The ZX-Calculus is Canonical in the Heisenberg Picture for Stabilizer Quantum Mechanics
在2008年,Coecke和Duncan提出了图形化的ZX演算重写系统,该系统将量子线路,测量和量子态的推理形式化。ZX演算对于量子位量子力学是合理的。因此,在ZX-等价变换下的图的等式提升为矩阵上的相应方程的等式。相反,在2014年,Backens证明了完备性,建立了任何在稳定器量子力学中用矩阵进行的推导都可以用ZX演算图形化地推导出来。一个既汇合又唯一终止的图形重写系统被称为规范的:将重写的交替序列应用于同一个初始图,只要所有结果图都可以被操作以建立图形等价,重写系统就是汇合的。在这里,我们表明,减少ZX重写系统已经融合在稳定剂量子力学的海森堡图片。此外,ZX重写的子集的任何应用都唯一地终止,并且与稳定子量子力学的海森堡图像中的项重写的顺序无关。因此,ZX系统是稳定器量子力学的海森堡正则系统。对于具有$l$单量子位门和$g$双量子位门的$n$ -量子位上的稳定器电路,可以使用不超过$(\frac{1}{2}\cdot g+l)\cdot n$图形重写在海森堡图中以图形方式导出电路输出,从而提供Gottesman-Knill定理的图形证明。最后,我们建立了由Clifford电路描述的每个稳定器状态产生一个非负的父哈密顿量与$n+1$条款和一个一维的内核所跨越的相应的稳定器状态。这样的父哈密尔顿算子可以用$\mathcal{O}(t\cdot n)$图形重写来导出,用于由$t$门C…
2023-01-13 quant-ph
ZH: A Complete Graphical Calculus for Quantum Computations Involving Classical Non-linearity
我们提出了一个新的图形演算,是健全的和完整的通用家庭的量子线路,它可以被看作是自然的弦图形扩展的近似(实值)的通用家庭的Hadamard+CCZ电路。图形语言是由两种节点生成的:与计算基础相关的所谓“蜘蛛”,以及满足蜘蛛融合定律的一种变化的阿达玛门的新arity-N广义。与以前的图形演算不同,这允许非线性经典函数的紧凑编码。例如,与门可以被描述为只有2个生成器的图,而在ZX演算中是25个。因此,N-控制门,超图状态,Hadamard+Toffoli电路,以及Clifford层次结构中任意级别的对角电路也可以享受低常数开销的编码。这表明,这种演算对于推理经典非线性行为(例如在预言中)和纯量子操作之间的相互作用将更加方便。在介绍了微积分之后,我们将通过演示将任何图简化为易于描述的范式来证明它对于通用量子计算是合理和完备的。
2019-01-29 quant-ph
From Block Diagrams to Bloch Spheres: Graphical Quantum Circuit Simulation in LabVIEW
Gebze Technical University(盖布泽理工大学)
QuVI在LabVIEW中实现图形量子电路模拟,通过数据流范式提供直观的可视化工具,支持量子算法的原型设计与验证。
2026-02-03 physics.comp-ph physics.ed-ph quant-ph
Simulation of low-depth quantum circuits as complex undirected graphical models
具有高数量(约50)和高质量(两个量子比特门的保真度约为0.995)的量子计算机将近似地从某些概率分布中采样,超出了最先进计算机上已知经典算法的能力,实现了所谓的量子霸权的第一个里程碑。这刺激了最近的进展,在经典算法来模拟量子线路。使用交叉熵基准测试来近似多量子比特量子计算机的保真度也需要经典模拟。在这里,我们提出了一个经典的模拟算法的数值结果采样通用随机电路,在一个工作站上,更多的量子位和深度比以前报道的。例如,具有深度为37的$5 \times 9$量子位、深度为27的$7 \times 8$量子位和深度为19的($10 \times (κ> 10)$)量子位的电路都易于采样。我们还展示了什么样的深度采样,或估计的可观的,是平凡的并行。该算法与模拟量子线路的“费曼路径”方法有关。对于低深度电路,该算法在深度乘以较小的横向尺寸或树宽上呈指数级缩放,如Boixo et.例如,从而证实了那篇论文中的界限。特别是,具有$7 \times 7$量子位和深度40的电路目前仍然遥不可及。超级计算机环境上的后续工作将收紧这一界限。
2018-01-19 quant-ph
The ZX&-calculus: A complete graphical calculus for classical circuits using spiders
我们给出了由Z和X蜘蛛(对应于复制和加法)生成的ZX演算的片段ZX&以及“非”门和“与”门的完整介绍。为了证明完整性,我们自由地添加一个单位和计数器到由Toffoli门和辅助位生成的TOF类别中,表明这产生了有限序数和函数的完整子类别,对象幂为2;然后在此类别和ZX之间进行双向翻译。转换到TOF的某些扩展,而不是ZX演算的某些片段,是一个自然的选择,因为Toffoli门的乘法性质。为此,我们表明,自由添加计数到半Frobenius代数的离散逆范畴是相同的笛卡尔完成。特别地,对于一个离散逆范畴,经典通道范畴、笛卡尔完备化和加可数都产生同一个范畴。因此,将这些构造应用于TOF产生了有限序数的全子范畴和对象幂为2的部分映射。通过将自由单位完备化和自由单位完备化粘合在一起,这就产生了“量子比特多重关系”。"
2021-09-06 cs.LO math.CT quant-ph
Graphical Fourier Theory and the Cost of Quantum Addition
ZX-演算是一种方便的表示和推理低层次量子线路的形式主义,而最近提出的ZH-演算给出了Toffoli和CCZ等中等层次量子门的方便表达式.在本文中,我们将表明,这两个演算是由傅立叶变换。特别地,我们将使用ZH演算导出新的傅立叶展开规则,并表明我们可以使用它们直接在ZH图和ZX图之间传递。此外,我们证明了图形傅立叶展开的ZH规范形式对应于标准的傅立叶变换的半布尔函数。作为这种技术的计算能力的一个例子,我们展示了几个技巧,用于降低Toffoli电路的T门成本,其中包括例如量子加法器,可以使用图形傅立叶理论推导出来,并直接推广到更多的量子位。
2019-04-16 quant-ph
Extended quantum circuit diagrams
本文提出基于指数映射的扩展量子电路图表示方法,给出可靠的重写规则,并通过多种示例计算展示其图形化计算能力。
2024-10-03 quant-ph
Complete set of circuit equations for Stabilizer Quantum Mechanics
我们找到了量子线路之间的一组充分的方程,从这组方程我们可以导出稳定器量子线路之间的任何其它方程。为了建立这个结果,我们依赖于现有的工作的图形ZX语言的量子过程的完整性。电路方程的复杂性,与对数量少得多的ZX方程的非常直观的阅读相反,主张用后者来执行量子线路的计算。
2014-04-16 quant-ph
PBS-Calculus: A Graphical Language for Coherent Control of Quantum Computations
我们引入PBS演算来表示和推理涉及量子操作的相干控制的量子计算。相干控制,特别是不确定的因果顺序,是已知的,使多个计算和通信的优势,超过经典有序的模型,如量子线路。PBS演算的灵感来自量子光学,特别是偏振分束器(简称PBS)。我们形式化的语法和语义的PBS图,我们配备的语言与方程理论,这被证明是健全的和完整的:两个图表示相同的量子演化当且仅当一个可以转化为其他使用规则的PBS演算。此外,我们证明了方程理论是最小的。最后,我们考虑的应用程序,如控制置换和循环展开的实现。
2020-08-31 cs.LO quant-ph
Waveguide single-photon detectors for integrated quantum photonic circuits
编码在单光子上的量子比特(qubit)的产生、操纵和检测是量子通信和光学量子信息处理的核心。单光子源、无源光学电路和单光子探测器的组合使得量子中继器和量子比特放大器成为可能,并且还形成了全光量子门和线性光学量子计算的基础。然而,将源、波导和检测器单片集成在同一芯片上,需要缩放到有意义的量子位数,这是非常具有挑战性的,之前关于量子光子电路的工作已经使用了外部源和检测器。本文提出了一种在半导体芯片上实现全集成量子光子电路的方法,并演示了这种电路的关键部件--波导单光子探测器。我们的探测器基于GaAs脊波导上的超导纳米线,在电信波长下提供高效率(20%),高定时精度(60 ps),响应时间在ns范围内,并且完全兼容单光子源,无源网络和调制器的集成。
2011-08-25 quant-ph
Graphical Language with Delayed Trace: Picturing Quantum Computing with Finite Memory
图形语言,如量子线路或ZX演算,已经成功地设计用于表示作用于有限数量量子位的(无记忆)量子计算。与此同时,延迟跟踪已被用作一种图形化的方式来表示流上的有限内存计算,在经典的设置中(carpet数据类型)。我们合并这两种方法,并描述了一个一般的建设,扩展任何图形语言,配备了丢弃的概念,有限内存计算的图形语言。为了处理像ZX演算的情况下,这是完整的后选择的量子力学,我们扩展了延迟跟踪形式主义超越因果关系的情况下,完善的因果关系流Transformers的概念。我们设计了一个基于状态态射序列的流语义,并在一定的假设下,证明了它的普适性和完备性。最后,我们调查的链接,我们的框架与以前的工作carbohydrate数据类型,信号流图,和量子信道与内存。
2021-04-28 quant-ph
Graphical quantum Clifford-encoder compilers from the ZX calculus
本文提出一种基于ZX演算的量子编译算法,将Clifford编码器映射为唯一规范图形表示,并证明其规范性与高效可归约性,为通过图论分析设计新型稳定子量子码提供新途径。
2025-02-08 quant-ph
Clifford Manipulations of Stabilizer States: A graphical rule book for Clifford unitaries and measurements on cluster states, and application to photonic quantum computing
NSF-ERC Center for Quantum Networks, Wyant College of Optical Sciences, The University of Arizona(亚利桑那大学怀特光学科学学院量子网络 NSF-ERC 中心)
本文提出了一种基于克莱因群框架的图示规则手册,用于高效操作集群态,并展示了其在光子量子计算中的应用。
2023-12-04 quant-ph
A Graphical Calculus for Lagrangian Relations
辛向量空间是线性力学系统的相空间。例如,辛形式描述了位置和动量以及电流和电压之间的关系。辛向量空间之间的线性拉格朗日关系的范畴是一个对称的monoidal子范畴的关系,它给出了一个语义的演变-更一般的线性约束的演变-各种物理系统。我们给出了一个新的介绍类的拉格朗日关系在一个任意字段作为一个“双”类的线性关系。更确切地说,我们表明,它产生的塞林格的CPM建设适用于线性关系,协变正交补函子起共轭的作用的变化。此外,对于素域上的线性关系,这正好对应于适当选择匕首的CPM构造。我们还可以通过一个仿射移位算子来扩展这个构造,从而得到一类仿射拉格朗日关系。利用这种新的表述,我们证明了在奇素数维中仿射拉格朗日关系的性质与量子稳定子理论的性质是等价的。因此,我们得到了一个统一的图形语言的几个不同的过程理论,包括电路,Spekkens的玩具理论,和奇素数维稳定量子电路。
2022-11-03 cs.LO math-ph math.CT
Completeness for arbitrary finite dimensions of ZXW-calculus, a unifying calculus
本文将融合ZX与ZW的ZXW图形演算从量子比特推广到任意有限维qudit,并证明其在任意有限维下均为完备的图形重写系统。
2023-04-27 quant-ph
VyZX : A Vision for Verifying the ZX Calculus
优化量子线路是量子计算的关键挑战。PyZX编译器通过ZX演算优化电路开辟了新的天地,ZX演算是量子线路模型的一种强大的图形替代方案。然而,它并不能保证其正确性。为了解决这个问题,我们开发了VyZX,这是Coq证明助手中经过验证的ZX演算。VyZX提供了两种不同的ZX图表示,以便于编程和证明:基于图的表示用于在图上编写高级函数,基于块的表示用于证明ZX图的等价性。通过这两种不同的视图,VyZX提供了验证ZX图的属性和转换所需的工具。本文探讨了VyZX及其应用程序的基础证明和设计选择,以及验证图形化编程语言的挑战。
2022-05-18 cs.PL quant-ph
QuCAT: Quantum Circuit Analyzer Tool in Python
由约瑟夫森结和超导电子学构造的量子线路是许多量子计算和量子光学应用的关键。设计这些电路涉及计算描述其量子行为的哈密顿量。在这里,我们提出了QuCAT,或“量子线路分析工具”,一个开源框架,以帮助在这一任务。这个开源Python库具有直观的图形或编程界面来创建电路,计算其哈密顿量的能力,以及一组补充功能,例如计算耗散率或可视化电路中的电流。
2020-02-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Entanglement and Quaternions: The graphical calculus ZQ
图形演算是表示和推理量子线路和过程的重要工具。有些不仅图形直观,而且逻辑完整。其中最著名的是ZX演算,它是中间表示的行业候选者;一种位于算法设计者的意图和量子硬件的门指令之间的语言。ZX演算,建立在广义Z和X旋转,有困难的推理任意旋转。这与跨硬件编译器TriQ形成对比,TriQ使用这些任意旋转来利用硬件效率。在本文中,我们介绍了图形演算ZQ,它使用四元数来表示这些任意旋转,类似于TriQ,和无相位Z蜘蛛来表示纠缠,类似于ZX。我们证明了这种演算对于量子位量子计算是合理和完整的,同时也表明完全基于蜘蛛的表示是不可能的。这种新的演算扩展了量子比特图形演算的动物园,每个都有不同的优势,我们希望它能为ZX和TriQ的优化程序提供一种通用语言。
2020-03-22 quant-ph
Characterizing error propagation in quantum circuits: the Isotropic Index
本文提出了一种新的指标,以表征错误传播的量子线路中分离的两个组成部分:各向同性的组件,量化的信息缺乏,和不对齐的组件,这代表了当前状态和原始的纯量子态之间的移动的混合错误状态。各向同性三角形,一个图形表示,自然适合所提出的指数,也介绍了。最后给出了一些例子,分析了著名量子算法的退化。
2016-10-17 quant-ph
Designing fault-tolerant circuits using detector error models
本文提出用探测器错误模型形式体系在电路层面刻画容错性,并将其应用于综合征提取电路、测量调度和容错程序三个设计层次,提升了 surface code 抗测量错误能力、缩短了 color codes 测量调度并优化了逻辑算子测量方法。
2025-10-25 quant-ph
NbTiN superconducting nanowire detectors for visible and telecom wavelengths single photon counting on Si3N4 photonic circuits
我们展示了铌钛氮化物超导纳米线图案化学计量氮化硅波导检测可见光和红外光子。在硅衬底上的绝缘体上使用氮化硅使我们能够同时实现可见光和红外线的光子电路,并将它们与纳米线检测器直接集成在芯片上。通过在该材料平台中实现行波检测器几何形状,我们实现了两种波长范围的高效单光子检测。我们的探测器是集成量子光学器件的理想选择,因为它们在宽带透明波导材料上提供了至关重要的功能。
2013-02-04 physics.optics quant-ph
Superconducting single photon detectors integrated with diamond nanophotonic circuits
光子量子技术有望在非经典应用中重复集成纳米光子电路的成功。使用线性光学元件,量子光学计算可以用集成光学电路来执行,从而允许克服在可扩展性方面的现有限制。除了实现光子量子门的无源光学器件外,单光子源和单光子探测器等有源器件是未来光量子线路的重要组成部分。允许所有组件单片集成的材料系统特别有吸引力,包括III-V族半导体、硅和金刚石。在这里,我们展示了纳米光子集成电路,由高品质的多晶金刚石薄膜与片上单光子探测器相结合。使用超导纳米线耦合渐逝行波,我们实现了高达66%的高检测效率与低暗计数率和190 ps的定时分辨率相结合。我们的设备是完全可扩展的,并有望成为功能性金刚石光子量子设备。
2015-05-16 physics.optics quant-ph
Operating quantum waveguide circuits with superconducting single-photon detectors
先进的量子信息科学和技术(QIST)应用对光学元件提出了严格的要求。量子波导电路提供了一种在芯片上实现可扩展QIST的途径。超导单光子探测器(SSPD)提供红外单光子灵敏度,结合低暗计数和皮秒定时分辨率。在这项研究中,我们将这两种技术结合在一起。在\lamda = 804 nm的硅基波导定向耦合器中,使用SSPD,我们观察到92.3 \pm 1.0%的双光子干涉可见度,高于用硅探测器测量的可见度(89.9 \pm 0.3%)。我们进一步用SSPD操作受控非门和量子精密测量电路。这些演示为电信波长量子波导电路提供了一条清晰的道路。
2010-03-24 cond-mat.supr-con physics.optics quant-ph
XYZ ruby code: Making a case for a three-colored graphical calculus for quantum error correction in spacetime
提出基于张量网络的图形形式体系以分析任意Clifford电路的纠错能力,并引入XYZ ruby code这一新Floquet码,其电路级噪声阈值达0.18%,展现了低开销逻辑门的应用潜力。
2025-04-29 cond-mat.str-el math-ph math.MP
Simple heuristics for efficient parallel tensor contraction and quantum circuit simulation
张量网络是各种计算科学的主要构建模块,从多体理论和量子计算到概率和机器学习。在这里,我们提出了一个并行算法的张量网络使用概率图模型的收缩。我们的方法是基于图论中的$μ$ -树宽删除问题的启发式解决方案。我们将所得算法应用于随机量子线路的模拟,并讨论了一般张量网络收缩的扩展。
2020-05-01 cs.DM quant-ph
Problem-informed Graphical Quantum Generative Learning
Eötvös Loránd University(罗兰大学);HUN-REN Wigner Research Centre for Physics(匈牙利科学院维格纳物理研究所);Ericsson Research(爱立信研究);Algorithmiq Ltd(Algorithmiq有限公司);Department of Physics, University of Helsinki(赫尔辛基大学物理系)
本文提出一种问题感知的量子电路Born机拟设,利用马尔可夫网络表示随机变量间的独立关系,以在生成式量子机器学习中引入归纳偏置,实验表明其优于问题无关电路,并探讨了量子优势潜力。
2026-09-28 quant-ph
Waveguide photon-number-resolving detectors for quantum photonic integrated circuits
量子光子集成电路是利用光子进行可扩展量子处理的一种很有前途的方法。基于超导纳米线的波导单光子探测器(WSPD)最近已被证明与单光子源兼容,用于单片集成。虽然标准WSPD提供单光子灵敏度,但更复杂的超导纳米线结构可以配置为具有光子数分辨能力。在这项工作中,我们提出了波导光子数分辨探测器(WPNRD)的GaAs/Al 0.75 Ga 0.25 As脊波导的基础上的串联的纳米线。0-4个光子的检测已经用具有单个电读出的四线WPNRD证明。在1310 nm处,TE偏振的器件量子效率约为24%.
2013-08-21 physics.optics quant-ph
Graph-theoretic Simplification of Quantum Circuits with the ZX-calculus
我们提出了一个全新的方法来优化量子线路,基于ZX演算。我们首先将量子线路解释为ZX图,它提供了一种灵活的、较低层次的语言来图形化地描述量子计算。然后,利用ZX-演算的规则,给出了基于局部互补和旋转两种图变换的ZX-图的简化策略,并证明了简化后的ZX-图可以变换回一个量子线路.虽然很少有人知道从任意ZX-图提取电路,我们表明,我们的简化ZX-图的基本图形总是有一个图论属性称为广义流,这反过来又产生一个确定性的电路提取过程。对于Clifford电路,这种提取过程产生了一个新的正规形式,这是渐近最优的大小,并给出了一个新的,较小的上限门深度最近邻架构。对于Clifford+T和更一般的电路,我们的技术使我们能够“看到周围”的门,阻碍Clifford结构,并产生比天真的“切割和重新合成”的方法更小的电路。
2020-05-26 cs.LO math.CO quant-ph
SOQCS: A Stochastic Optical Quantum Circuit Simulator
本文提出随机光学量子电路模拟器SOQCS,一个模块化的C++/Python库,用于在光子部分可区分、损耗、非理想器件等不完美条件下定义、模拟和分析量子线性光学电路。
2024-01-16 quant-ph
Microwave Photon Detector in Circuit QED
量子光学光电探测在理解辐射-物质相互作用中占据了核心地位。它还促进了原子物理学和量子光学的发展,包括计量学,光谱学和量子信息处理的应用。量子微波机制,最初探索使用腔和原子,是看到一个新的推动与电路量子电动力学(QED)的非经典传播场的产生。这一前景广阔的领域涉及利用微波光子的量子信息的潜在发展,但由于缺乏光电探测器而受到影响。在这里,我们设计了一个超材料组成的离散超导元件,实现了高效率的微波光子探测器。我们的设计包括一个微波波导耦合到一个亚稳态量子线路阵列,其内部状态是不可逆的改变,由于光子的吸收。该方案可广泛应用于不同的物理系统,并可推广到微波光子计数器的实现。
2009-04-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Simulating the Sycamore quantum supremacy circuits
提出了一种模拟量子线路的通用张量网络方法。该方法在计算大量相关位串幅度和概率方面比现有方法更有效。作为一个应用,我们研究了谷歌的Sycamore电路的采样问题,这些电路被认为是经典超级计算机无法企及的,并已被用来证明量子霸权。使用我们的方法,采用包含60个图形处理单元(GPU)的小型计算集群,我们已经从具有53个量子位和20个周期的Sycamore电路中生成了100万个相关位串,其中一些条目是固定的,线性交叉熵基准(XEB)保真度等于0.739,这远远高于Google的量子霸权实验。
2021-03-04 physics.comp-ph quant-ph
High Speed and High Efficiency Travelling Wave Single-Photon Detectors Embedded in Nanophotonic Circuits
超快、高量子效率的单光子探测器是现代量子光学和量子通信中最受欢迎的元件之一。高的光子探测效率对于可扩展的基于测量的量子计算、量子密钥分发和无环隙贝尔实验是必不可少的。然而,不完美的模式匹配和有限的光子吸收率通常限制了单光子探测器可达到的最大探测效率。在这里,我们展示了一个超导纳米线探测器顶部的纳米光子波导,使我们能够大大增加入射光子的吸收长度。当操作的检测器接近的临界电流,我们实现了高的芯片上的单光子检测效率高达91%,在电信波长,与波导光子通量的变化所决定的不确定性。我们还观察到非常低的暗计数率,而没有显着的妥协的检测效率。此外,我们的探测器完全嵌入在可扩展的硅光子电路中,并提供18ps的超短时间抖动。利用这种高的时间分辨率,我们证明了硅环形谐振器中的弹道光子输运。在芯片上直接实现这种具有高量子效率、高检测速度和低抖动时间的检测器克服了集成量子光子学中的主要障碍。
2012-04-04 physics.optics quant-ph
Schemes for the observation of photon correlation functions in circuit QED with linear detectors
关联是描述量子场的重要工具。它们可以用来描述场的统计特性,如聚束和反聚束,以及执行场状态层析成像。在这里,我们分析Bozyigit等人的实验。[arXiv:1002.3738]其中关联函数可以使用线性检测器的测量记录(即正交测量)来观察,而不是依赖于强度或数量检测器。我们还描述了如何大幅度噪声引入这些检测器可以量化和减去的数据。特别是,这使得能够在噪声足够低的条件下观察使用电路量子电动力学产生并在超导传输线中传播的微波光子场的一阶和二阶相干函数。
2010-06-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Completeness of Graphical Languages for Mixed States Quantum Mechanics
量子信息处理有几种图形语言,如量子线路、ZX-演算、ZW-演算等,每一种语言都形成一个匕首对称monoidal范畴(dagger-SMC),并对(有限维)Hilbert空间的匕首对称monoidal范畴给出一个解释函子。近年来,量子力学的范畴方法的主要成就之一是为大多数这些图形语言提供了几个方程理论,使它们完全适用于纯量子力学的各种片段。我们解决的问题,这些语言的扩展超出纯量子力学,以理由对混合状态和一般的量子操作,即完全积极的地图。直觉上,这样的扩展依赖于丢弃映射的公理化,它允许人们摆脱量子系统,这在纯量子力学中是不允许的。我们引入了一个新的构造,丢弃构造,它将任何匕首对称monoidal范畴转化为一个对称monoidal范畴配备了丢弃映射。粗略地说,这种构造包括使任何等距成为因果关系。使用这种结构,我们提供了几个图形语言,我们证明是完整的一般量子操作的扩展。然而,这种构造对于某些边缘情形是失败的,比如Clifford+T量子力学,因为这个范畴没有足够的等距。
2019-02-19 quant-ph
A Bi-CMOS electronic-photonic integrated circuit quantum light detector
本文报道一种采用250nm Bi-CMOS工艺的单片电子-光子集成零差探测器,通过抑制电容实现19.8GHz带宽和15dB散粒噪声抑制,优于宏观互连方案,展示了CMOS集成提升量子光子学性能。
2023-05-15 quant-ph
ZX-Rules for 2-qubit Clifford+T Quantum Circuits
ZX演算是量子比特计算的高级图形形式。本文给出了ZX-规则,使我们能够导出2-qubit Clifford + T量子线路之间的所有方程。我们的规则集只是稳定器ZX演算规则的一个小的扩展,并且远远小于最近实现的普遍完备性所需的规则集。我们的规则之一是新的,我们希望它也有其他的实用程序。这些ZX-规则比Selinger和Bian的Clifford + T电路方程组的完备性简单得多,这表明ZX-演算为量子线路的重写提供了一个比局限于电路方程更方便的舞台.其原因是ZX演算不受用于执行中间计算的固定酉门集合的约束。
2018-06-12 math.CT quant-ph
Graphical algorithms and threshold error rates for the 2d colour code
利用拓扑纠错的容错量子计算的最近工作显示出巨大的潜力,其中2d表面码具有接近1%的阈值错误率(NJoP 9:199,2007),(arXiv:0905.0531)。然而,二维表面码需要使用复杂的状态蒸馏过程来实现通用量子计算。(PRL 97:180501,2006)的颜色代码是部分解决该问题的相关方案,提供了横向执行所有Clifford群门的手段。我们回顾了色码及其纠错方法,讨论了一种基于图匹配的近似技术。我们推导出一个分析下限的阈值错误率为6.25%的无错误的伴随式提取,而数值模拟表明,它可能高达13.3%。包含故障综合征提取电路将阈值降低到约0.1%。
2009-07-10 quant-ph
Towards an experimental implementation of entanglement harvesting in superconducting circuits: effect of detector gap variation on entanglement harvesting
University of Waterloo(滑铁卢大学);Perimeter Institute for Theoretical Physics(珀蒂默理论物理研究所);ETH Zurich(苏黎世联邦理工学院)
提出变能隙粒子探测器模型,研究超导电路中类空分离与因果联系场景下的纠缠收割,发现因果接触探测器仍能通过场关联产生纠缠,为实验实现铺平道路。
2026-09-30 gr-qc hep-th quant-ph
A novel active quenching circuit for single photon detection with Geiger mode avalanche photodiodes
在本文中,我们提出了一种新的结构的主动猝灭电路用于单光子探测。为了评估的目的,我们已经结合了标准的雪崩光电二极管C30902 S的电路,形成一个单光子探测器。一系列测量结果表明,该单光子探测器的死时间小于40 ns,最大随机计数频率大于14 MHz,后脉冲低,探测效率大于20%,噪声性能良好。这种简单而坚固的有源猝灭电路可以由现成的电子元件构建,不需要复杂的调整。
2008-05-18 quant-ph
ZX Graphical Calculus for Continuous-Variable Quantum Processes
本文提出一种受ZX演算启发的连续变量量子过程图形计算模型,将任意过程表示为有向图,用于直观证明过程等价性并应用于量子计算与电路优化。
2024-05-16 quant-ph
Perfect Microwave Photodetection in Circuit QED
在这项工作中,我们提出了一个微波光子探测器,成功地达到100%的效率,只有一个吸收。我们的设计包括一个亚稳态的量子线路耦合到一个半无限的传输线,执行高效的光电探测在一个简化的方式相比,以前的建议。我们广泛地研究了现实的波包对这个设备的散射特性,从而计算检测器的效率。我们发现,该探测器有许多工作模式,可以检测失谐光子,是强大的设计缺陷,并可以通过使用一个以上的吸收元件的设计宽带。
2010-12-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Composing Detector Error Models
NVIDIA Corporation(英伟达公司)
本文提出扩展探测器误差模型(EDEMs),支持序列与并行组合,实现容错量子程序中探测器在电路边界间的拆分与误差模型恢复,连接逻辑操作设计与量子程序解码。
2026-09-14 quant-ph
Quantum interference in heterogeneous superconducting-photonic circuits on a silicon chip
量子信息处理为有效地通信和计算数据提供了巨大的希望。然而,将当前的光子实现方法扩展到更大的系统尺寸仍然是实现破坏性量子技术的一个突出挑战。量子信息处理器的两个主要组成部分是量子干涉和单光子探测器。在这里,我们开发了一个混合超导光子电路系统,以显示这些元素可以在硅芯片上以可扩展的方式组合。我们证明了这种方法的适用性集成量子光学干涉和检测光子对直接在芯片上波导耦合单光子探测器。使用氮化硅纳米光子波导实现的定向耦合器,我们观察到97%的干涉可见度时,测量光子统计与两个单片集成的超导单光子探测器。光子电路和探测器的制造工艺与标准的半导体薄膜技术兼容,使得在硅芯片上实现更复杂和更大规模的量子光子电路成为可能。
2015-11-22 cond-mat.supr-con physics.optics quant-ph
Mechanically Generating Entangled Photons from the Vacuum: A Microwave Circuit-Acoustic Resonator Analogue of the Unruh Effect
我们考虑一个振荡的,相对论性加速的光探测器内的空腔模型,并表明纠缠光子对生产的真空(Unruh效应)可以准确地描述在稳态的非简并参量放大器(NDPA),与检测器的加速质心作为参数驱动器(泵)。我们提出了一种类似于Unruh效应的NDPA微波超导电路方案,其中腔与探测器之间的耦合电容的呼吸模式提供机械泵。对于可实现的电路参数,从真空产生的光子应该是可检测的。
2018-11-25 quant-ph
Qymera: Simulating Quantum Circuits using RDBMS
本文提出 Qymera 系统,将量子电路转换为 SQL 查询以利用 RDBMS 原生执行模拟,并通过图形界面、代码接口和基准测试框架支持开发、比较与教学。
2025-06-10 cs.DB cs.ET quant-ph
Compact InGaAs/InP single-photon detector module with ultra-narrowband interference circuits
本文研制了一款尺寸仅为8.8cm*6cm*2cm的紧凑型InGaAs/InP单光子探测器模块,采用超窄带干涉电路消除门控信号电容响应,在1.25GHz时钟下实现了30%探测效率、2.4%后脉冲概率和8E-7暗计数概率,性能媲美分立模块。
2024-01-05 physics.ins-det quant-ph
Hybrid quantum-classical circuit simplification with the ZX-calculus
我们提出了一个完整的优化过程的混合量子经典电路与经典奇偶逻辑。虽然用于量子算法的常见优化技术集中于仅重写纯量子段,但是对于诸如量子纠错和量子断言之类的应用,有兴趣应用全局优化过程。本工作基于Duncan等人的纯量子线路优化方法,使用一个正式的图形ZX演算称为ZX-地面的扩展作为中间表示的混合电路,允许粒度优化低于量子门的水平。我们定义了一个翻译从混合电路到图表,承认图形理论的重点gFlow属性,需要最后提取回电路。然后,我们推导出一些gFlow保持优化规则的ZX-接地图,减少图形的大小,并设计一种策略,通过重写高斯消除过程指导下的图,以找到优化的机会。然后,提取电路后,我们提出了一个通用的程序检测段的电路一样的ZX-接地图,可以实现与经典的门在提取的电路。我们已经实现了我们的优化过程作为开源Python库PyZX的扩展。
2021-09-13 quant-ph
A high-performance integrated single-photon detector for telecom wavelengths
我们已经集成了一个商业雪崩光电二极管(APD)和所需的电路操作它作为一个单光子探测器(SPD)到一个单一的PC板。在Peltier冷却器可达到的温度(~200- 240 K)下,PCB-SPD在1308和1545 nm处实现了高检测效率(DE),具有低暗计数概率(例如,在DE= 20%,220 K时~10-6/偏置脉冲),使其可用于量子密钥分发(QKD)。该板产生快速偏置脉冲,消除噪声瞬变,放大信号,并将其发送到板载ADC。数字消隐电路抑制后脉冲。
2003-11-17 quant-ph
Travelling-wave single-photon detectors integrated with diamond photonic circuits - operation at visible and telecom wavelengths with a timing jitter down to 23 ps
我们报道了集成多晶金刚石光子电路的行波超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的设计、制备和测量。我们分析了它们在1600 nm和765 nm附近的近红外波长范围内的性能。近红外探测对于与电信基础设施的兼容性是重要的,而在可见光波长范围内的操作对于与金刚石中的硅空位中心的发射线的兼容性是相关的,金刚石中的硅空位中心可以用作有效的单光子源。我们的探测器具有高临界电流(高达31 μA)和高效率(在765 nm时高达74%)、噪声等效功率(在765 nm时低至4.4*10^-19 W/(Hz^1/2))和定时抖动(低至23 ps)方面的高性能。
2016-03-07 cond-mat.supr-con physics.ins-det physics.optics
Reconfigurable quantum photonics with on-chip detectors
KTH Royal Institute of Technology(皇家理工学院)
本文提出一种可重构量子光子学平台,实现高消光比光路由、高动态范围单光子探测及光学激发稳定,突破热敏感超导单光子探测器与热可重构光子学的集成难题。
2020-07-13 physics.app-ph quant-ph
High detection efficiency silicon single-photon detector with a monolithic integrated circuit of active quenching and active reset
硅单光子探测器(SPD)是用于探测可见光波长范围内的单光子的关键器件。光子探测效率(PDE)是硅SPD最重要的参数之一,并且在许多应用中高度要求提高PDE。本文提出了一种用有源猝熄和有源复位单片集成电路(AQAR)提高硅SPD偏微分方程的实用方法。AQAR集成电路是针对高击穿电压(250-450 V)的厚硅单光子雪崩二极管(SPAD)设计的,采用高压0.35- $μ$ m双极CMOS-DMOS工艺制作而成。AQAR集成电路实现了~ 68 V的最大过渡电压,30 ns的猝灭时间和10 ns的复位时间,这可以很容易地通过将过量偏置调节到足够高的水平来将PDE提升到上限。利用AQAR集成电路,我们设计并表征了两个单光子探测器,其SPAD是从商业产品的单光子计数模块(SPCM)上拆卸下来的。与原始SPCM相比,在785 nm处,PDE值分别从68.3%增加到73.7%和69.5%增加到75.1%,暗计数率和后脉冲概率适度增加。我们的方法可以有效地提高性能的实际应用需要硅SPD。
2020-11-19 physics.app-ph physics.ins-det quant-ph
Circuit-centric quantum classifiers
当前一代的量子计算技术要求量子算法需要有限数量的量子比特和量子门,并且对错误具有鲁棒性。一种合适的设计方法是变分电路,其中门的参数是学习的,这种方法在机器学习中的应用特别富有成效。在本文中,我们提出了一个低深度的变分量子算法的监督学习。输入特征向量被编码为量子系统的振幅,并且参数化单量子位和双量子位门的量子线路以及单量子位测量用于对输入进行分类。该电路架构确保可学习参数的数量在输入维度上是多对数的。我们提出了一个量子经典训练方案,其中模型的分析梯度可以通过运行几个稍微适应版本的变分电路来估计。我们通过模拟表明,以电路为中心的量子分类器在标准经典基准数据集上表现良好,同时需要比其他方法少得多的参数。我们还评估敏感性的分类状态准备和参数噪声,引入量子版本的辍学正则化和提供一个图形表示的量子门高度对称的线性层的神经网络。
2018-04-02 quant-ph
Nanosecond gating of superconducting nanowire single-photon detectors using cryogenic bias circuitry
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)具有接近单位效率、低暗计数率和短恢复时间的特点。将这些特性与SNSPD的时间控制相结合,拓宽了它们的应用,如用于更高动态范围计数的主动解锁或用于泵浦探测光谱或LiDAR的时间滤波。为此,我们展示了一个SNSPD的最小关断上升时间为2.4纳秒和总栅极长度为5.0纳秒的主动门控。我们展示了如何上升时间取决于电感的检测器结合控制电子。门窗口被证明是完全和自由的,电可调高达500 ns的重复频率为1.0 MHz,以及ungated,自由运行的操作。产生门控的控制电子设备安装在闭合循环吸附式低温恒温器的2.3 K台上,而检测器在0.8 K的冷台上操作。我们表明,检测器的效率和定时抖动不会改变门控窗口的开启时间。我们利用门控操作来演示一种方法,以增加在光子计数的动态范围的一个因素11.2,以及在模拟泵浦探测实验中的强泵浦的时间滤波。
2022-10-26 physics.ins-det quant-ph
Quantum Circuit Optimization of Arithmetic circuits using ZX Calculus
本文提出基于 ZX 演算重写规则优化容错量子乘法器电路,显著减少辅助比特与 T 门数量,为复杂量子算术电路优化提供图形化方法基础。
2023-06-04 cs.ET quant-ph