holonomic quantum gates via shortcuts to adiabaticity
高保真度的量子门是大规模量子计算的基础。然而，任何量子操作都不可避免地会受到噪声、系统误差和退相干效应的影响，从而导致目标量子任务的失真。因此，高度期望实现高保真、鲁棒和快速的量子门。在这里，我们提出了一个快速和鲁棒的方案来构建高保真完整量子门的通用量子计算的基础上共振相互作用的三能级量子系统通过捷径绝热。在我们的建议中，诱导非循环非阿贝尔几何相位的目标哈密顿量可以用更少的演化时间和实验要求进行逆向工程，从而在简单的设置中实现高保真度的量子门。此外，我们的方案是容易实现的物理系统目前追求的量子计算的实现。因此，我们的建议是一个有前途的容错几何量子计算的方式。
2021-05-28 quant-ph
Entangling quantum gate in trapped ions via Rydberg blockade
本文从理论上分析了利用离子里德伯态间的偶极相互作用在两个囚禁的Ca $^+$离子间实现纠缠量子门的方法。在非均匀电场中，由于电子自由度和振动自由度之间的强耦合，囚禁离子的里德伯激发动力学通常受到机械力的强烈影响。我们证明，这种有害的影响可以克服通过使用出现从附近的里德伯态的微波耦合的修饰状态。同时，这些修饰态表现出长程偶极相互作用，我们用它来实现一个可控的绝热相位门。我们的研究突出了一条通往囚禁离子量子处理器的路线，其中量子门独立于振动模式实现。
2013-06-25 physics.atom-ph quant-ph
