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
Correcting noisy quantum gates with shortcuts to adiabaticity
本文通过绝热性捷径技术校正噪声影响，实现高保真度的量子门操作。
2025-12-02 quant-ph
Exact dynamics of single qubit gate fidelities under the measurement-based quantum computation scheme
基于测量的量子计算是实现普适计算的有效模型。然而，理论上的问题已经提出，主要是关于现实的噪声条件。为了阐明这个问题，我们使用基于测量的量子计算方案，当作为资源的量子比特与共同的退相环境相互作用时，评估了一些单量子比特门的精确动力学。我们报告了一个必要条件的保真度动力学的一般纯N-量子位状态，这种类型的错误通道相互作用，提出了一个振荡的行为，我们表明，对于初始的正则集群状态的保真度振荡作为时间的函数。这种状态保真度振荡行为给作用于该状态的通用门的计算结果的值带来了显着变化，这取决于我们选择应用我们的投影测量集的时刻。正如我们将看到的，考虑到在文献中经常发现的一些特定的门，投射测量集的快速应用不一定意味着高的门保真度，投射测量集的缓慢应用也不一定意味着低的门保真度。我们的保真度振荡行为发生的条件表明，由集群状态呈现的振荡是由于它的初始几何形状。可以用作基于测量的量子计算的资源的其他状态可以呈现相同的初始几何条件。因此，对于本方案来说，知道特定资源状态的保真度何时将在时间上振荡是非常重要的，并且如果是这种情况，那么什么是执行测量的最佳时间。
2012-08-02 quant-ph
High-fidelity geometric gate for silicon-based spin qubits
容错量子计算物理实现的关键是高保真度的操作。在这里，我们提出了一个协议，以实现通用的非绝热几何门的硅基自旋量子比特。我们发现，几何门的优势动态门关键取决于建设的几何相位的演化循环。在适当的演化循环下，几何单比特门和CNOT门在系统噪声和失谐噪声下的性能都优于它们的动力学对应物。我们还使用与硅实验一致的噪声幅度进行随机基准测试。对于静态噪声模型，几何门的平均相干度约为99.90%或更高，而对于时变$1/f$型噪声，当仅存在失谐噪声时，几何门的平均相干度约为99.98%.我们还表明，在几何门的并行性的改善动态的通常增加的指数$α$噪声，和比率可以高达4时，$α\approx 3$。我们的研究结果表明，几何门与明智地选择的进化循环可以是一个强大的方式来实现高保真量子门。
2020-01-14 quant-ph
High-Fidelity Single-Qubit Gates for Two-Electron Spin Qubits in GaAs
GaAs双量子点中单重态-三重态量子位的单量子位操作尚未达到容错量子信息处理所需的精度。考虑到实验上的重要限制和使用测量的噪声谱，我们数值上最小化的退相干（包括高频1/f类噪声）的影响，并从理论上表明，量子门的量子效率高于99.9%是可以实现的。我们还提出了一个自洽的调谐协议，它应该允许直接在实验中消除个别系统的门误差。
2021-01-22 quant-ph
Locally observable conditions for the successful implementation of entangling multi-qubit quantum gates
从量子门对仅两组互补输入态的操作获得的信息足以估计门的量子过程保真度。在纠缠门的情况下，这些条件可以用来预测多量子比特纠缠能力从两个非纠缠本地操作的并行性。然后，可以预测门的高度非经典特征，例如从两个完全经典的输入输出关系的相似性中违反局部实在论，而不会产生任何实际的纠缠。
2005-09-01 quant-ph
Microscopic treatment of instantaneous spectral diffusion and its effect on quantum gate fidelities in rare-earth-ion-doped crystals
稀土离子掺杂晶体中瞬时光谱扩散效应对门操作的影响是未来稀土量子计算需要回答的重要问题。在这里，我们提出了一个微观模型，突出了随机性的现象，并使用它来调查ISD错误的单量子位门操作。此外，我们提出了一种方法来估计总误差从许多不同的误差源，只研究子系统包含一个误差源的时间。这使我们能够估计来自量子位附近的所有非量子位掺杂剂的总ISD误差。我们的结论是，光泵浦技术必须用来清空周围的吸收量子位跃迁的频率区域（传输窗口），以抑制ISD错误。尽管使用这样的窗口，仍然存在量子位具有比来自其他源的误差更大的ISD误差的大致$0.3\%$风险。在这些情况下，量子比特可以被丢弃，其频率信道可以被另一个量子比特重用。然而，在大多数情况下，ISD误差明显小于其他误差，因此尽管存在ISD，仍有可能执行噪声中间尺度量子（NISQ）算法。
2021-12-16 quant-ph
Fidelity benchmarks for two-qubit gates in silicon
通用量子计算将需要基于可扩展平台的量子比特技术，以及对单量子比特和双量子比特门操作的最大不一致性进行严格限制的量子纠错协议。虽然各种量子位系统在单量子位水平上显示出高的量子位，但超导体技术是唯一通过标准光刻技术制造的固态量子位，其已经证明了接近容错阈值的双量子位量子位。基于硅的量子点量子位也适合于大规模制造，并且可以使用同位素富集的硅实现高的单量子位栅极结晶度（超过99.9%）。然而，虽然已经在硅中展示了双量子位门，但还不可能使用随机基准测试来严格评估它们的可靠性，因为这需要以非零保真度完成大量量子位操作（$\gtrsim 20$）的序列。在这里，对于在门定义的量子点的电子自旋状态上编码的量子比特，我们展示了贝尔状态断层扫描，其精确度范围从80%到89%，以及两个量子比特随机基准测试，平均Clifford门保真度为94.7%，平均受控ROT（CROT）保真度为98.0%。发现与量子位的退相干时间$T_2^*$相比，这些量子度受到这里采用的相对慢的门时间的限制。因此，采用基于高拉比频率的快速门操作的硅量子比特设计，以及先进的脉冲技术，应该在不久的将来实现显着更高的量子效率。
2018-07-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Refocusing two qubit gates with measurements for trapped ions
动态解耦技术是提高栅极耦合度的首选方法。虽然这些方法在降低局部噪声和增加单量子比特操作的可靠性方面产生了非常令人印象深刻的结果，但处理两个量子比特门的噪声更具挑战性。主要的障碍是噪声时间尺度比两个量子比特门本身短，使得重聚焦方法不起作用。我们提出了一种基于测量和反馈的方法来重新聚焦两个量子比特门，这不能通过传统的方法重新聚焦。我们详细分析了这种方法的误差模型，这是相关的囚禁离子量子信息。
2016-04-20 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
Complete characterization of the directly implementable quantum gates used in the IBM quantum processors
对IBM量子处理器中使用的每个可直接实现的量子门进行量子过程层析成像以计算门误差，以便检查IBM引入的基于超导性的量子计算机中的复杂量子操作的可行性，并将这些门的质量与使用其他技术实现的相应门进行比较。对IBM QX 4处理器中的三种配置进行了C-NOT门的量子过程层析成像（QPT）。对于所有其他允许的门，已经针对每个允许的位置执行了QPT（即，通过将门放置在不同的量子位线中），并且因此，对于单量子位和2量子位门两者，都获得了门的量子数。观察到栅极结晶度低于在其他技术（如NMR）中获得的相应值。此外，通过将栅极放置在第三量子位线（$q[2]$）中，获得了IBM QX 2架构的所有单量子位栅极的栅极集成度。据观察，IBM QX 4架构在所有情况下都产生比IBM QX 2更好的栅极保真度，除了$\operatorname{Y}$栅极的情况，就对应于第三量子位线的栅极保真度而言。总的来说，这里进行的分析得出的结论是，相当大的技术改进将是不可避免的，以实现复杂的量子操作所需的可扩展性。
2018-07-25 quant-ph
A high-fidelity method for a single-step $N$-bit Toffoli gate in trapped ions
条件多量子比特门是复杂量子算法的关键组成部分。在最近的工作中，Rasmussen等人（Phys. Rev. A 101，022308）提出了一种用于原型多量子位门（Toffoli门）的有效单步方法，该方法基于控制量子位之间的伊辛相互作用和目标量子位上的适当驱动场的组合。囚禁离子是实现这种方法的天然平台，因为声子介导的伊辛相互作用已在越来越大的离子晶体中得到证实。然而，这些相互作用和门所需的驱动场的同时应用导致量子位和离子运动之间的不期望的纠缠，降低了门保真度。在这项工作中，我们提出了一个解决方案的基础上绝热开关这些声子介导的伊辛相互作用。我们研究了不完美的基态冷却的影响，并使用自旋回波技术来消除不必要的相位积累在可实现的结晶度。对于耦合到线性晶体所有轴向模的门，我们计算了高的双折射率（$>$ 99%）$N$ -量子比特旋转，其中$N=$ 3-7离子冷却到它们的运动基态，并且门时间低于1 ms。对于大晶体获得的高结晶度也可以使门与$N$ -量子比特Toffoli门的门分解的多步变体竞争，代价是需要离子晶体的基态冷却。
2020-10-16 quant-ph
Error-Mitigated Quantum Gates Exceeding Physical Fidelities in a Trapped-Ion System
各种量子应用可以简化为估计期望值，这些期望值不可避免地会受到操作和环境误差的影响。虽然可以通过量子纠错来解决错误，但短期技术远远负担不起开销。为了减轻错误的有害影响，已经提出了量子错误缓解技术，其不需要额外的量子比特资源。在这里，我们基准的量子误差缓解技术的性能的基础上，在捕获离子系统中的概率误差消除。我们的研究结果清楚地表明，有效的门的性能超过物理性能，即我们超过了消除门错误的盈亏平衡点，通过编程量子线路。对于单量子位和双量子位门，错误率分别从$(1.10\pm 0.12)\times10^{-3}$有效地降低到$(1.44\pm 5.28)\times10^{-5}$和从$(0.99\pm 0.06)\times10^{-2}$有效地降低到$(0.96\pm 0.10)\times10^{-3}$。我们的演示开辟了在近期噪声量子设备上实现高保真计算的可能性。
2019-05-24 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Robust quantum gates for systems subject to decoherence via optimal control: Markovian vs non-Markovian dynamics
我们研究了一个，两个和三个量子位量子门的相互作用量子位使用最优控制的实现。不同的马尔可夫和非马尔可夫环境进行比较，并有效的优化算法，利用解析梯度表达式和拟牛顿更新的情况下。的算法的性能进行了分析，为一个大的问题，在所获得的qualities和所观察到的收敛行为。新的成功率和成功速度的概念被引入和密度图被用来研究关键参数的影响，如门操作时间，和随机变量，如所需的初始字段开始迭代算法。统计分析了最优场的核特征。马尔可夫和非马尔可夫环境中的控制和控制机制的可能性之间的实质性差异被发现。特别是，在马尔可夫的情况下，它被发现，不考虑环境得到的最佳领域不能大幅提高，通过考虑环境和所获得的性能主要是由门操作时间以及环境影响的整体强度确定。如果忽略退相干对场进行预优化，则可以节省计算时间。在非马尔可夫的情况下，另一方面，观察到的结晶度的大幅改善时，系统浴耦合的细节被考虑在内。在这种情况下，场泄漏被证明是一个重要的问题，它可以使高的门不可能获得，除非系统和噪声量子比特都得到完全控制。
2012-05-28 quant-ph
Optimisation of Pulse Waveforms for Qubit Gates using Deep Learning
提出利用DNN学习脉冲幅度与门保真度关系并以两阶段优化脉冲参数的方法，在Qiskit模拟中实现了高保真度单量子比特门。
2024-08-05 quant-ph
Interspecies Förster resonances of Rb-Cs Rydberg $d$-states for enhanced multi-qubit gate fidelities
本文分析Rb-Cs里德堡d态的种间Förster共振，识别最强耦合通道，证明可实现最高k=4的高保真多量子比特C_kZ门，并发现d态比s态更有效抑制种内耦合，适用于大规模中性原子量子处理器。
2024-02-15 physics.atom-ph quant-ph
Practical Fidelity Limits of Toffoli Gates in Superconducting Quantum Processors
本研究针对超导量子处理器中Toffoli门实现受噪声和连接性限制的问题，通过硬件感知的分解方案与多场景层析实验，量化了不同输入态下的保真度差异及策略权衡，为高效量子电路设计提供实证依据。
2025-09-05 quant-ph
The experimental realization of high-fidelity `shortcut-to-adiabaticity' quantum gates in a superconducting Xmon qubit
基于“捷径绝热”（STA）方案，我们在超导Xmon量子比特系统中设计并实验实现了一组高保真单量子比特量子门。通过精确的微波控制，量子比特被驱动以在反非绝热场的帮助下遵循快速的“绝热”轨迹，并通过绝热门校正导数去除。量子过程层析成像和交叉随机基准测试的实验结果表明，我们设计的STA量子门的过程保真度高于94.9%，门的保真度高于99.8%，非常接近于99.9%的门保真度。在STA协议下成功实现了一种替代的高保真度量子门。
2018-04-23 quant-ph
Procedure for systematically tuning up crosstalk in the cross resonance gate
我们提出了改进的理论理解和实验实施的交叉共振（CR）门，导致更短的两个量子位门的时间和交错随机基准测试的准确性超过99%。CR门是一种全微波双量子位门，不需要可调谐性，因此非常适合基于2D超导量子位的量子计算架构。该门的性能以前受到长门时间和平均94- 96%的结晶度的阻碍。我们已经开发了一个校准程序，准确地测量完整的CR哈密顿量。由此产生的测量结果同意门的理论分析，也阐明了以前限制门保真度的误差项。我们实现的保真度的增加是通过在目标量子位上引入第二个微波驱动音来消除CR哈密顿量的不需要的分量来实现的。
2016-03-15 quant-ph
Efficient experimental estimation of fidelity of linear optical quantum Toffoli gate
提出了N比特控制Z门量子过程保真度的一个有效可测下界。这个界限是由N个部分共轭乘积基的平均输出态密度决定的。我们的方法的一个明显的优势是，只有与产品状态的结晶需要测量，同时保持测量的总数远远小于什么是必要的全量子过程层析成像。作为应用，我们用这种方法对三量子比特线性光量子Toffoli门的量子过程保真度F进行了实验估计，发现F>=0.83。我们还通过从输入的乘积态制备GHZ型三量子比特纠缠态证明了门的纠缠能力。
2013-10-16 quant-ph
Local quantum control of Heisenberg spin chains
受量子控制理论的一些最新结果的启发，我们讨论了在各向同性海森堡自旋链模型的相互作用量子比特阵列中局域算符控制的可行性。作用于其中一个末端自旋，我们的目标是找到分段恒定的控制脉冲，从而为所选的一组量子门带来最佳的量子效率。我们分析了所获得的结果的鲁棒性或门的控制字段中的随机误差，发现分段常数控制之间的切换速度更快的系统是不太容易受到这些错误。所观察到的行为属于与共振和弛豫型行为之间的竞争有关的一类物理现象，例如NMR实验中的运动窄化。最后，我们讨论了如何获得最佳门的性能被改变时，相应的快速变化的分段常数控制字段通过频谱滤波平滑。
2010-11-29 quant-ph
Real-time feedback protocols for optimizing fault-tolerant two-qubit gate fidelities in a silicon spin system
本文提出了几种在快速FPGA硬件上优化和实现的单/双量子比特参数实时反馈协议，并利用小波分析噪声源，为实现与量子纠错兼容的系统高保真度量子比特操作提供了路径。
2023-09-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
Programmable all-to-all entangling gates for cavity-coupled atoms
School of Physics and Astronomy, University of Birmingham（伯明翰大学物理与天文学院）
本文设计了一种耦合到光子腔的中性原子间的高保真Mølmer Sørensen型纠缠门，可实现可编程全对全连接，消除原子物理移动需求，抑制运动误差，实验参数下保真度超0.99。
2026-10-16 quant-ph
Optimized cavity-mediated dispersive two-qubit gates between spin qubits
硅量子点中的单个电子和超导腔中捕获的单个光子之间的相干界面的最近实现为实现光子介导的双量子比特纠缠门开辟了道路。为了将自旋耦合到腔电场，需要某种类型的自旋-电荷杂交，这会影响自旋控制和相干性。在这项工作中，我们提出了一个腔介导的双量子比特门和计算腔介导的纠缠门的色散制度，占由于自旋-电荷杂化的错误，以及光子和声子诱导的衰变。通过优化自旋-电荷杂化的程度，我们表明，由腔光子介导的双量子比特门能够在当今的器件架构中达到超过90%的量子效率。即使存在$2\,μ\text{eV}$电平的电荷噪声，也可实现高iSWAP栅极结晶度。
2019-02-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
The Quantum Socket and DemuXYZ-Based Gates with Superconducting Qubits
构建大规模超导量子计算机需要两个互补的要素：可扩展的布线技术和多路复用架构。在我们以前的工作中[Béjanin等人，Phys. Rev. Applied 6，044010（2016）]，我们已经介绍并表征了一种名为量子插座的真正垂直互连。在本文中，我们使用高相干通量可调的Xmon transmon量子比特来练习量子插座。特别是，我们测试潜在的量子位加热和单量子位门的性能。我们观察到没有热效应和时间稳定的门结晶度超过99.9%。然后，我们提出了一种基于通量脉冲和一个共同的连续驱动信号：DemuXYZ的多路分用门技术，并通过实验表征。我们讨论了DemuXYZ的工作原理，展示了它的操作，并对选择的一个量子比特门进行量子过程层析成像，以确认正确的操作。我们获得的结晶度约为93%，可能受到磁通脉冲缺陷的限制。最后，我们讨论未来的解决方案，布线集成以及改进的DemuXYZ技术。
2022-10-31 quant-ph
Optimization of Two-Qubit Gates in Tunable-Coupler Architectures Using Single Flux Quantum Control
提出一种基于梯度和自动微分的连续嵌入方法，利用单磁通量子脉冲在可调耦合器架构中实现了高保真度的双比特门，并给出了减少脉冲存储内存的半解析构建方案。
2024-12-20 quant-ph
Experimental characterization of the Toffoli gate via channel spectrum benchmarking
本文提出扩展的CSB模型和保真度估计区间，用于实验表征Toffoli门，通过验证显示三重态实现优于双量子比特实现。
2025-12-23 quant-ph
Retrodictive fidelities for pure state postselectors
两个措施的保真度提出后选择设备，追溯的条件概率，在测量臂的状态是一个由检测器所指示的，和设备产生的状态，它会产生，如果工作完美的概率。第一个是人们希望最大化以改善设备操作的自然量。第二个与设备的准确操作比更常见的基于网络的保真度更密切相关。所得结果特别适用于线性光学量子计算中的态制备和逻辑门操作类型。
2006-11-10 quant-ph
High-Fidelity, Frequency-Flexible Two-Qubit Fluxonium Gates with a Transmon Coupler
我们提出并演示了基于transmon耦合器的fluxonium双量子比特门架构，实现频率可调的高保真CZ门，峰值保真度达99.9%，并通过强化学习进一步提升至99.922%。
2023-04-12 quant-ph
Robustness of high-fidelity Rydberg gates with single-site addressability
控制相位门（CPHASE）原则上可以通过利用里德伯阻塞来实现与被捕获的中性原子。然而，使用这种里德堡门实现量子计算所需的超高保真度会受到脉冲幅度和定时的实验不准确性以及导致里德堡能级波动的杂散场的影响。我们在这里报告的分析和数值脉冲序列的里德伯CPHASE门，专门检查门的保真度相对于这种实验扰动的鲁棒性的比较研究。分析脉冲序列的同时和受激拉曼绝热通道（STIRAP）被发现在最好的适度稳健下，这些扰动。相比之下，最优控制理论被认为允许生成在预定义的公差窗口内固有鲁棒性的数字脉冲。由此产生的数字脉冲形状显示简单的调制模式和它们的频谱包含除了基本共振里德伯门频率只有一个额外的频率。这种低复杂度的脉冲在实验上应该是可行的，允许在现实的实验条件下可以实现99.90 - 99.99%的门级精度。
2014-01-08 quant-ph
Recovering quantum gates from few average gate fidelities
表征量子过程是量子技术发展中的一项关键任务，也是量子技术发展的一项挑战，特别是在当今器件的噪声中间尺度上。一种表征过程的方法是随机基准测试，它对状态准备和测量（SPAM）错误具有鲁棒性，并且可以用于基准测试Clifford Gates。一个补充的方法要求完整的断层摄影知识。压缩感测技术基本上以最佳资源效率实现量子信道的完全层析成像。到目前为止，压缩感知协议的保证依赖于非结构化的随机测量，并且不能应用于从随机基准测试实验获得的数据。这两个世界的有利特征能否结合起来，一直是一个悬而未决的问题。在这项工作中，我们给这个问题一个肯定的答案。对于表征多量子比特幺正门的重要情况，我们提供了一种严格保证和实用的重建方法，该方法使用相对于随机Clifford幺正测量的基本上最佳数量的平均门质量。此外，对于一般的酉量子信道，我们提供了一个明确的扩展到一个酉2-设计，允许一个实际的和有保证的重建也在这种情况下。作为一个副作用，我们得到了一个新的统计解释的统一性-一个数字的优点，一个过程的连贯性的特点。在我们的证明中，我们利用最近的表示理论的见解克利福德组，开发一个版本的柯林斯微积分与Weingarten函数的克利福德组的整合，并结合这与压缩感知的证明技术。
2018-05-25 cs.IT math.IT quant-ph
Above 99.9% Fidelity Single-Qubit Gates, Two-Qubit Gates, and Readout in a Single Superconducting Quantum Device
IQM Quantum Computers（IQM量子计算机公司）
通过优化超导电路中量子比特与耦合器的耦合强度，结合新的相位平均泄漏误差放大（PALEA）协议和兼容高相干性的读出配置，在单个器件中同时实现了99.93%的CZ门保真度、99.98%的单量子比特门保真度和超过99.94%的读出保真度。
2025-08-22 quant-ph
Stroboscopically Robust Gates For Capacitively Coupled Singlet-Triplet Qubits
最近在GaAs中具有电压控制交换相互作用的伊辛耦合双量子点自旋量子比特的工作已经显示出从振荡交换以及相邻点之间的强磁场梯度的应用中改进的双量子比特栅极结晶度。通过研究噪声如何在系统的时间演化算子中传播，我们找到了一组最佳参数，这些参数提供了一阶双量子比特门中的被动频闪规避错误。我们预测在准静态和1/ $\textit{f}$噪声的存在下，超过99%的两量子比特门的量子数，这是一个数量级的改进，在典型的未优化的实现。
2019-01-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Sensitivity of quantum gate fidelity to laser phase and intensity noise
本文通过主方程微扰理论与数值模拟，量化中性原子量子门对激光相位及强度噪声的敏感性，并给出实现目标保真度所需的激光噪声要求。
2023-03-31 physics.atom-ph quant-ph
Silicon qubit fidelities approaching incoherent noise limits via pulse engineering
容错量子计算的性能要求非常严格。量子比特必须以远低于1%的错误率进行操纵、耦合和测量。对于半导体实现，硅量子点自旋量子位已经证明了接近该阈值的平均单量子位Clifford门错误率，特别是在同位素富集的$^{28}$ Si/SiGe器件中具有0.14%的错误率。这种门的性能，以及高保真双量子比特门和测量，仅在假设噪声是不相干的情况下，才已知满足某些架构中的容错量子计算的阈值，并且需要更低的错误率来减少开销。在这里，我们的实验表明，脉冲工程技术，广泛用于磁共振，改善平均Clifford门错误率为0.043%的硅量子点自旋量子比特，一个因素3以前的最佳结果改善硅量子点设备。通过在随机基准中包括断层扫描完整的测量，我们推断出噪声的高阶特征，称为酉性，它测量噪声的相干性。这反过来又使我们能够从理论上预测，通过进一步的脉冲改进，可以实现低至0.026%的平均门错误率。这些性能最终受到马尔可夫噪声的限制，我们将其归因于从硅器件结构本身或环境发出的电荷噪声。
2020-01-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Application-Aware Benchmarking on NISQ Hardware using Expectation Value Fidelities
本文提出利用 Clifford 电路族和期望值保真度的低成本应用感知基准测试协议，可预测 NISQ 硬件上保真度随电路深度的变化，并评估量子误差缓解技术。
2025-03-18 quant-ph
Minimum Hardware Requirements for Hybrid Quantum-Classical DMFT
我们数值模拟嘈杂的中间尺度量子（NISQ）的设备，并确定最低的硬件要求的两个站点的混合量子经典动力学平均场论（DMFT）。我们提出了一种电路重编译算法，该算法显著减少了DMFT算法的量子门数目，并发现当两量子位门的重编译率大于99%时，量子经典算法收敛.收敛结果与精确解的一致性在10%以内，并且当两量子比特门的量子效率超过99.9%时，在噪声引起的误差范围内完全一致。相比之下，没有电路重新编译的量子经典算法需要至少99.999%的双量子比特门保真度才能与精确解完全一致。因此，我们发现量子经典DMFT计算可以运行在下一代的NISQ设备，如果结合在这项工作中开发的重新编译技术。
2020-06-18 quant-ph
High-fidelity two-qubit quantum logic gates in a trapped-ion chain using axial motional modes
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；Hefei National Laboratory, University of Science and Technology of China（合肥国家实验室，中国科学技术大学）
本研究通过优化轴向运动模式，实现了高保真度的双量子比特逻辑门，提升了离子阱量子处理器的可扩展性和应用潜力。
2025-07-01 quant-ph
Simple framework for systematic high-fidelity gate operations
半导体自旋量子比特展示了单量子比特门，其在单量子比特子空间中的基准达到$99.9\%$。然而，层析表征揭示了在较大空间中不可忽略的串扰误差。此外，长期以来人们认为双量子位门的性能受到电荷噪声的限制，电荷噪声通过交换相互作用耦合到量子位。在这里，我们表明，相干误差源，如有限的带宽的控制信号，非绝热误差，微波串扰，和非线性传递函数可以同样限制保真度。我们报告了一个简单的理论框架，脉冲优化，涉及错误的动态频谱集中的问题，并允许重用现有的信号整形方法在一个更大的一组门操作。我们将此框架应用于自旋量子位的公共门操作，并表明简单的脉冲整形技术可以显着提高这些门操作的性能，在这种相干误差源的存在下。本文所提出的方法已被用于参考文献[1]中使用$F>99.5\%$的两量子位门的量子效率的演示。[Xue等人，Nature 601，343]。我们还发现，单量子位和双量子位门可以使用相同的脉冲形状进行优化。我们使用解析推导和数值模拟，以达到预测的门的结晶度大于$99.9\%$与持续时间小于$4/(Δf)$，其中$Δf$是量子比特频率的差异。
2022-11-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Achieving High-Fidelity Single-Qubit Gates in a Strongly Driven Charge Qubit with $1\!/\!f$ Charge Noise
在双量子点中形成的电荷量子比特代表了典型的两能级系统，它们既易于控制又具有高效的读出。不幸的是，电荷噪声会导致快速的退相干，典型的单量子位门的量子数会低于$90\%$。在这里，我们开发的分析方法来研究强驱动的电荷量子比特的演化，一般和$1\!/\!f$电荷噪声谱。我们表明，特殊的脉冲技术可以同时抑制由于强驱动和电荷噪声的错误，产生单量子比特门与以上$99.9\%$的结晶度。这些结果表明，量子点电荷量子比特提供了一个潜在的路线，高保真量子计算。
2019-03-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Benchmarking low-power flopping-mode spin qubit fidelities in Si/SiGe devices with alloy disorder
本文通过模拟含合金无序的Si/SiGe器件，比较了单点与flopping-mode两种自旋量子比特驱动模式的噪声敏感性和门保真度，证明flopping-mode可在低几个数量级驱动功率下实现与传统单点电偶极自旋共振相当的保真度。
2025-03-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum gates between distant atoms mediated by a Rydberg excitation antiferromagnet
本研究提出一种基于里德伯激发类反铁磁态的新型远距离原子量子门协议，利用啁啾激光绝热转移结合最近邻阻塞实现条件几何π相位，实验参数下门保真度达0.98-0.99，优化脉冲可进一步提升性能。
2025-03-03 quant-ph
Calibrating quantum gates up to 52 qubits in a superconducting processor
本研究利用浅层电路中的特征平均基准测试协议，在超导处理器上成功对高达52量子比特的量子门进行基准测试，通过全局保真度量化门间相关性与串扰误差，并应用于门优化以显著提升保真度，实验结果与复合噪声模型高度吻合。
2025-05-28 quant-ph
Trapped-Ion Entangling Gates Robust Against Qubit Frequency Errors
纠缠操作是大规模量子信息处理的必要工具，但是随着量子比特数量的增加，实验的不完善性会阻止当前方案达到足够的纠缠度。在这里，它是数字显示如何多色调的标准陷阱离子纠缠门的推广，可以同时对噪声和错误设置的频率的各个量子比特鲁棒。这放松了捕获场所需的均匀性程度，使物理上更大的系统更实用。
2020-04-15 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
High fidelity quantum gates via dynamical decoupling
实现量子计算机的理论前景需要克服退相干。在这里，我们数值证明了高保真度量子门是可能的量子动力学解耦的框架内。使用递归构造（级联）的动态解耦脉冲序列，相对于未受保护的进化，在广泛的系统-环境耦合强度范围内实现了通用的一组量子门的量子度的数量级改善。
2010-12-15 quant-ph
Gate fidelity comparison in semiconducting spin qubit implementations affected by control noises
报道了在不同控制误差下，量子点和施主中不同自旋量子比特类型的门的量子效率的比较。我们研究了五种量子比特类型，即量子点自旋量子比特、双量子点单重态-三重态量子比特、双量子点混合量子比特、施主量子比特和量子点自旋施主量子比特。对于每一个，我们推导出解析的时间序列，实现单量子比特旋转沿主轴的布洛赫球。利用高斯噪声模型估计了控制误差对门保真度的影响。然后，我们通过使用一组实际的控制幅度的误差参数值，比较了由于脉冲定时误差而导致的量子比特实现之间的门延迟。
2018-10-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Exchange-based two-qubit gate for singlet-triplet qubits
我们分析了一个简单的基于交换的两量子比特门，用于门定义的半导体量子点中的单重态-三重态量子比特，可以在单个交换脉冲中实现。来自逻辑子空间的激发被磁场梯度抑制，该磁场梯度导致自旋翻转转变为非能量守恒的。我们表明，绝热脉冲的使用大大减少了泄漏过程相比，方脉冲。我们还分析和模拟了电荷噪声对门的纠缠保真度的影响，证明了物理上真实的实验参数的高纠缠保真度。具体来说，我们发现，它是可能的，以实现可比较的单量子比特状态使用现实的磁场梯度的双折射率和门时间。
2014-07-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Decoherence of quantum gates based on Aharonov-Anandan phases in a multistep scheme
研究了多步实现的单比特和双比特Aharonov-Anandan（AA）几何相位门的量子退相干。每个AA门还与在相同时间段内执行相同么正变换并且与相同环境耦合的动态相位门进行比较，该环境被建模为谐振子。结果表明，由于环境耦合本征态的叠加以及量子比特相互作用与环境耦合之间的不可交换性，增强了AA相位门的量子效率和纠缠保护.
2013-08-13 quant-ph
Computing with spin qubits at the surface code error threshold
量子比特的高保真控制对于量子算法的可靠执行和实现容错是至关重要的，容错是在错误发生之前更快地纠正错误的能力。容错的核心要求是用错误阈值来表示的。然而实际的阈值取决于许多细节，一个共同的目标是众所周知的表面码的~1%的误差阈值。达到99%以上的双量子位门的正确率一直是半导体自旋量子位的长期主要目标。这些量子位非常适合缩放，因为它们可以利用先进的半导体技术。在这里，我们报告了一个基于自旋的量子处理器在硅单和双量子位门的结晶度都超过99.5%，从门集断层扫描提取。当包括相邻量子位上的串扰和空闲错误时，平均单量子位门的重复性保持在99%以上。利用这种高保真度的门设置，我们执行的要求很高的任务，计算分子基态能量使用变分量子本征求解器算法。现在，两个量子比特门保真度的99%障碍已经被超越，半导体量子比特已经获得了作为领先平台的可信度，不仅用于缩放，而且用于高保真控制。
2021-07-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Lattice patch structure for fixed-frequency transmon quantum computer with high-fidelity CNOT gates
Hanyang University（汉阳大学）
提出一种晶格贴片架构，将四个固定频率transmon耦合到一个固定频率总线，直接映射到表面码晶格单元，实现高连通性，CNOT门保真度超过0.98。
2026-06-26 quant-ph
Simultaneous High-Fidelity Single-Qubit Gates in a Spin Qubit Array
RIKEN（理化学研究所）；National Taiwan University（国立台湾大学）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）
研究硅自旋量子比特阵列中同时高保真单量子比特门的问题，核心方法是引入基于成对相位校准的可扩展缓解协议，主要贡献是实现了高保真控制，在多量子比特同时操作时保持了较高保真度，克服了关键挑战并凸显共享控制线潜力。
2026-07-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
Gate Operations for Superconducting Qubits and Non-Markovianity
研究超导量子比特门操作在非马尔可夫噪声下的动力学，通过数值模拟揭示延迟反馈与长程关联对保真度的影响，为容错量子计算机设计提供指导。
2024-08-09 quant-ph
Modelling semiconductor spin qubits and their charge noise environment for quantum gate fidelity estimation
针对半导体自旋量子比特缺乏物理-量子比特能空间关联框架、电荷噪声致门误差的问题，提出双量子点与电荷噪声联合建模框架，揭示门误差与限制频率负相关等规律，为规模化自旋量子比特器件设计提供支撑。
2023-08-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
