Complex instruction set computing architecture for performing accurate quantum $Z$ rotations with less magic
我们提出的量子协议执行任意精确的$π/2^k$旋转的量子位围绕其$Z$轴。精简指令集计算(\textsc{risc})体系结构通常将指令集限制为稳定器操作和单个非稳定器操作,诸如准备“魔术”状态,从该状态可以传送$T = Z(π/4)$门。尽管提取该神奇状态的高保真副本所需的开销很高,但是在\textsc{risc}架构中实现$Z$旋转的后续量子编译开销可能大得多。我们开发了一个复杂的指令集计算(\textsc{cisc})的架构,其指令集包括稳定器操作和准备的魔术状态,$Z(π/2^k)$门可以传送,为$2 \leq k \leq k_{\text{max}}$。这导致实现$Z$旋转的期望门精度所需的门数量的显著总体减少。我们构造的关键是一族长度为$2^{k+2}-1$的缩短量子Reed-Muller码,其魔态蒸馏阈值随着$k$而缩小,但对于$k \leq 6$则大于0.85%。
2013-10-15 quant-ph
Programming a quantum computer with quantum instructions
用于定义程序的指令和指令操作的输入数据之间的等效性是经典计算机体系结构和编程的基本原则。用量子态取代经典数据使得从根本上讲新的计算能力具有许多应用的缩放优势,并且已经提出了许多模型来实现量子计算。然而,在这些模型中的每一个模型中,量子数据都是由一组仅使用经典信息编译的门来转换的。因此,传统的量子计算模型打破了指令-数据对称性:经典指令和量子数据不能直接互换。在这项工作中,我们使用一个密度矩阵的幂协议来执行量子指令的量子数据。在该方法中,经典定义的门的固定序列执行唯一地取决于辅助量子指令状态的操作。我们的演示依赖于使用两个可调超导transmon量子位实现的99.7%保真度控制相位门,这使得在电路深度超过70时算法保真度超过90%。量子指令的使用避免了昂贵的层析成像状态重建和重新编译的需要,从而使广泛的算法,包括量子主成分分析,纠缠光谱的测量和通用量子仿真的指数加速。
2020-12-28 quant-ph
Error Mitigation in Quantum Computers through Instruction Scheduling
量子系统具有展示显著的计算优势的潜力,但是当前的量子设备遭受错误的快速积累,这阻止了量子信息在延长的时间段内的存储。量子位与其环境以及彼此之间的无意耦合给计算增加了显著的噪声,需要改进方法来对抗退相干,以提高量子算法在真实机器上的性能。虽然许多现有的减少错误的技术依赖于向电路添加额外的门,校准新的门,或延长电路的运行时间,但本文的主要贡献是利用量子程序中已经存在的门,而不延长电路持续时间。我们利用电路松弛的单量子位门发生在空闲窗口,调度门,使他们的时间可以抵消一些错误。自旋回波校正,减轻空闲量子位的退相干作为这项工作的灵感。然而,理论模型无法捕获NISQ设备中的所有噪声源,因此需要实际解决方案,以更好地最大限度地减少量子机器中不可预测的错误的影响。本文介绍了TimeStitch:一个新的框架,精确定位的最佳执行调度单量子位门在量子线路。TimeStitch作为编译通道实现,利用量子计算的可逆性来促进电路在真实量子机器上的成功。
2021-11-10 quant-ph
Optimizing Quantum Compilation via High-Level Quantum Instructions
Universidade Federal de Santa Catarina(圣卡塔琳娜联邦大学)
针对底层电路中心量子编程限制编译器优化的问题,本研究提出利用含量子专用指令的高级编程结构,实现近似门替换、辅助量子位正确反计算等优化,使多控NOT门V链分解的CNOT门最多减少50%,为高效量子计算铺路。
2025-10-28 quant-ph
A quantum compiler for qudits of prime dimension greater than 3
第一代量子计算机的主流方案使用2级系统或量子比特作为量子信息的基本单位。然而,最近在量子纠错和魔态蒸馏协议方面的创新表明,使用d能级量子系统(称为\emph{qudits})优于量子比特类似物。在设计量子架构时,考虑编译协议至关重要,编译协议是将程序员使用的高级指令最佳转换为机器解释的低级指令。在这项工作中,我们提出了一个通用的自动编译器multiqudit精确合成的基础上,以前的工作量子位,使用代数表示的量子线路称为相位多项式。我们假设Clifford门是低成本的,并且旨在最小化Clifford + M电路中的M个门的数量,其中M是量子比特T或π/8相位门的量子比特模拟。展示我们编译器能力的一个令人惊讶的结果是,我们发现CCZ或Toffoli门的单一实现使用4 M门,与量子位模拟的7 T门相比。
2019-02-14 quant-ph
RISQ - reduced instruction set quantum computers
仅提供有限控制的量子计算的候选者,例如,由于缺乏对单个量子位的访问,对于通用量子计算是无用的。我们提出了具体的建议,使用系统的限制,如RISQ -减少指令集量子计算机和设备-模拟量子动力学,多粒子纠缠和压缩集体自旋变量。这些任务本身就很有用,它们也为量子门在量子计算机的早期原型中的功能提供了实验探针。
2000-04-04 quant-ph
Quantum compiling with a variational instruction set for accurate and fast quantum computing
Capital Normal University(首都师范大学);Max-Planck-Institute for Mathematics in the Sciences(马克斯·普朗克数学科学研究所)
提出由多量子比特门组成的量子变分指令集(QuVIS),通过细粒度时间优化算法变分控制量子比特,显著降低误差积累与时间成本,适用于不同量子电路与硬件。
2023-05-16 cond-mat.str-el cs.LG quant-ph
Concurrent Fermionic Simulation Gate
Institute for Quantum Information, RWTH Aachen University(量子信息研究所,亚琛工业大学)
针对量子电路复杂性问题,提出一种在单门周期内集成 iswap 与 cphase 的并发费米子模拟门,并通过双色参数驱动实现超导量子比特调控,提升量子门的多功能性与计算效率。
2025-07-22 quant-ph
Reconfigurable Quantum Instruction Set Computers for High Performance Attainable on Hardware
The Hong Kong University of Science and Technology(香港科技大学);Fudan University(复旦大学);Shanghai Institute for Mathematics and Interdisciplinary Sciences(上海数学与交叉学科研究院);Tsinghua University(清华大学);DAMO Academy, Alibaba Group(阿里巴巴集团达摩院)
本文提出可重构量子指令集计算机(ReQISC),通过统一微架构和编译框架,实现任意2Q门的高效实现,显著减少脉冲持续时间和电路深度。
2026-02-14 cs.AR quant-ph
Quantum computation with trapped ions in strongly detuned optical cavity
提出了一种实现光腔中两个$Λ$离子量子相位门的方案。结果表明,在强失谐光腔中,通过对单个离子进行激光寻址,可以实现量子相位门。进一步证明了通过引入辅助基态可以实现几何量子相位门。
2001-12-10 quant-ph
Universality of a standard two-qubit gate by catalytic embedding
Centre for Quantum Mathematics, University of Southern Denmark(南丹麦大学量子数学中心)
通过催化嵌套,研究发现受控-V门可实现通用量子计算,以最小开销模拟标准门集并提供合成算法。
2026-02-21 quant-ph
Nonunitary quantum circuit
将量子线路推广到非幺正电路,其组成部分是由量子测量控制的非幺正门。结果表明,一种特殊类型的单量子比特非幺正门,受控非门以及所有的单量子比特幺正门构成了非幺正量子线路的通用门集,而不需要引入辅助量子比特.一个反向测量方案被用来提高成功的非酉门操作的概率。以量子与非门和Abrams Lloyd非线性门为例进行了分析。我们的非幺正电路可以用来减少量子比特的开销,以确保容错量子计算。
2005-04-06 quant-ph
Introducing Structure to Expedite Quantum Search
提出了一种新的量子算法来解决单标记元素的非结构化搜索问题。我们的算法允许生成量子线路,使用渐近更少的额外的量子门比著名的Grover的算法,并可能成功地执行NISQ设备。我们证明了我们的算法是最佳的,在总的基本门的乘法常数。由于许多NP难问题实际上不是非结构化的,我们还描述了\emph{partial uncompute}技术,利用Oracle结构,并允许显着减少所需的基本门的数量找到解决方案。结合这些结果,使我们能够使用渐近更少的基本门比格罗弗的算法在各种应用中,保持查询的甲骨文的数量基本上是相同的。我们展示了如何将结果应用于解决困难的组合问题,例如唯一的k-SAT。此外,我们展示了如何渐近减少解决多个标记元素的非结构化搜索问题所需的基本门的数量。
2021-05-11 cs.DS quant-ph
Geometric Quantum Gates of Non-closed Paths Under Counterdiabatic Driving
College of Physics and Electronic Engineering, Shanxi University(山西大学物理电子工程学院);Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Shanxi University(山西大学极端光学协同创新中心)
本研究提出基于准拓扑数的高保真量子控制框架,通过反迪布里克色势抑制非绝热跃迁,实现开放路径量子演化的鲁棒性,实验验证量子门保真度超过0.9999。
2025-04-09 quant-ph
Correcting errors in a quantum gate with pushed ions via optimal control
我们详细分析了所谓的“推门”被困离子,引入一个依赖于时间的谐波近似的外部运动。我们将展示如何提取平均保真度的门从所产生的半经典模拟。我们精确地描述和量化了来自量子动力学的所有类型的误差,并首次揭示了离子推力中的轻微非线性会对门操作的绝热性产生巨大影响。通过量子最优控制技术,我们展示了如何抑制每一个由此产生的门错误,以达到一个高保真兼容可扩展的容错量子计算。
2010-08-18 quant-ph
Improving initial-state-dependent quantum circuit optimization by introducing state labels
The University of Tokyo(东京大学)
本文提出AQCEL量子电路优化器,通过引入状态标签管理和消除冗余门对,有效减少量子电路门数并提升保真度,验证了状态依赖优化在提升近期量子设备性能中的潜力。
2026-08-05 quant-ph
Universal quantum multi-qubit entangling gates with auxiliary spaces
通用量子纠缠门是大规模量子计算和量子通信的重要组成部分,寻找简单的实现方法是一个重要的任务。通过在辅助空间中引入非计算量子态,构造了一个有效的量子线路,用于实现受控非门。进一步,将该方法推广到由(2n-1)个量子比特-量子比特门和(2n-2)个单量子比特门构成的一般n-控制量子比特Toffoli门的构造.基于所提出的量子线路,利用光子的空间模自由度设计了线性光学偏振CNOT和Toffoli门。所提出的光学方案可以以更高的成功概率实现,并且不需要额外的辅助光子。
2022-03-30 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
State-Based Quantum Operations: Chameleon Gates
Chameleon Computing
该研究提出作为常规量子受控门推广的变色龙门,其含决定操作的量子旋钮,可实现非幺正变换,还提出其实现方式并将其作为SBQC框架的模块,成功模拟态依赖量子演化。
2026-09-07 quant-ph
Benchmarking non-Clifford gates using only Pauli twirling group
Tsinghua University(清华大学)
本文提出了一种基于Pauli转移特征的基准测试方法,用于高效评估非Clifford门的保真度,通过局部Pauli操作估计量子通道的Pauli转移矩阵元素。
2025-10-17 quant-ph
Three Qubit Randomized Benchmarking
随着量子线路尺寸的增加,建立可扩展的多量子比特保真度度量是至关重要的。在这里,我们研究了三个量子位的随机基准(RB)与固定频率transmon量子位耦合到一个共同的总线与成对微波激活的相互作用(交叉共振)。我们首次测量了每个Clifford的三个量子比特误差,对于所有对所有的门连接性为0.106,对于线性门连接性为0.207。此外,通过引入混合维同步RB -同时的一个和两个量子比特的RB -我们表明,三个量子比特的错误可以预测从一个和两个量子比特的错误。然而,通过向门引入某些相干误差,我们可以将三个量子比特的误差增加到0.302,这一增加并不是由同时RB的一个和两个量子比特误差的成比例增加所预测的。这表明三量子比特RB是唯一的多量子比特度量。
2018-12-12 quant-ph
Idling error suppression through gate scheduling
Fujitsu Research, Fujitsu Limited(富士通研究所);RIKEN Center for Quantum Computing(理化学研究所量子计算中心)
提出一种无需额外门操作、通过调整量子门执行时序来抑制空闲错误的方法,数值模拟和硬件实验表明可显著提升计算精度,并给出理论框架。
2026-07-03 quant-ph
Systems Theory of Classical and Quantum Fields and Applications to Quantum Computing and Control
我们探索了一种场论方法来进行量子计算和控制。本书由三部分组成。第一部分回顾了系统论和场论的基础知识。在第二部分中,规范理论从系统理论的角度重新解释,并应用于量子门的制定。然后通过在门上引入反馈来定义量子系统。在第三部分,量子门和系统从量子场论的角度使用S-矩阵重新制定。我们还讨论了如何规范场与反馈。
2021-12-25 quant-ph
Single-Period Floquet Control of Bosonic Codes with Quantum Lattice Gates
Chalmers University of Technology(查尔姆斯理工大学);Tianjin University(天津大学)
提出一种单周期Floquet方法直接合成任意酉变换,避免传统绝热斜坡,实现玻色子码的快速制备和逻辑门操作,利用量子晶格门高效执行连续变量量子计算。
2026-06-25 quant-ph
Effects of self-phase modulation on weak nonlinear optical quantum gates
基于弱克尔效应的奇偶校验门是一种可能用于光学量子计算的双量子比特门。两个光子量子比特调制相干态的相位,并且相干态的正交测量揭示了两个量子比特的奇偶性而不破坏光子。这可以用来创建所谓的集群状态,这是量子计算的通用资源。在这里,自相位调制的奇偶门的影响进行了研究,引入生成函数的调制相干态的维格纳函数。对于具有非基于EIT的克尔非线性的材料,通常存在为交叉相位调制的幅度的一半的自相位调制。因此,这种影响不容忽视。研究表明,对于一大类相位调制的物理实现,正交测量无法区分奇校验和偶校验。因此,弱非线性奇偶校验门必须用自相位调制可重复的物理系统来实现。
2007-10-09 quant-ph
Enhancing a Near-Term Quantum Accelerator's Instruction Set Architecture for Materials Science Applications
目前正在开发具有数十到数百个噪声量子比特的量子计算机。为了对现实世界的应用有用,我们认为这些近期系统不能简单地缩小未来容错大型量子计算机的非纠错版本。这些短期系统需要特定的架构和设计属性来实现其全部潜力。为了有效地执行算法,量子协处理器必须被设计成相对于量子比特数量进行缩放,并且在量子比特的退相干范围内最大化有用的计算。在这项工作中,我们采用了应用程序-系统-量子位协同设计方法来构建一个近期的量子协处理器。为了支持模拟物质系统量子动力学的实际应用领域的算法,我们设计了一个(参数化)任意单量子位旋转指令和一个双量子位纠缠受控Z指令。我们引入了动态门设置和分页机制来实现指令。为了评估这两个指令的功能和性能,我们实现了一个双量子位版本的算法来研究无序诱导的金属-绝缘体转变,并运行60个随机实例,每个实例都实现了一个无序配置,包含40个双量子位指令(或门)和104个单量子位指令。我们观察到该系统的时间演化的预期量子动力学。
2020-03-06 cs.ET cs.SY eess.SY
Fast high-fidelity geometric gates for singlet-triplet qubits
利用几何相位全局性的几何门被认为是实现容错量子计算的有力工具。然而,对于半导体量子点中的单重态-三重态量子比特,由于微波控制的拉比频率较低,导致门控时间过长,构造的几何门更容易受到退相干效应的影响。在这里,我们研究的关键问题是,快速几何门是否可以实现单重态-三重态量子比特,而不引入额外的微波驱动脉冲,同时保持高保真度的门操作在同一时间。我们惊讶地发现,单量子比特和双量子比特几何门都可以通过仅调制哈密顿量的时间相关交换相互作用来实现,其通常可以是$\sim$ GHz的量级,因此相应的门时间为几纳秒。此外,所获得的几何门优于它们的对应物,即,单重态-三重态量子比特的传统动态门,具有相对较高的保真度,超过了$99\%$。因此,我们的方案特别适用于单重态-三重态量子比特,以获得快速和高保真度的几何门。我们的方案也可以扩展到其他系统没有微波驱动器。
2022-03-21 quant-ph
Systematic construction of topological-nontopological hybrid universal quantum gates based on many-body Majorana fermion interactions
针对马约拉纳费米子编织拓扑量子计算非通用且存在量子门嵌入难题的问题,通过引入2N体马约拉纳费米子相互作用实现拓扑-非拓扑混合通用量子计算,并系统构建了CⁿZ、CⁿNOT、CⁿSWAP三类量子门。
2023-09-06 cond-mat.supr-con math-ph math.MP
Quantum Logic Codes: Complete Transversal Logical Clifford Instruction Sets for High-Rate Stabilizer Quantum Error Correcting Codes
NVIDIA(英伟达)
研究稳定子量子纠错码的横向逻辑门能力,构建了旋转表面码中深度为一的横向S门和2D环面码中深度为一的块内CZ门,并提出一种高码率非LDPC CSS码族,具有常数深度的完全横向逻辑Clifford基指令集架构。
2026-06-12 math-ph math.MP quant-ph
Compilation of Entangling Gates for High-Dimensional Quantum Systems
迄今为止,大多数量子计算架构原生地支持多值逻辑,尽管通常以二进制方式操作。多值量子处理器可以获得更丰富的量子纠缠形式,这有望显着提高量子设备的性能和实用性。然而,利用这种硬件所需的大部分理论以及相应的设计方法仍然不够,并且量子位的推广并不简单。一个特别的挑战是将量子线路编译成由最先进的量子硬件支持的原生量子门的集合。在这项工作中,我们通过引入一个完整的工作流程来解决这一挑战,将任何两个qudit幺正编译成一个任意的本地门集。案例研究证明了两者的可行性,所提出的方法以及相应的实现(可在https://github.com/cda-tum/qudit-entanglement-compilation免费获得)。
2023-01-10 quant-ph
Quantum Gates for Propagating Microwave Photons
我们报告了一个通用的计划,实现传输型量子门传播微波光子,基于一系列的集总元件组件的传输线。通过选择三个等距的超导量子干涉器件(SQUID)作为单个传输线上的组件,我们在实验上实现了磁通量可调移相器,并证明了它在实验不确定度内产生了宽范围的相移和全传输。与先前演示的分束器一起,这些移相器可以用于实现任意单量子位门。此外,我们从理论上表明,超导量子比特取代SQUID,移相器可以强非线性,从而引入确定性的光子-光子相互作用。这些结果是对先前按需单光子源和探测器的重要补充,因此为基于传播光子的全微波量子计算机铺平了道路。
2017-03-07 quant-ph
Robust and Fast Holonomic Quantum Gates with Encoding on Superconducting Circuits
高精度、高鲁棒性的量子操作是实现可扩展量子计算的关键。因此,几何相位诱导的量子操纵具有内在的操作鲁棒性,是一种很有前途的方法。然而,几何操作的门时间较长,物理实现困难,阻碍了它的实际和广泛的应用。在这里,我们提出了一个简化的通用完整量子门超导电路的实验证明的技术,它可以消除两个主要的挑战,通过引入时间最优控制到量子门的建设。值得注意的是,我们的方案也是基于一个消相干的子空间编码,与最小的物理量子比特资源,这可以进一步免疫量子比特频率漂移,这被认为是大规模超导电路的主要误差源所造成的错误。同时,我们特意设计了量子演化,以消除不必要的泄漏源造成的门误差。因此,我们的计划是更强大的比传统的,从而提供了一个有前途的替代策略,可扩展的容错量子计算。
2020-04-23 quant-ph
Generalized phase estimation in noisy quantum gates
针对含噪声量子比特门编码参数的计量问题,本文用Von Mises-Fisher分布建模退相与倾斜噪声,通过QFI分析发现其随门作用次数呈非单调变化并存在对应最优步骤数的最大值。
2024-06-06 quant-ph
Integrated Programmable Controlled Phase Gate Design for Quantum Information Processing
本文提出了一种用于量子信息处理的集成可编程相位门(CPHASE)的设计。在控制量子比特处于非线性状态的情况下,该门能够向目标量子比特引入任意相位差。|1>。因为与提供硬编码相移的常规受控相位门不同,在制造之后可以利用期望的相位差,所以期望这样的集成门为当前集成光学电路的更通用操作以及可能的新应用铺平道路。
2022-01-24 physics.optics quant-ph
Realistic Cost to Execute Practical Quantum Circuits using Direct Clifford+T Lattice Surgery Compilation
本文提出基于 Lattice Surgery Compiler 的 Clifford+T 到表面码晶格手术两阶段编译与资源估算流水线,并用分子基态估计电路揭示魔法态存储成本可能主导总资源。
2024-10-24 quant-ph
Louvre: Relaxing Hardware Requirements of Quantum LDPC Codes by Routing with Expanded Quantum Instruction Set
本文提出基于路由的框架Louvre,通过扩展量子指令集降低广义自行车码的量子比特连接度要求,在保持或略微增加电路深度的同时消除长距离易错连接,并在BB码上验证了其接近标准的逻辑错误率性能。
2025-08-28 quant-ph
TrapSIMD: SIMD-Aware Compiler Optimization for 2D Trapped-Ion Quantum Machines
本文提出SIMD感知编译器框架FluxTrap,通过统一SIMD指令与架构图抽象协调离子传输与门执行,在NISQ基准下显著提升执行速度与保真度,并支持容错工作负载扩展。
2025-04-28 quant-ph
Crosstalk-robust superconducting two-qubit geometric gates using tunable couplers
South China Normal University(华南师范大学);Anqing Normal University(安庆师范大学)
本文提出一种基于耦合器的超导双量子位几何门方案,通过引入参数自由度,有效抑制串扰并实现快速门操作,展示了在超导量子计算中实现鲁棒高效双量子位门的可行性。
2026-04-10 quant-ph
Fault-tolerant multiqubit geometric entangling gates using photonic cat-state qubits
我们提出了一个理论协议来实现多量子位几何门(即,Mølmer-Sørensen门)使用光子猫态量子比特。这些猫态量子比特存储在高$Q$谐振器中,有望用于硬件高效的通用量子计算。具体地说,在强双光子驱动的限制下,猫态量子比特的相位翻转误差被有效地抑制,只留下一个比特翻转误差需要校正。由于这种占主导地位的错误与进化算子交换,我们的协议保留了错误的偏见,因此,可以降低纠错的码容量阈值。几何演化保证了协议对演化路径上随机噪声的鲁棒性。此外,通过在适当的时间改变腔-腔耦合的失谐,协议可以对参数缺陷(例如,总的演化时间),而不会向系统中引入额外的噪声。结果表明,该门可以在短时间内产生多模纠缠猫态,并具有较高的量子效率。
2022-09-02 quant-ph
Holonomic swap and controlled-swap gates of neutral atoms via selective Rydberg pumping
提出基于选择性里德伯泵浦和含时软控制的中性原子完整交换门快速实现方案,并扩展至三量子比特受控交换门,以抑制失谐与退相干。
2024-05-10 quant-ph
Noise tailoring for scalable quantum computation via randomized compiling
量子计算机有望通过操纵相干量子系统,从根本上超越经典计算机。现实的量子计算机将由于环境和不完美的控制而出现错误。当这些错误甚至是部分相干的,他们提出了一个主要的障碍,实现强大的计算。在这里,我们提出了一种方法,引入独立的随机单量子位门的逻辑电路,以这样的方式,有效的逻辑电路保持不变。我们证明,这种随机化剪裁成随机泡利错误的噪声,导致最坏情况下的累积错误率显着降低,同时引入很少或根本没有实验开销。此外,我们证明了我们的技术是强大的门集的误差变化,并在数值上说明了最坏情况下的错误,是可以实现的显着减少。给定这种定制的噪声,具有显著较低保真度的门足以实现容错量子计算,并且重要的是,定制噪声的最坏情况错误率可以通过随机基准测试实验直接有效地测量。值得注意的是,我们的方法能够在最近实验中观察到的错误率下实现容错量子计算。
2016-06-09 quant-ph
Paulihedral: A Generalized Block-Wise Compiler Optimization Framework For Quantum Simulation Kernels
量子模拟内核是一个重要的子程序,在许多量子程序中以很长的门序列出现。在本文中,我们提出了Paulihedral,一个块式编译器框架,可以深入优化这个子程序,利用高层次的程序结构和优化的机会。Paulihedral首先采用了一种新的Pauli中间表示,可以维护量子模拟内核中的高级语义和约束。这自然可以实现在低门级难以实现的新的大规模优化。特别是,我们提出了两个技术无关的指令调度通道,和两个技术相关的代码优化通道,协调电路合成,门取消,和量子位映射阶段的编译器。实验结果表明,Paulihedral可以在近期超导量子处理器和未来容错量子计算机的广泛应用中超越最先进的编译器基础设施。
2021-09-07 quant-ph
Optimized Compilation of Aggregated Instructions for Realistic Quantum Computers
The University of Chicago(芝加哥大学)
工程和算法的最新发展使量子计算在不久的将来成为可能。现有的量子编程语言和编译器使用由1-和2-qubit(量子位)门组成的量子汇编语言。量子编译器框架将此量子集合转换为电信号(称为控制脉冲),这些电信号在特定的物理设备上实现指定的计算。然而,由1和2量子位逻辑ISA定义的操作与其底层物理实现之间存在不匹配,因此目前将逻辑指令直接转换为控制脉冲的做法导致效率低下,高延迟程序。为了解决这种效率低下的问题,我们提出了一种通用的量子编译方法,将多个逻辑运算聚合到更大的单元中,一次操作多达10个量子位。然后,我们的方法通过以下方式优化这些聚合:(1)找到可交换的中间操作,从而实现更有效的调度;(2)创建针对聚合优化的自定义控制脉冲(而不是单独的1量子位和2量子位操作)。与标准的基于门的编译相比,所提出的方法实现了高级量子软件和低级物理量子硬件的更深层次的垂直集成。我们评估我们的方法对重要的近期量子应用超导量子架构的模拟。我们提出的方法提供了一个平均的$5\times$的加速比,最大值为$10\times$。由于延迟直接影响量子计算的可行性,我们的结果不仅提高了性能,而且有可能比其他方式更快地实现量子计算。
2019-02-17 cs.CL quant-ph
Active Leakage Cancellation in Single Qubit Gates
Google Quantum AI(谷歌量子人工智能)
本文提出在单量子比特门中引入靠近泄漏跃迁的第二驱动音调以主动抵消主驱动泄漏,并给出参数校准测量序列,在超导 transmon 量子比特上将泄漏降至 10⁻⁵ 以下。
2025-09-26 quant-ph
Decoherence of the quantum logic gate implemented with the Jaynes-Cummings model: A semiclassical approach
在本文中,我们研究了Knill,Laflamme和Milburn的非线性符号移位门的退相干与Jaynes-Cummings模型实现。引入一个随机变量作为外电场,使其与二能级原子的偶极矩耦合。我们使用半经典理论来检验这个模型。半经典近似下的蒙特卡罗模拟结果与随机过程的量子力学微扰理论结果符合得很好。在模拟的结果中,我们观察到了$\mbox{T}_{1}$和$\mbox{T}_{2}$的衰变。本文是文献[H.~ Azuma,Prog. Theor. { \bf 126},369(2011)]。
2017-04-30 quant-ph
qiskit-qudits: A Qiskit Extension for Simulating Qudit Circuits
qiskit-qudits是一款Qiskit扩展,通过将d级qudit编码为m=ceil(log₂ d)个量子比特实现模拟,支持2≤d≤16的精确模拟,其电路模型、门层级等经数值验证可用于qudit电路仿真。
2026-08-25 quant-ph
High fidelity entanglement of neutral atoms via a Rydberg-mediated single-modulated-pulse controlled-PHASE gate
中性原子平台已成为研究量子信息和量子模拟的理想平台,人们在此平台上对原子间的纠缠过程进行了大量的研究。对于这一领域的发展,通过里德伯封锁的双量子比特控制相位门是最基本的元素之一。最近的理论研究表明,在门协议中引入非平凡波形调制的优点,预计将在下一阶段提高其性能。本文报道了利用Rb原子双光子跃迁的非共振调制驱动(ORMD)实现双量子比特受控相位($C_Z$)门的实验结果。它依赖于具有仔细计算的平滑波形的单个调制驱动脉冲,以获得双量子位门所需的适当相位累积。将该$C_Z$门与全局微波脉冲相结合,产生了原始保真度为0.945(6)的两原子纠缠。考虑到态制备和测量(SPAM)误差,我们提取出纠缠操作保真度为0.980(7)。我们的工作特点是在单个脉冲内完成$C_Z$门操作,避免了里德堡布居的搁置,从而为在中性原子平台上实现高保真双量子比特门提供了另一条有希望的途径。
2021-09-06 quant-ph
Scalable quantum simulator with an extended gate set in giant atoms
Chalmers University of Technology(查尔姆斯理工大学)
本研究提出了一种基于巨原子的可扩展量子模拟器,通过扩展门集提升电路效率,实现CZ和iSWAP门操作,并展示其在复杂开放量子多体动力学中的应用潜力。
2026-01-20 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
Parallel Driving for Fast Quantum Computing Under Speed Limits
本文提出协同设计方法选择最佳驱动参数比率,并采用并行驱动同时驱动调制器和量子比特,以提升2Q基础门能力并吸收1Q驱动时间,平均缩短电路持续时间17.84%,降低随机2Q门非保真度10.5%。
2023-03-08 quant-ph
Compiler design for hardware specific decomposition optimizations, tailored to diamond NV centers
Delft University of Technology(代尔夫特理工大学)
针对金刚石NV中心缺乏专用编译器的问题,本文提出集成经典与量子指令、支持直接碳控制等特定操作的编译器,经测试可减少噪声影响、提升执行保真度。
2025-11-18 quant-ph
MCBeth: A Measurement Based Quantum Programming Language
基于门的量子程序设计语言无处不在,但基于测量的语言目前只存在于纸上。这项工作介绍了MCBeth,量子程序设计语言,它允许程序员直接表示,编程和模拟基于测量和集群状态计算的测量演算的基础上。虽然MCBeth程序旨在直接在硬件上执行,但为了利用当前的机器,我们还提供了一个编译器来编译基于门的指令。我们认为,与基于门的量子计算相比,基于测量的量子计算在实现常见的量子算法和分布式量子计算方面具有明显的优势。
2022-06-25 cs.PL quant-ph
Multi-qubit DC gates over an inhomogeneous array of quantum dots
Beijing Academy of Quantum Information Sciences(北京量子信息科学研究院)
本研究提出在非均匀量子点阵列上通过直流演化实现多量子比特门,发展了基于微扰处理的门分解与误差优化形式体系,展示了其在量子纠错和算法中的加速潜力。
2025-11-05 cond-mat.mes-hall quant-ph
New techniques for fault-tolerant decomposition of Multi-Controlled Toffoli gate
可扩展量子体系结构的物理实现面临着脆弱量子态形式的巨大挑战。为了克服它,需要具有容错的量子体系结构。目前,这是通过使用表面代码以及横向门组来实现的。这就要求用一个横向门集来分解通用多控制Toffoli~(MCT)门。此外,横向非Clifford相位门的延迟很大,这使得它成为分解时需要考虑的一个重要因素。此外,没有辅助电路的大型多控制Toffoli~(MCT)门的分解也是一个额外的障碍。本文通过介绍Clifford+ $Z_N$门函数库来解决这两个问题。我们提出了一个无辅助的MCT门分解与线性相位深度和二次相位计数。此外,我们提供了一种技术,用于分解的MCT门在单位相位深度使用Clifford+ $Z_N$库,虽然在辅助线和二次相位计数的成本。
2019-04-28 cs.ET quant-ph