硅中高保真双比特门的误差变化评估

硅双量子点中交换耦合始终导通的量子门的鲁棒实现

Robust implementation of quantum gates despite always-on exchange coupling in silicon double quantum dots

在（1，1）电荷配置中的硅双量子点设置中的自旋量子位的可寻址性依赖于在电子的塞曼分裂之间具有大的差异。当差异不是足够大时，旋转波近似变得不准确。我们考虑在这种制度下工作的设备，始终在交换耦合，并描述如何CZ门和任意的一个量子比特门，这是强大的电荷噪声可以通过平滑地脉冲微波源，同时消除串扰来实现。我们发现，最显着的偏离旋转波近似，这是类似的布洛赫Siegert移位在一个两级系统，可以使用本地虚拟门补偿。

A shuttling-based two-qubit logic gate for linking distant silicon quantum processors

Control of entanglement between qubits at distant quantum processors using a two-qubit gate is an essential function of a scalable, modular implementation of quantum computation. Among the many qubit platforms, spin qubits in silicon quantum dots are promising for large-scale integration along with their nanofabrication capability. However, linking distant silicon quantum processors is challenging as two-qubit gates in spin qubits typically utilize short-range exchange coupling, which is only effective between nearest-neighbor quantum dots. Here we demonstrate a two-qubit gate between spin qub…

用随机基准测试法量化硅中单原子自旋量子比特的量子门保真度

Quantifying the quantum gate fidelity of single-atom spin qubits in silicon by randomized benchmarking

基于硅中单个31-P原子的电子和核自旋的相干控制和单次读出的演示，我们在这里提出了一个系统的实验估计量子门的精确度，使用Clifford组中的1-qubit门的随机基准测试。我们应用这种分析的电子和电离的31-P核的一个单一的P供体同位素纯化的28-Si。我们发现电子的平均门量子效率为99.95%，核自旋的平均门量子效率为99.99%.这些值高于特定的纠错阈值，并展示了硅中基于施主的量子计算的潜力。通过研究控制脉冲的形状和功率的影响，我们发现证据表明，目前对门保真度的限制主要与外部硬件有关，而不是量子比特的内在行为。

硅中双量子比特门的保真度基准测试

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。

硅中的单发单栅RF自旋读出

Single-shot single-gate RF spin readout in silicon

对于固态自旋量子位，单栅极RF读出可以帮助最大限度地减少放大到许多量子位所需的栅极数量，因为读出传感器可以集成到操纵量子位所需的现有栅极中（Veldhorst 2017，Pakkiam 2018）。然而，可扩展量子计算机的一个关键要求是，我们必须能够在单次激发（即单次测量）内解析量子比特状态（Dijuenzo 2000）。在这里，我们展示了单栅，单次读出的单重态-三重态自旋在硅，在$3.3~\text{kHz}$测量带宽的平均读出保真度$82.9\%$。我们使用这种技术来测量三重态$T_-$单重态$S_0$弛豫时间的$0.62~\text{ms}$在硅中的精确施主量子点。我们还表明，使用RF读出不影响最大读出时间在零失谐的$S_0$到$T_-$衰减，保持在约$2~\text{ms}$限制。这确立了单栅极感测作为自旋量子位的可行读出方法。

用于硅中量子点自旋量子比特的高保真鲁棒双量子比特门

High-fidelity and robust two-qubit gates for quantum-dot spin qubits in silicon

最近，在同位素富集硅中实现了一种双量子位控制非门（CNOT），该门由控制相位门和单量子位门组成，用于量子点自旋量子位。在实验中，单量子比特门已经被证明具有容错控制保真度，但是双量子比特C相门的不保真度主要是由于电噪声，仍然高于容错量子计算（FTQC）所需的错误阈值。在这里，考虑到现实的系统参数和实验上的限制的控制脉冲，我们构建实验可实现的高保真CNOT门强大的抗电噪声与实验测得的$1/f^{1.01}$噪声谱，也对点间隧道耦合幅度的不确定性。我们的最佳CNOT门有大约两个数量级的改善，在不考虑任何噪声影响的情况下构造的理想C相门的门失真。此外，在相同的控制框架内，还可以构建高保真和鲁棒的单量子比特门，为大规模FTQC铺平道路。

超精细相互作用控制硅中施主的鲁棒双量子比特门

Robust two-qubit gates for donors in silicon controlled by hyperfine interactions

我们提出了两种策略，用于对硅中磷供体的交换耦合对的电子自旋进行双量子比特操作，使用将供体核自旋设置在任意状态的能力。当$^{31}$ P核处于相反的自旋态时，超精细相互作用提供了两个电子量子比特的有效磁失谐。这可以被利用来开启和关闭SWAP操作，其中适度地调节电子交换相互作用。此外，超精细失谐实现了基于选择性共振激发的高保真条件旋转门。后者根本不需要动态调整交换相互作用，并且提供了一个非常有吸引力的方案来在现实的实验条件下实现两个量子位逻辑门。

天然硅中$^{31}\mathrm{P}$电子自旋量子比特的高保真绝热反转

High-fidelity adiabatic inversion of a $^{31}\mathrm{P}$ electron spin qubit in natural silicon

对半导体中自旋的高保真度量子控制的主要限制是存在由主体材料的核自旋浴产生的强烈波动场。在这里，我们证明了一个电子自旋量子位绑定到一个$^{31}$ P原子在天然硅单量子位门的结晶度的实质性改善，通过应用绝热反转，而不是窄带脉冲。我们实现了97%的反转保真度，我们观察到的签名的自旋共振光谱和自旋相干时间是一致的存在下，一个额外的交换耦合供体。这项工作突出了绝热反演技术的有效性，在起伏的环境中的自旋控制。

硅中自旋量子比特的SWAP门

A SWAP Gate for Spin Qubits in Silicon

本文在硅量子点中演示了约25纳秒的快速SWAP门，通过高度可调的J与ΔE_z比率实现高保真度操作，解决了自旋量子比特阵列的连接性问题，为芯片上量子通信和量子模拟奠定基础。

Fast universal quantum control above the fault-tolerance threshold in silicon

Fault-tolerant quantum computers which can solve hard problems rely on quantum error correction. One of the most promising error correction codes is the surface code, which requires universal gate fidelities exceeding the error correction threshold of 99 per cent. Among many qubit platforms, only superconducting circuits, trapped ions, and nitrogen-vacancy centers in diamond have delivered those requirements. Electron spin qubits in silicon are particularly promising for a large-scale quantum computer due to their nanofabrication capability, but the two-qubit gate fidelity has been limited to …

碳化硅中单硅空位中心的高保真自旋和光学控制

High-fidelity spin and optical control of single silicon vacancy centres in silicon carbide

可扩展量子网络中的光接口自旋。到目前为止，稳健和可靠的光学性质仅限于具有反转对称性的系统。在这里，我们通过展示碳化硅中单个硅空位中心的出色光学和自旋特性来释放这种严格的约束。尽管缺乏反演对称性，但系统的特殊波函数对称性使其光学性质与磁场和电场以及局部应变无关。这提供了高保真度的自旋-光子界面，其具有异常稳定和窄的光学跃迁、低不均匀加宽和大部分共振发射的光子。此外，弱自旋-声子耦合导致电子自旋相干时间与金刚石中的氮空位中心相当。这使我们能够证明与单个核自旋的相干超精细耦合，这可以用作量子位记忆。我们的研究结果承诺使用集成的基于半导体的自旋到光子接口的量子网络应用。

硅中门定义量子点的电路量子电动力学结构

Circuit Quantum Electrodynamics Architecture for Gate-Defined Quantum Dots in Silicon

我们展示了一种混合器件结构，其中使用片上超导微波腔读出在Si/SiGe异质结构中形成的双量子点（DQD）中的电荷态。品质因数Q = 5,400是通过选择性地蚀刻掉量子阱的区域并通过栅极偏置线的低通滤波来减少光子损失而实现的。零差法测量了DQD的电荷稳定性图和电荷-腔耦合率gc/2 pi = 23 MHz。这些测量结果表明，在Si DQD中捕获的电子可以有效地耦合到微波光子，潜在地实现硅中的相干电子-光子相互作用。

硅中精确施主的高保真单激发单重态-三重态读出

High Fidelity Single-Shot Singlet-Triplet Readout of Precision Placed Donors in Silicon

在这项工作中，我们进行直接单次读出的单重态，三重态的交换耦合电子限制在硅中的精确放置的施主原子。我们的方法利用了由Pauli自旋阻塞的（2，0）三重态给出的大的能量分裂，由此我们可以实现98.4 $\pm$ 0.2%的单次读出保真度。我们测量的三重态负弛豫时间是在2.5 T的顺序为3秒，并观察到其预测的减少作为磁场的函数，达到0.5秒在1 T。

High-fidelity CNOT gate for spin qubits with asymmetric driving using virtual gates

Recent experiments have demonstrated two-qubit fidelities above 99%, however, theoretically, the fidelity of CNOT operations is limited by off-resonant driving described by off-diagonal terms in the system Hamiltonian. Here we investigate these off-diagonal contributions and we propose a fidelity improvement of several orders of magnitude by using asymmetric driving. Therefore, we provide a description of an ac virtual gate based on a simple capacitance model which not only enables a high fidelity CNOT but also crosstalk reduction when scaling up spin qubit devices to larger arrays.

在强驱动硅量子点混合量子比特中实现高保真单量子比特门

Achieving High Fidelity Single Qubit Gates in a Strongly Driven Silicon Quantum Dot Hybrid Qubit

尽可能快地执行量子位门操作对于最小化退相干的影响可能是重要的。对于谐振门，这需要施加强交流驱动。然而，强驱动可能会导致泄漏到量子比特子空间之外的水平，从而带来控制挑战。强驱动也可能带来理论挑战，因为旋转波近似等首选工具可能会崩溃，导致难以控制的复杂动力学。在这里，我们分析了硅量子双点混合量子比特的$X$共振旋转的缀饰态形式主义，获得的结果超出了旋转波近似。我们得到了最佳驱动频率和拉比频率的解析公式，这两者都受到强驱动。虽然量子比特状态表现出快速振荡，由于反向旋转项和泄漏，我们表明，它们可以被抑制到一个点，即门以上的$99.99\%$是可能的，在退相干的情况下。因此，退相干机制，而不是强驱动效应，应该代表量子点混合量子比特中谐振栅性能的限制因素。

基于磁偶极耦合的硅量子计算

Silicon quantum computation based on magnetic dipolar coupling

提出了一种偶极门替代基于交换门的凯恩量子计算机，其中量子比特是硅中浅V族施主的电子自旋。剩余交换耦合被视为适合于量子纠错的门误差，去除了对所有基于硅交换的实现的施主定位特性的严格要求[B. Koiller等人，物理修订版信函88，027903（2002）]。与常见的推测相反，这样的方案是可扩展的，即使它是基于长距离偶极量子位间耦合，也没有门控时间的开销。

Two-qubit CZ gates robust against charge noise in silicon while compensating for crosstalk using neural network

The fidelity of two-qubit gates using silicon spin qubits is limited by charge noise. When attempting to dynamically compensate for charge noise using local echo pulses, crosstalk can cause complications. We present a method of using a deep neural network to optimize the components of an analytically designed composite pulse sequence, resulting in a two-qubit gate robust against charge noise errors while also taking crosstalk into account. We analyze two experimentally motivated scenarios. For a scenario with strong EDSR driving and negligible crosstalk, the composite pulse sequence yields up …

Variability and Fidelity Limits of Silicon Quantum Gates Due to Random Interface Charge Traps

Silicon offers an attractive material platform for hardware realization of quantum computing. In this study, a microscopic stochastic simulation method is developed to model the effect of random interface charge traps in silicon metal-oxide-semiconductor (MOS) quantum gates. The statistical results show that by using a fast two-qubit gate in isotopically purified silicon, the two-qubit silicon-based quantum gates have the fidelity >98% with a probability of 75% for the state-of-the-art MOS interface quality. By using a composite gate pulse, the fidelity can be further improved to >99.5% with t…

栅极全环绕硅纳米线在低温下的双重工作模式：场效应晶体管与量子点

Dual Operation of Gate-All-Around Silicon Nanowires at Cryogenic Temperatures: FET and Quantum Dot

本文研究栅极全环绕硅纳米线MOSFET在低至1.7 K下的电学特性，证明其可同时作为高性能晶体管和系统性形成量子点的平台，为硅自旋量子比特与经典控制电路共集成提供器件基础。

硅中门控施主量子比特的谷增强快速弛豫

Valley-enhanced fast relaxation of gate-controlled donor qubits in silicon

界面附近施主电子的栅极控制是基于施主的量子计算的一般成分。在这里，我们解决的问题：如何声子辅助量子位弛豫时间$T_1$的电子之间的施主和界面穿梭的影响？我们专注于“触发器量子位”的例子[Tosi等人，arXiv：1509.08538v1]，定义为硅中磷供体的核态和电子态的组合，当电子在供体和界面之间的中途时，有望实现快速的电控制和长的退相时间。我们从理论上描述了轨道弛豫，触发器弛豫和电子自旋弛豫。我们估计触发器量子位弛豫时间可以是$100 \, μ\text{s}$的量级，比体硅中的施主电子的值短8个数量级，并且比预测的非均匀退相时间（门时间）短（长）几个数量级。所有这三个弛豫过程都受到（i）电子-声子相互作用的非平凡谷结构和（ii）所涉及的电子态的不同谷组成的推动。

Fast high-fidelity single-qubit gates for flip-flop qubits in silicon

The flip-flop qubit, encoded in the states with antiparallel donor-bound electron and donor nuclear spins in silicon, showcases long coherence times, good controllability, and, in contrast to other donor-spin-based schemes, long-distance coupling. Electron spin control near the interface, however, is likely to shorten the relaxation time by many orders of magnitude, reducing the overall qubit quality factor. Here, we theoretically study the multilevel system that is formed by the interacting electron and nuclear spins and derive analytical effective two-level Hamiltonians with and without peri…

通过非绝热快速通过的鲁棒高保真普适量子门集

Robust high-fidelity universal set of quantum gates through non-adiabatic rapid passage

我们展示了如何使用单一形式的非绝热快速通道来实现一个强大的高保真通用量子门集，其参数被优化以最大化门保真度和奖励门鲁棒性。通用集合中的每个门都以0.99988 < F < 0.99999范围内的保真度F工作，并且需要不超过14位（1/10，000）精度的控制参数。这样的精度是在商业上可用的任意波形发生器的范围内，因此，对这种高保真通用量子控制方法的实验研究似乎是可行的。

针对硅中电荷噪声与串扰具有鲁棒性的神经网络设计三量子比特门

Neural-network-designed three-qubit gates robust against charge noise and crosstalk in silicon

针对硅基自旋量子比特受串扰和电荷噪声限制的规模化难题，研究通过物理信息神经网络优化生成鲁棒整形脉冲，实现等效Toffoli门及通用鲁棒门集合，大幅提升电压波动耐受度。

用于硅电路量子电动力学的分栅腔耦合器

Split-Gate Cavity Coupler for Silicon Circuit Quantum Electrodynamics

最近在硅双量子点（DQD）中实现了电荷-光子和自旋-光子的相干耦合。在这里，我们展示了一个多功能的分裂栅腔耦合器，允许一个以上的DQD耦合到同一个微波腔。作为水平失谐的函数的腔传输的测量产生电荷腔耦合速率$g_c/2π$ = 58 MHz，电荷退相干速率$γ_c/2π$ = 36 MHz，以及腔衰减速率$κ/2π$ = 1.2 MHz。电荷腔耦合率与器件模拟结果吻合较好。我们的耦合技术可以扩展到使多个DQD同时耦合到相同的腔模式，打开大门，使用微波频率光子的半导体量子位的远程耦合。

Rydberg Entangling Gates in Silicon

In this paper, we propose a new Rydberg entangling gate scheme which we demonstrate theoretically to have an order of magnitude improvement in fidelities and speed over existing protocols. We find that applying this gate to donors in silicon would help overcome the strenuous requirements on atomic precision donor placement and substantial gate tuning, which so far has hampered scaling. We calculate multivalley Rydberg interactions for several donor species using the Finite Element Method, and show that induced electric dipole and Van der Waals interactions, calculated here for the first time, …

硅中核自旋量子比特的高保真读出和控制

High-fidelity readout and control of a nuclear spin qubit in silicon

单个核自旋有望成为长寿的量子比特或量子存储器，具有容错量子计算所需的高性能。我们在这里表明，这样的承诺可以通过硅纳米结构中的单个磷（31 P）核自旋来实现。通过将电子自旋的单次读出与片上电子自旋共振相结合，我们证明了核自旋的量子非破坏性电单次读出，读出保真度优于99.8% -这是任何固态量子位的最高值。然后通过施加相干射频（RF）脉冲将单个核自旋作为量子比特操作。对于电离的31 P施主，我们发现核自旋相干时间为60 ms，1-量子位门控保真度超过98%。这些结果表明，现代电子学的主导技术可以适用于托管基于核自旋的量子信息处理的完整电测量和控制平台。

Si双量子点中自旋量子比特的快速高保真纠缠门

Fast high-fidelity entangling gates for spin qubits in Si double quantum dots

在硅双量子点的单电子自旋量子比特中实现高保真双量子比特门仍然是一个重大挑战。在这项工作中，我们采用分析方法来设计控制脉冲，为基于该平台的量子计算机生成高保真纠缠门。使用现实的参数，并最初假设一个无噪声的环境，我们提出了简单的控制脉冲，产生CNOT，CPHASE，CZ门的平均精度大于99.99%，门时间短至45 ns。此外，使用系统的演化算子的局部不变量，我们表明，一个简单的方波脉冲产生的CNOT门在小于27 ns，保真度大于99.99%。最后，我们使用相同的分析方法来生成局部等效于$\sqrt{\mathrm{CNOT}}$和$\sqrt{\mathrm{CZ}}$的两个量子比特门，用于实现简单的两段脉冲序列，在低频噪声存在下产生高保真CNOT和CZ门。

Coherent spin qubit transport in silicon

A fault-tolerant quantum processor may be configured using stationary qubits interacting only with their nearest neighbours, but at the cost of significant overheads in physical qubits per logical qubit. Such overheads could be reduced by coherently transporting qubits across the chip, allowing connectivity beyond immediate neighbours. Here we demonstrate high-fidelity coherent transport of an electron spin qubit between quantum dots in isotopically-enriched silicon. We observe qubit precession in the inter-site tunnelling regime and assess the impact of qubit transport using Ramsey interferom…

硅基双量子点中的几何两比特门

Geometric two-qubit gates in silicon-based double quantum dots

本文针对硅双量子点自旋量子比特受电荷噪声影响的问题，提出在局域磁场梯度远大于交换相互作用的区域，通过解析与数值方法实现纠缠和非纠缠几何两比特门，保真度超过99%并优于动力学操作。

评估受驱硅自旋量子比特中的保真度限制因素并实现超过99.999%的单量子比特门保真度

Assessing fidelity-limiting factors and achieving single-qubit gate fidelity beyond 99.999% in driven silicon spin qubits

该研究针对硅自旋量子比特受驱相干性波动导致门保真度难以稳定提升的问题，通过移除邻近储层延长$T_{1ρ}$、优化器件与定制脉冲抑制非共振效应，实现了99.99920(2)%的π/2门保真度，明确了保真度限制机制并给出高保真实现方案。

用于双量子点自旋量子比特的高保真纠缠门

High-fidelity entangling gate for double-quantum-dot spin qubits

半导体中的电子自旋是有希望的量子比特，因为它们的长相干时间使近10^9相干量子门操作成为可能。然而，开发可扩展的高保真双量子比特门仍然具有挑战性。在这里，我们展示了一个纠缠门之间的两个双量子点自旋量子位在GaAs中，通过使用磁场梯度之间的两个量子点在每个量子位，以抑制退相干由于电荷噪声。当磁梯度主导电子之间的电压控制交换相互作用时，量子比特相干时间增加一个数量级。使用随机基准测试和自洽的量子测量，状态和过程断层扫描，我们测量单量子位门的保真度约为99%和纠缠门保真度为90%。在未来，在无核自旋材料（如Si）中操作具有大梯度的双量子点自旋量子比特，应该能够实现超过容错量子信息处理阈值的双量子比特门保真度。

Si/SiGe双量子点中的高保真量子门

High-fidelity quantum gates in Si/SiGe double quantum dots

受Zajac等人最近实验的启发。[arXiv：1708.03530]，我们在理论上描述了高保真双量子位门，使用受磁场梯度影响的相邻量子点中自旋之间的交换相互作用。我们使用分析计算和数值模拟相结合，以提供最佳的脉冲序列和门操作的参数设置。我们提出了一种新的同步方法，它避免了在门操作过程中有害的自旋翻转，并提供了有关相位失配的细节积累在两个量子位门发生由于剩余的交换相互作用，非绝热脉冲，和非共振驱动。通过调整选通时间，同步谐振和非谐振转换，并通过相位控制补偿这些相位失配，可以显著提高整体选通保真度。

硅中自旋的基于门的单次读出

Gate-based single-shot readout of spins in silicon

硅量子点中的电子自旋为实现有用的量子处理器所需的大量耦合量子位提供了一条有希望的途径。目前，所需的单次自旋量子位测量是使用芯片上的电荷传感器进行的，电容器耦合到量子点。然而，随着量子比特数量的增加，这种方法变得不切实际，这是由于电荷传感器的占地面积和复杂性，以及与量子点的所需接近度。或者，自旋状态可以通过检测量子点之间的自旋相关电子隧穿的复阻抗来直接测量。这可以通过在限定量子点本身的单个栅电极上使用射频反射测量来实现，从而显著地减少门计数和架构复杂性，但是迄今为止还不可能使用该技术来实现单次自旋读出。在这里，我们检测到单电子隧穿的双量子点，并证明基于栅极的传感可以用来读出电子自旋状态在一个Single Shot，平均读出保真度为73%。结果表明，使用大型半导体量子处理器所需的紧凑型门设计，并行读出许多自旋量子位的关键一步。

硅中施主核自旋量子比特的快速抗噪声控制

Fast noise-resistant control of donor nuclear spin qubits in silicon

高度的可控性和长的相干时间使得同位素纯化硅中的磷施主的核自旋成为量子比特的有希望的候选者。然而，长距离的双量子位耦合和快速，鲁棒的门仍然是这些系统的突出挑战。在这里，根据最近提出的通过偶极-偶极相互作用进行长距离耦合的建议，我们提出了一种简单的方法，在没有电荷噪声的情况下实现快速，高保真的任意单量子位和双量子位门。此外，我们还提供了一种方法，使单量子位门对中等水平的电荷噪声具有鲁棒性，并且完全在$10^{-3}$的误差范围内。

硅基双量子位逻辑门

A Two Qubit Logic Gate in Silicon

量子计算需要可以以可扩展的方式耦合和实现的量子位，以及通用和高保真的一量子位和二量子位逻辑门\cite{DiVincenzo2000, Loss1998}。在几个领域的努力已经导致了一系列令人印象深刻的量子比特实现，包括捕获离子\cite{Brown2011}，超导电路\cite{Barends2014}，单光子\cite{Kok2007}，金刚石\cite{Waldherr2014, Dolde2014}和硅\cite{Muhonen2014}中的单缺陷或原子，以及半导体量子点\cite{Veldhorst2014}，所有这些都具有超过容错量子计算\cite{Fowler2012}所需的严格阈值的单量子比特纯度。尽管如此，可以使用标准光刻技术制造的固态高保真双量子位门迄今为止仅限于超导量子位\cite{Barends2014}，因为半导体系统在耦合量子位和失相\cite{Nowack2011, Brunner2011, Shulman2012}方面存在困难。在这里，我们表明，这些问题可以完全消除使用单自旋同位素富集硅\cite{Itoh2014}通过演示单和两个量子位操作的量子点系统中使用的交换相互作用，如在原来的损失-Diquenzo建议\cite{Loss1998}。我们通过控制旋转（CROT）或控制相位（CZ）操作结合单量子位操作实现CNOT门。直接栅极电压控制提供单量子位…

基于解析可解脉冲的高保真度量子门

High fidelity quantum gates via analytically solvable pulses

它示出了一个家庭的解析可解脉冲可以用来获得高保真度的量子相位门与令人惊讶的鲁棒性对系统或脉冲参数的缺陷。相位门是重要的，因为它们可以实现通用量子计算的必要操作。它们特别适用于自组装量子点、捕获离子和固体缺陷等系统，因为这些系统通常由量子比特子空间之外的状态的瞬态激发来操纵。

基于约瑟夫森参量放大的硅量子点快速栅读出

Fast gate-based readout of silicon quantum dots using Josephson parametric amplification

硅量子器件中的自旋是大规模量子计算的一个有希望的候选者。自旋量子位的基于门的感测提供了具有高保真度的紧凑且可扩展的读出，然而需要进一步改进灵敏度以满足在纠错协议中实现快速反馈所需的保真度阈值和测量时间尺度。在这里，我们结合了射频栅极为基础的传感在622 MHz的约瑟夫森参量放大器（JPA），在500-800 MHz的频带，以减少所需的积分时间读取硅双量子点的状态形成在纳米线晶体管。基于我们实现的信噪比（SNR），我们估计，单重-三重单激发读出的平均保真度为99.7%，可以在1 $μ$ s内执行，远低于容错读出的要求，比没有JPA快30倍。此外，JPA允许在较低的RF功率下工作，同时保持相同的SNR。我们确定的噪声温度为200 mK的贡献，从JPA（25%），低温放大器（25%）和谐振器（50%），示出的路线，以进一步提高读出速度。

硅场效应晶体管中的栅敏感相干电荷振荡

Gate-sensing coherent charge oscillations in a silicon field-effect transistor

由互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的小型化引起的量子力学效应阻碍了场效应晶体管的性能和可扩展性前景。然而，这些量子效应，如隧道效应和相干性，可以利用现有的CMOS技术进行量子信息处理。在这里，我们报告的观察相干电荷振荡的双量子点中形成的硅纳米线晶体管检测通过其分散的相互作用与通过栅极耦合的射频谐振电路。点间电荷跃迁时的差分电容变化使我们能够监测系统在强驱动状态下的状态，在强驱动状态下，我们观察到Landau-Zener-St{ü}ckelberg-Majorana干扰对谐振器相位响应的影响。色散信号的理论分析表明，必须包括量子和隧穿电容的变化来描述量子比特谐振器的相互作用。此外，干涉图案的傅立叶分析揭示了电荷相干时间，$T_2\approx 100$ ~ps。我们的研究结果表明，在一个简单的硅晶体管的电荷相干控制和读出，并开辟了在现有的CMOS技术实现电荷和自旋量子位的可能性。

用于静电控制硅自旋量子比特的噪声补偿脉冲

Noise-compensating pulses for electrostatically controlled silicon spin qubits

我们研究了SUPCODE的性能-一个家庭的动态校正脉冲，旨在同时消除单重态-三重态自旋量子比特的Overhauser和电荷噪声-适用于静电控制的硅器件。我们考虑天然Si和同位素富集的Si系统，在每种情况下，我们研究静态噪声下各个门的行为，并进行随机基准测试，以获得实际1/f噪声下的平均门误差。我们发现，在大多数情况下，SUPCODE脉冲提供大约一个数量级的减少门误差，特别是在同位素富集硅的情况下，SUPCODE产生非常高保真的门操作。我们还开发了一种仅消除电荷噪声的SUPCODE版本，“$δJ$ -SUPCODE”，这对于电荷噪声占主导地位的同位素富集Si器件特别有益，提供了与原始SUPCODE相当的误差降低水平，同时产生的门时间缩短了30%至50%。我们的研究结果表明，SUPCODE噪声补偿脉冲提供了一种快速，简单，有效的方法来抑制误差，使门误差远低于量子纠错阈值的原则。

在fluxonium量子比特上实现保真度超99.9%且稳定24天的CNOT门

24 days-stable CNOT-gate on fluxonium qubits with over 99.9% fidelity

本研究针对超导量子比特高保真两比特门稀缺问题，采用选择性暗化法在电感耦合fluxonium量子比特上实现60ns、保真度99.94%且24天稳定的CNOT门，将非退相干误差降至2×10⁻⁴，丰富了超三个九保真度的两比特门方案。

通过脉冲工程接近非相干噪声极限的硅量子比特结晶度

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。

Fast high-fidelity single-shot readout of spins in silicon using a single-electron box

Three key metrics for readout systems in quantum processors are measurement speed, fidelity and footprint. Fast high-fidelity readout enables mid-circuit measurements, a necessary feature for many dynamic algorithms and quantum error correction, while a small footprint facilitates the design of scalable, highly-connected architectures with the associated increase in computing performance. Here, we present two complementary demonstrations of fast high-fidelity single-shot readout of spins in silicon quantum dots using a compact, dispersive charge sensor: a radio-frequency single-electron box. T…

在自然Si-MOS量子点中使用300毫米硅基绝缘体晶圆实现高保真量子位控制

High Fidelity Qubit Control in a Natural Si-MOS Quantum Dot using a 300 mm Silicon on Insulator Wafer

利用300毫米硅基绝缘体晶圆实现高保真量子位控制，通过优化Rabi频率和反馈协议，在低频磁噪声下取得高保真度成果。

噪声环境下基于量子点的高保真通用量子门

Quantum dot-based high-fidelity universal quantum gates in noisy environment

本文针对噪声环境下的量子点自旋量子比特，利用Lindblad主方程对NOT门、Hadamard门和Toffoli门的自旋动力学与噪声过程进行建模，确定了外部磁场的工作范围以实现高保真度通用量子门操作，并提供了模拟更大规模量子处理器的通用框架。

使用基于原子力显微镜的射频门传感器对硅量子器件进行色散读出

Dispersive readout of a silicon quantum device using an atomic force microscope-based rf gate sensor

本文提出利用AFM针尖将亚微米浮栅耦合到射频反射电路，实现对Si/SiGe单量子点和双量子点的色散电荷传感，获得SNR为2的电荷跃迁检测，并显著抑制寄生电荷陷阱干扰。

基于交换作用的量子点混合量子比特高保真纠缠门

High-Fidelity Entangling Gates for Quantum-Dot Hybrid Qubits Based on Exchange Interactions

量子点混合量子比特利用了扩展的电荷噪声最佳点，该最佳点抑制了失相，并且使得高保真单量子比特门的实验实现成为可能。然而，目前提出的双量子比特门需要将量子比特从它们的最佳点调出来。在这里，我们提出了一种基于交换相互作用的双混合量子比特耦合方案，该方案允许量子比特始终保持在其最佳点。通过量子比特间的隧道耦合来控制相互作用。通过模拟这种门在现实的准静态和$1\!/\!f$电荷噪声的存在下，我们表明，我们的方案应使长度为$\sim$ 5~ns的受控$Z$门，和长度为$\sim$ 7~ns的Z-CNOT门，两者都具有$>$ 99.9\%。

金刚石中自旋量子比特的通用高保真量子门

Universal high-fidelity quantum gates for spin-qubits in diamond

该工作针对金刚石氮-空位中心电子与核自旋两比特系统，设计并演示了完整高保真门集，单比特保真度达99.999%，两比特达99.93%，为大规模色心量子处理奠定基础。

用于硅基自旋量子比特的高保真几何门

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。

Fabrication process and failure analysis for robust quantum dots in silicon

We present an improved fabrication process for overlapping aluminum gate quantum dot devices on Si/SiGe heterostructures that incorporates low-temperature inter-gate oxidation, thermal annealing of gate oxide, on-chip electrostatic discharge (ESD) protection, and an optimized interconnect process for thermal budget considerations. This process reduces gate-to-gate leakage, damage from ESD, dewetting of aluminum, and formation of undesired alloys in device interconnects. Additionally, cross-sectional scanning transmission electron microscopy (STEM) images elucidate gate electrode morphology in …

随机掺杂硅中的光控纠缠门

Optically Controlled Entangling Gates in Randomly Doped Silicon

随机掺杂的硅在量子计算方面具有许多竞争优势;它不仅制造速度快，而且作为掺杂密度的函数，它自然可以包含大量的量子位和逻辑门。我们确定在随机掺杂的硅，包括两个不同的掺杂剂物种的纠缠门的密度。首先，我们定义的条件和绘图的相对位置的掺杂剂必要的，他们形成交换相互作用介导的纠缠门。其次，利用最近邻泊松点过程理论，我们计算了单、双物种栅达到最大密度所需的掺杂浓度。我们发现我们的结果与蒙特卡罗模拟，我们提出的算法，它处理多个施主结构和规模最佳的掺杂剂的数量，并用它来提取施主结构没有捕获我们的泊松点过程理论的协议。第三，使用移动平均集群扩展技术，我们作出预测的原理实验证明，一个物种的控制，由另一个的轨道激发。这些随机分布中密度优化的组合方法可能对其他凝聚态系统以及物理学之外的应用有用。

硅光子晶体驻波腔中纳米晶作为量子信息处理的自旋光子相位门

Nanocrystals in silicon photonic crystal standing-wave cavities as spin-photon phase gates for quantum information processing

利用硅高Q光子晶体纳米腔，提出并研究了半导体光子晶体中静止电子自旋量子比特与飞行光子量子比特之间的相互作用.首先，我们首次引入、推导并证明了实现自旋光子双量子比特相位门的显式条件，并提出这些相互作用可以作为量子信息处理的广义量子接口。其次，我们研究了新颖的单自旋诱导反射作为我们的耦合纳米腔系统中的固有裸模和修饰模的直接证据。这种硅系统的良好物理集成为大规模量子信息处理提供了巨大的潜力。

硅光子芯片上量子态的保真度估计

Fidelity estimation of quantum states on a silicon photonic chip

本研究将已有最优态验证协议改编用于两量子比特态保真度估计，在可编程硅光子两量子比特芯片上实验验证，其点估计误差区间显著小于常用协议，提升了实际器件量子态保真度的估计能力。

一种用于硅空位自旋的计算增强型高维量子门

A Computation-Enhanced High-Dimensional Quantum Gate for Silicon-Vacancy Spins

本文提出一种面向四个硅空位自旋的 2-qudit 4×4 维 CNOT 门，利用辅助光子和单侧光学纳米腔耦合，并通过依赖探测结果的前馈操作实现确定性高维量子逻辑。

碳化硅色心的门控单光子电致发光

Gate-tunable single-photon electroluminescence of color centers in silicon carbide

电驱动的单光子源对于构建紧凑、可扩展和节能的量子信息设备是必不可少的。最近，SiC中的色心成为这种非经典光源的有希望的候选者。然而，很少有人知道如何控制，动态调整和切换其单光子电致发光（SPEL），这是需要有效地产生单光子的需求。在这里，我们提出并从理论上证明了一个概念的门可调单光子发射二极管，它不仅允许动态调整SPEL率的范围从0.6到40 Mcps，但也切换它的开关在只有0.2纳秒。