Single Flux Quantum-Based Digital Control of Superconducting Qubits in a Multi-Chip Module
本文提出一种多芯片模块架构，通过分离SFQ元件与量子比特并使用In凸点键合，有效抑制了声子介导的准粒子中毒，将基于SFQ的门错误率降低一个数量级至1.2(1)%，并指明进一步优化驱动电路带宽可使保真度逼近理论极限。
2023-01-13 cond-mat.supr-con quant-ph
Scalable Hardware-Efficient Qubit Control with Single Flux Quantum Pulse Sequences
与微波控制相关的硬件开销是超导量子计算规模化的主要障碍。另一种方法涉及用单通量量子（SFQ）脉冲串照射量子位，所述单通量量子脉冲是时间积分精确等于超导通量量子的电压脉冲。在这里，我们描述了紧凑SFQ脉冲序列的推导和验证，其中经典位以大约比量子位振荡频率高5倍的频率被计时到量子位，从而允许可变的脉冲到脉冲定时。控制序列是通过设计用于抑制计算流形泄漏的短子序列寄存器的重复流来构造的。通过单个全局时钟，可以高保真（> 99.99%）控制在20多个不同频率下谐振的量子位。SFQ脉冲可以本地存储，并通过邻近的经典约瑟夫森数字电路传递到量子位，从而提供了一种流线型、低占用空间的经典协处理器的可能性，用于监测错误并反馈到量子位阵列。
2019-02-08 quant-ph
Speeding up qubit control with bipolar single-flux-quantum pulse sequences
本文提出基于三元脉冲序列的双极SFQ脉冲控制方法，并开发鲁棒优化算法，使单量子比特门时间较单极SFQ技术减半，同时保持超过99.99%的门保真度。
2023-10-17 cond-mat.supr-con quant-ph
Genetic algorithm for searching bipolar Single-Flux-Quantum pulse sequences for qubit control
目前，大多数超导量子处理器使用transmon类型的电荷量子比特。它们需要实现能量有效的量子比特状态控制方案。一个有前途的方法是使用超导数字电路与单通量量子（SFQ）脉冲操作。SFQ脉冲控制序列的持续时间通常大于常规微波驱动脉冲的持续时间，但是其长度可以针对具有已知参数的系统进行优化。在这里，我们介绍了一种遗传算法的单极或双极SFQ控制序列搜索，最大限度地减少量子比特状态泄漏的计算子空间。该算法还能够以重复子序列的形式找到解决方案，以节省控制芯片上的存储器。它的并行实现可以在合理的时间内从实际范围内找到任意系统参数的合适序列。该算法的例子说明了旋转门围绕轴的角度$π/2$与保真度超过99.99%。在本文中，我们给出了单量子比特系统的结果，但在未来，我们将应用开发的方法来研究双量子比特系统。
2022-09-20 quant-ph
Qubit Energy Tuner Based on Single Flux Quantum Circuits
本文提出基于单磁通量子电路的量子比特能量调谐器（QET），通过电感回路和磁通偏置单元实现超导量子比特的 Z 控制，仿真验证其能以高保真度执行 Z 门和 iSWAP 门，适用于大规模超导量子计算机的数字 Z 控制。
2023-03-04 quant-ph
Control of a Josephson Digital Phase Detector via an SFQ-based Flux Bias Driver
针对超导量子比特传统室温读出方案的可扩展性难题，研究磁通偏置对约瑟夫森数字相位检测器性能的影响，提出一种基于SFQ的低温片上磁通偏置驱动器以提升检测保真度。
2025-01-16 quant-ph
Millikelvin digital-to-analog converter for superconducting quantum processors
S Lab, Quantum Science Center of Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area（粤港澳大湾区量子科学中心 S 实验室）
本文提出一种毫开尔文超导数字-模拟转换器，用于超导量子处理器的本地调制，通过单量子flux脉冲编程，实现无需室温直流偏置线的统一参数调谐。
2026-04-28 quant-ph
Digital coherent control of a superconducting qubit
高保真度的门操作是实现容错量子计算机的关键。此外，实现门所需的物理资源必须随着系统规模有效地扩展。超导量子位社区的长期目标是超导量子线路与邻近的经典低温控制系统的紧密集成。在这里，我们实现了超导transmon量子比特的相干控制，使用单通量量子（SFQ）脉冲驱动器上的量子比特芯片共同制造。脉冲驱动器通过弱电容耦合向量子比特提供量子化通量脉冲序列;当脉冲到脉冲定时与量子比特振荡周期的倍数匹配时，实现量子比特状态的相干旋转。我们使用交错随机基准测试来测量基于SFQ的门的保真度为~95%。在耗散的SFQ驱动器中，栅极电阻受到准粒子产生的限制。我们表征的准粒子导纳的耗散和色散的贡献，并讨论缓解策略，以抑制准粒子中毒。这些结果为大规模超导量子位阵列与SFQ控制元件的集成打开了大门，以实现低延迟反馈和稳定。
2018-06-20 cond-mat.supr-con quant-ph
A "Tipping Pulse" Scheme for rf-SQUID Qubits
介绍了一种控制rf SQUID量子比特宏观量子态的技术。我们建议采用磁耦合到量子位结的单通量量子（SFQ）脉冲流来瞬间抑制其临界电流。这有效地降低了双阱rf-SQUID势中的势垒，从而增加了阱之间的隧穿振荡频率。通过仔细选择SFQ脉冲之间的时间间隔，可以加速阱间隧穿速率。因此，可以将量子位置于选定的通量状态的叠加中，然后有效地冻结量子位状态。我们提出了数值模拟和分析的时间依赖性微扰理论计算，证明了该技术。使用这种策略，可以以类似于其他量子位方案中的π脉冲的方式控制rf-SQUID的量子态。研究部分由ARO资助#DAAG 55 -98-1-0367支持。
2001-02-18 quant-ph
Quantum--Classical Interface Based on Single Flux Quantum Digital Logic
我们描述了一种基于单通量量子（SFQ）数字逻辑家族的近端协处理器对大规模超导多量子位电路进行集成控制和测量的方法。相干控制是通过用最优控制理论导出的经典比特流直接照射量子比特来实现的。量子位测量是由约瑟夫森光子计数器进行的，它提供了在毫开尔文阶段的投影量子测量的经典结果。我们分析了SFQ协处理器的功耗预算和物理占用空间，并讨论了与这种方法相关的挑战和机遇。
2017-10-12 quant-ph
Coherence-limited digital control of a superconducting qubit using a Josephson pulse generator at 3 K
利用约瑟夫森脉冲发生器在3K下实现超导量子比特的相干限制数字控制，提升了门保真度和退相干时间。
2025-12-08 cond-mat.supr-con quant-ph
SFQ counter-based precomputation for large-scale cryogenic VQE machines
针对低温 VQE 机器的带宽瓶颈，提出在 4 K 级使用 SFQ 计数器模块预计算部分 VQE 任务，在万量子比特、277 路并行场景下降低 97% 带宽需求和 93% 总功耗。
2024-03-01 cs.AR quant-ph
QECOOL: On-Line Quantum Error Correction with a Superconducting Decoder for Surface Code
由于量子比特的低容错性，检测和纠正其上的错误是容错量子计算的必要条件。表面码及其译码算法是最有前途的量子纠错方法之一。QEC的挑战之一是其高复杂性和计算需求。QEC需要非常节能，因为功率预算在用于超导量子位的稀释制冷机内部是有限的，而最成功的量子计算机（QC）之一就是通过该制冷机构建的。在本文中，我们提出了一个在线QEC算法和它的硬件实现与SFQ为基础的超导数字电路。我们设计了一个关键的构建块的建议硬件与SFQ单元库，并评估它的SPICE级仿真。每个逻辑元件由大约3000个约瑟夫森结组成，当以满足所需解码速度的2GHz时钟频率工作时，功耗大约为2.78 μ W。我们的解码器是模拟的量子误差模拟器上的代码距离5至13，并达到1.0%的精度阈值。
2021-03-26 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
Amplification of the quantum superposition macroscopicity of a flux qubit by a magnetized Bose gas
通过将$\mathcal{M}$与连接磁通量子位的势阱的瞬子轨道的作用联系起来，计算了超导磁通量子位（SFQ）中屏蔽电流态叠加的叠加宏观性测度$\mathcal{M}$.当一个磁化的玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）气体包含$N_{B}\sim \mathcal{O}(10^6)$原子被带到一个$\mathcal{O}(1)$ $μ\text{m}$附近的通量量子比特在一个实验现实的几何形状，我们证明了一个2 - 5倍放大的$\mathcal{M}$的裸值没有BEC的外观，通过从微观导出的混合量子系统的有效通量拉格朗日量计算实例轨迹作用，磁通量子位和自旋$F$原子玻色气体。利用$\mathcal M$和多模叠加态的最大有效性之间的联系，我们表明，放大$\mathcal{M}$在混合系统的基态是等效于减少的量子克拉美罗界估计的外部施加的通量。因此，我们的研究结果表明，BEC-SFQ混合系统作为低于标准量子极限的超弱磁场传感器的有用性增加。
2016-10-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.quant-gas cond-mat.supr-con
Super controlled gates and controlled gates in two-qubit gate simulations
在双量子比特门模拟中，纠缠门与单量子比特门一起使用多次来模拟另一个双量子比特门。我们展示了双量子比特门的模拟功率与其镜像门的模拟功率之间的关系。我们证明了任意的双量子比特门可以通过三个超级受控门和单量子比特门的应用来模拟。我们还给出了门的集合，可以模拟的n个应用程序的受控门在一个建设性的方式。此外，我们给出了一些门，可以使用四次来模拟一个任意的两个量子比特门。
2004-07-15 quant-ph
Decomposition of orthogonal matrix and synthesis of two-qubit and three-qubit orthogonal gates
研究了两量子比特和三量子比特正交门的矩阵分解，并在此基础上研究了两量子比特和三量子比特正交门的综合。给出了一般两量子比特正交门的最优综合方法。对于双模正交门，最多需要2个CNOT门和6个单量子Ry门。对于一般的三量子位单模正交门，在最坏的情况下，它可以由16个CNOT门和36个单量子位Ry和Rz门合成。
2012-03-04 quant-ph
Fast multi-qubit gates through simultaneous two-qubit gates
近期量子计算机受到量子比特退相干的限制，只能以可接受的保真度运行低深度量子线路。这严重限制了量子算法可以在这些设备上编译和实现。克服这些限制的一种方法是将可用的门集合从单量子位和双量子位门扩展到多量子位门，其在单个步骤中纠缠三个或更多个量子位。在这里，我们表明，这样的多量子比特门可以实现多个两个量子比特门的同时应用到一组量子比特，其中至少一个量子比特涉及两个或更多的两个量子比特门。以这种方式实现的多量子位门与组成的两量子位门一样快，或者有时甚至更快。此外，这些多量子比特门不需要对量子处理器进行任何修改，但可以用于当前的量子计算平台。我们证明了这一想法的两个具体情况下：同时控制Z门和同时iSWAP门。我们展示了由此产生的多量子比特门与其他知名的多量子比特门的关系，并通过数值模拟证明它们在可用的量子硬件中工作良好，门的稳定性远高于99%。我们还提出了使用这些同步双量子比特门快速创建大型纠缠态的方案，如Dicke和Greenberg-Horne-Zeilinger态。
2021-08-25 quant-ph
Single qubit, two qubit gates and no signalling principle
在本工作中，我们研究了是否可以从无信号原理出发构造任意量子态的单比特和双比特量子门。我们考虑了泡利门，阿达玛门，C-Not门的问题。
2009-01-31 quant-ph
Realization of quantum gates with multiple control qubits or multiple target qubits in a cavity
本文提出了一种利用腔中的四能级量子系统实现三量子比特受控相位门和一个量子比特同时控制n个目标量子比特的多量子比特受控非门的方案。不需要在栅极实施期间调整电平间距。多量子比特控制的非门的实现时间与量子比特的数量无关。将三比特相位门推广到多控制比特的n比特相位门，与传统的门分解方法相比，其计算步骤（复杂度）线性减少。我们的方案可以应用于各种类型的物理系统，如超导量子比特耦合到谐振腔和囚禁在一个腔中的原子。实验的可能性，我们的方法也提出。
2015-03-02 quant-ph
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
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
