A Solovay-Kitaev theorem for quantum signal processing
本文提出量子信号处理的 Solovay-Kitaev 定理,证明参数化电路拟设在函数类中的稠密性可推出短电路近似期望函数,从而在 QSP 与门近似之间建立形式联系。
2025-05-08 quant-ph
High-Fidelity Universal Quantum Gate Compilation for Non-semisimple Ising Anyons via Genetic Algorithm-Optimized Solovay-Kitaev Decomposition
School of Physics and Optoelectronics, Xiangtan University(湘潭大学物理与光电工程学院);School of Physics and Electronic Science, Hunan Institute of Science and Technology(湖南理工学院物理与电子科学学院);Center for Quantum Science and Technology, Department of Physics, Shanghai University(上海大学物理学部量子科学与技术中心)
本研究通过遗传算法优化的Solovay-Kitaev分解,实现了非半单伊辛任何子的高保真通用量子门编译,构建了{H,T,CNOT}通用门集,显著提高了双量子比特门的保真度。
2026-10-30 quant-ph
Efficient Universal Quantum Compilation: An Inverse-free Solovay-Kitaev Algorithm
Solovay-Kitaev算法是量子计算中的一个基本结果。它给出了一个算法,有效地编译任意酉使用通用门集:任何酉可以近似由短门序列,其长度尺度只是多进制精度。因此,门集合的选择在量子计算中通常是不重要的。然而,Solovay-Kitaev算法要求门集合是逆闭的。如果没有这个条件,是否可以进行有效的算法编译,这一直是一个长期存在的问题。在这项工作中,我们提供了第一个无逆Solovay-Kitaev算法,它没有假设在一个门集内的结构超越普遍性,回答这个问题的肯定,并提供了一个有效的编译算法,在没有逆$\text{SU}(d)$和$\text{SL}(d, \mathbb{C})$。该算法的工作原理是通过证明广义泡利群的近似门实现可以自校正它们的错误。
2021-12-03 cs.DS math-ph math.MP
On an implementation of the Solovay-Kitaev algorithm
在量子计算中,我们被赋予一组有限的门,我们必须执行一个期望的操作作为它们的乘积。相应的计算问题是将任意酉逼近为$SU(d)$的拓扑生成集的乘积。已知该问题在时间$polylog(1/ε)$中是可解的,其乘积长度为$polylog(1/ε)$,其中隐式常数取决于给定的生成元。现有的算法解决了这个问题,但他们需要一个非常缓慢和空间消耗的准备阶段。此阶段在$d^2$中按时间指数运行,并需要在$d^2$中按大小指数运行的内存。在本文中,我们提出的方法,使现有的算法更容易实现。我们提出的启发式方法,使时间长度的权衡在准备步骤。我们在$d$中减少了多项式的运行时间和使用的内存,但是近似于所需操作的乘积的长度将增加(增加的因子取决于$d$)。我们还提出了一个简单的方法,可用于分解成一个单一的产品的$2<d<256$,这是一个重要的部分,现有的算法。
2006-06-08 quant-ph
Trading inverses for an irrep in the Solovay-Kitaev theorem
Solovay-Kitaev定理指出,通用量子门集可以以低开销进行交换。更具体地,可以仅使用来自任何有限通用量子门集合$\mathcal{G}$的$\mathrm{polylog}(1/ε)$门,利用误差$ε$来模拟固定数量的量子位上的任何门。该定理的一个缺点是,它要求门集合$\mathcal{G}$在反转下是闭合的。在这里,我们表明,这种限制可以交易的假设,$\mathcal{G}$包含任何有限群$G$的不可约表示。这扩展了Sardharwalla等人最近的工作。[arXiv:1602.07963],也适用于特殊线性群的门。我们的工作可以被看作是对证明无逆Solovay-Kitaev定理[arXiv:quant-ph/0505030,arXiv:0908.0512]的长期开放问题的部分进展。
2018-05-28 math-ph math.MP math.RT
Breaking the cubic barrier for the inverse-free Solovay-Kitaev algorithm
Stanford University(斯坦福大学)
本文提出两种无逆量子编译算法,将编译指数分别降至约2.138和2.988,首次超越信息论下界3,证明无逆编译存在显著效率提升空间。
2026-10-05 quant-ph
Breaking the cubic barrier in the Solovay-Kitaev algorithm
我们改进Solovay-Kitaev算法,通过两个新思想将近似任意目标门的单词长度从$O(n^{3+δ})$降至$O(n^{1.44042…+δ})$,并推广到一般连通半单实李群。
2025-10-08 cs.DS math.GR math.RT
Numerical Evaluation of ZX Calculus Optimization for Solovay Kitaev Quantum Circuit Synthesis
University of Colombo(科伦坡大学);The University of Western Australia(西澳大学);University Paris City and University of Reunion(巴黎城市大学与留尼汪大学);PEACCEL, AI for Biologics(PEACCEL生物制剂人工智能)
本研究通过数值评估发现,对Solovay-Kitaev算法合成的量子电路冗余进行ZX演算图示后处理,可减少26.6%-30.1%总门数及18.5%-22.2% T门数,且不改变近似误差,但编译成本随递归深度急剧上升。
2026-08-25 quant-ph
Energy-constrained discrimination of unitaries, quantum speed limits and a Gaussian Solovay-Kitaev theorem
我们研究了作用于可能无限维量子系统的么正通道之间的能量约束(EC)钻石范数距离,并建立了一些结果。首先,我们证明了两个酉信道之间的最佳EC鉴别不需要使用任何纠缠。扩展Acín的结果,我们还表明,有限数量的并行查询足以实现零错误歧视,即使在这个EC设置。其次,我们利用EC钻石范数研究了一类新的量子速度极限,它适用于量子动力学半群对。我们希望这些结果与量子器件内部动力学的基准测试有关。第三,我们建立了一个版本的Solovay-Kitaev定理,适用于在有限数量的模式的高斯幺正群,与测量的近似误差相对于EC钻石规范相对于光子数哈密顿。
2021-05-13 math-ph math.MP quant-ph
A physical and universal model of bosonic computations with Solovay-Kitaev theorem
Paderborn University(帕德博恩大学);PhoQS(光子量子系统中心);University of Toronto(多伦多大学);DIENS, École Normale Supérieure, PSL University, CNRS, INRIA(法国高等师范学院,巴黎文理研究大学,法国国家科学研究中心,法国国家信息与自动化研究所);Tufts University(塔夫茨大学)
针对现有玻色子计算模型能量无界导致非物理的问题,提出能量保持的BEQC模型,证明其普适性并给出Solovay-Kitaev定理,应用于GKP态、Fock态制备及量子比特酉模拟。
2026-10-01 cs.CC quant-ph
Polylog-overhead highly fault-tolerant measurement-based quantum computation: all-Gaussian implementation with Gottesman-Kitaev-Preskill code
飞行光子量子系统产生量子纠缠的可扩展性为实现大规模容错量子计算提供了可能,特别是通过基于测量的量子计算(MBQC)。然而,现有的MBQC协议在实现量子计算时不可避免地施加多项式开销成本,这是由于协议中使用的纠缠结构的几何约束,并且多项式开销潜在地抵消了量子计算中有用的多项式加速。为了实现量子计算,没有这种取消,我们构建了一个协议的光子MBQC,实现低的多对数开销,通过引入纠缠结构的低开销量子比特置换。基于该协议,我们设计了一个容错的光子MBQC协议,该协议可以通过实验上易于处理的零差检测和高斯纠缠操作,结合Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP)量子纠错码,并与$7$ -qubit码级联来实现。我们的容错协议达到了阈值$7.8$ dB的压缩水平的GKP代码,优于$8.3$ dB的最佳现有协议的容错量子计算与GKP表面码。因此,弥合MBQC的理论进展和光子实验实现MBQC之间的差距,我们的结果打开了一个新的方式实现一个大类的量子加速,包括这些多项式。
2020-06-09 quant-ph
Quantum compiling with diffusive sets of gates
给定一组量子门和目标幺正操作,量子编译的最基本任务是识别将目标幺正近似到确定精度$\varepsilon$的门序列。Solovay-Kitaev定理提供了一个优雅的解决方案,它基于围绕由连续更长的门序列组成的单位构建连续更紧的“网”。根据这一定理,构造网的过程也需要门的逆的可达性。在这项工作中,我们提出了一种方法来构建网络周围的统一没有这个要求。算法程序是适用于集门是扩散足够的,在这个意义上,中等长度的序列覆盖空间的酉矩阵以统一的方式。我们证明,门的数量足以达到一个精确的$\varepsilon$规模为$ \log (1/\varepsilon )^{\log 3 / log 2} $,而预编译时间增加相比,Solovay-Kitaev算法的指数因子3/2。
2018-07-25 quant-ph
All-Gaussian universality and fault tolerance with the Gottesman-Kitaev-Preskill code
振荡器内量子位的Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP)编码对于使用玻色子的容错量子计算特别有吸引力,因为对编码的泡利本征态的高斯运算使Clifford量子计算具有纠错。我们表明,将GKP误差校正应用于高斯输入状态,如真空,产生可解释的幻态,实现普适性而无需额外的非高斯元素。容错是可能的充分挤压和足够低的外部噪声。因此,高斯运算对于容错的、通用的量子计算是足够的,给出了GKP编码的泡利本征态的供应。
2019-02-28 quant-ph
A unified optical platform for non-Gaussian and fault-tolerant Gottesman-Kitaev-Preskill states
University of Queensland(昆士兰大学)
本文提出一种统一的光学平台,利用高斯输入和光学参量放大生成非高斯态和容错GKP态,实现高保真度的量子态制备。
2025-12-02 quant-ph
Quantum Error Correction with the Gottesman-Kitaev-Preskill Code
Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP)码是由Daniel Gottesman、Alexei Kitaev和John Preskill在2001年提出的,作为一种在振荡器中编码量子位的方法。GKP码字是周期位移压缩真空态的相干叠加。由于仅仅准备码字的挑战,GKP码在很长一段时间内被认为是不切实际的。然而,在过去的二十年里,量子硬件和控制技术的显着发展使GKP代码成为构建实用的容错玻色子量子技术的领跑者。在这个角度来看,我们提供了一个概述的GKP代码,重点是它的电路QED架构的实现,并提出我们的展望的挑战和机遇,扩大它的硬件效率,容错量子纠错。
2021-06-24 quant-ph
A State Distillation Protocol to Implement Arbitrary Single-qubit Rotations
构建可扩展的容错量子计算机所需的一个重要任务是通过容错量子操作有效地表示任意单量子比特旋转。传统上,将单量子比特幺正分解为离散的门集合的方法是Solovay-Kitaev分解,其在实践中产生深度为O(\log^c(1/ε))的序列,其中c~3.97是最先进的。已证明的下限是c=1,然而,使该界限饱和的有效算法是未知的。在本文中,我们提出了一种替代Solovay-Kitaev分解采用状态蒸馏技术,减少c到1.12和2.27之间,这取决于设置。对于给定的单量子比特旋转,我们的协议显着降低了近似序列的长度和所需的资源状态(辅助量子比特)的数量。此外,我们的协议是强大的噪声在资源状态。
2012-10-06 cs.ET quant-ph
A Note on a Quantitative Form of the Solovay-Kitaev Theorem
本文研究了Solovay-Kitaev定理的定量形式,通过定义通用门集的效率度量$K(T)$和最小约化字长$t_\varepsilon$,证明了在特定不等式条件下效率上界$K(T)\le 2-\delta$,并提出相关覆盖半径猜想。
2018-09-24 math.QA quant-ph
High-threshold fault-tolerant quantum computation with the Gottesman-Kitaev-Preskill qubit under noise in an optical setup
针对光学连续变量 FTQC,本文提出结合最大似然、Bell 测量与概率可靠测量构建 GKP 大规模团簇态的方案,并在门和损耗噪声下给出最高约12.4 dB的压缩阈值。
2023-02-07 quant-ph
Quantum $\mathcal{R}$-matrices as universal qubit gates
研究了拓扑量子计算的Chern-Simons方法。我们使用量子$\mathcal{R}$ -矩阵作为通用量子门,并研究了一些单量子比特操作的近似。我们做了一些修改,已知的Solovay-Kitaev算法适合我们的特定问题。
2020-04-16 hep-th quant-ph
Simulating chemistry efficiently on fault-tolerant quantum computers
理论上,量子计算机可以比经典计算机更快地模拟量子物理,但仍然存在一些技术障碍。在这里,我们考虑的方法,使提出的化学模拟算法计算速度快的容错量子计算机的电路模型。容错限制了可用门的选择,因此仿真算法所需的任意门必须从基本操作序列中构造。我们研究了用于构建任意门的技术,这些门的执行速度比基于传统Solovay-Kitaev算法的电路快得多[C.M.道森和MA Nielsen,\emph{Quantum Inf. Comput.},\textbf{6}:81,2006]。对于给定的近似误差$ε$,可以容错地产生任意单量子位门,并且使用时间上有限的一组门,即$O(\log ε)$或$O(\log \log ε)$;通过足够的并行准备辅助,可以使用我们称为可编程辅助旋转的方法来实现恒定的平均深度。此外,我们构建和分析的第一和第二量化的模拟算法的有效实现,使用容错任意门和其他技术,如在恒定时间内实现各种子程序。我们分析的一个具体例子是氢化锂的基态能量计算。
2012-04-03 quant-ph
Cost-Reduced All-Gaussian Universality with the Gottesman-Kitaev-Preskill Code: Resource-Theoretic Approach to Cost Analysis
Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP)量子纠错码是利用光子系统实现容错量子计算的关键技术。而[Baragiola等人,物理修订版信函123,200502(2019)]表明,实验上易于处理的高斯运算与准备GKP码字$\lvert 0\rangle$相结合足以实现通用量子计算,该实现方案涉及GKP代码的逻辑幻态$\lvert H\rangle$的蒸馏,这不可避免地在实现成本和保真度之间进行权衡。与此相反,我们提出了一个方案,直接制备$\lvert H\rangle$和结合高斯操作只有$\lvert H\rangle$,以实现没有这种魔态蒸馏的普遍性。此外,我们还发展了一种分析方法,得到了$\lvert H\rangle$和$\lvert 0\rangle$之间变换的基本极限的界,找到了量子资源理论在GKP码量子计算代价分析中的应用.我们的结果导致一个必要的减少所需的非高斯资源的光子容错量子计算相比,以前的计划。
2020-11-07 quant-ph
Correcting biased noise using Gottesman-Kitaev-Preskill repetition code with noisy ancilla
本文研究了使用带噪声辅助GKP量子比特的GKP重复码纠正偏置噪声的性能,发现辅助比特噪声方差存在临界值使逻辑错误率随码尺寸增加而降低,并指出级联前需先执行一轮GKP纠错。
2023-08-03 quant-ph
Improved readout of qubit-coupled Gottesman-Kitaev-Preskill states
谐振子中量子比特的Gottesman-Kitaev-Preskill编码是实现容错量子计算的一个有前途的基础。最近,这种编码首次在实验上证明了在捕获离子和超导电路系统。然而,这些系统缺乏一些高斯运算,这些运算对于有效地操纵编码的量子比特至关重要。特别地,零差检测(其是用于读出编码量子位的优选方法)不容易获得,严重限制了读出保真度。在这里,我们提出了一种替代的读出策略设计的量子位耦合系统。我们的方法可以提高读出保真度与几个数量级的系统,令人惊讶的是,甚至超过了零差检测的保真度在低压缩制度。
2020-08-24 quant-ph
A Compact One-Way Fault-Tolerant Optical Quantum Computation
针对三维簇态制备难题,本文提出利用光学参量振荡器空间光谱模式构建大规模规范立方簇态,并结合 GKP 态降低容错压缩阈值,实现紧凑的单向容错光学量子计算。
2025-03-18 quant-ph
Universal Refocusing of Systematic Quantum Noise
在核磁共振和量子信息处理中,利用自旋回波和动力学退耦的方法,通过施加短脉冲,可以实现量子系统的重聚焦。然而,这些方法受到脉冲之间的系统演化适当小的要求的强烈限制。在这里,我们展示了如何重新聚焦可以实现任意(但与时间无关)脉冲之间的系统的演变。我们首先用单量子比特系统说明这个过程,然后推广到$d$维量子系统。我们也给出了应用这个结果的量子计算,证明了一个新版本的Solovay-Kitaev定理,不需要逆门。
2016-02-25 quant-ph
Anyonic quantum multipartite maskers in the Kitaev model
针对量子信息多方掩码问题,本文利用拉丁方构造Kitaev模型中的Abel与Ising任意子掩码器,刻画可掩码空间,并通过任意子环绕、编织及隐形传态实现量子信息掩码。
2024-04-03 quant-ph
Fault-tolerant quantum computing with color codes
我们提出并分析了使用色码的容错量子计算协议。我们提出了电路级的计划,用于提取这些代码的错误综合征容错。我们进一步提出了一个整数程序为基础的解码算法,用于确定最有可能的错误给定的综合征。我们模拟了我们的伴随式提取和解码算法对三个物理动机的噪声模型,使用蒙特卡罗方法,并使用模拟来估计相应的容错量子纠错的精度阈值。我们还使用了自避免行走分析来降低其中两个噪声模型的准确性阈值。我们提出并分析了两种架构的容错计算与这些代码:一个与二维阵列的量子位堆叠在一起,一个在一个单一的二维基板。我们的分析表明,颜色代码执行稍好于Kitaev的表面码时,电路细节被忽略。当考虑这些细节时,我们估计色码达到0.082(3)%的阈值,这高于受限于二维最近邻门的级联编码方案所达到的$1.3 \times 10^{-5}$的阈值,但低于受到相同限制的Kitaev码所报告的0.75%至1.1%的阈值。最后,由于我们考虑的两个噪声模型的解码器性能的行为映射到2D中的三体随机键伊辛模型和3D中相应的随机格元规范模型中的有序-无序相变,因此我们的结果也否定了这些模型的西森猜想:与4.8.8色码相关联的物理力学经典自旋系统在正温度下比在零温度下更有序。
2011-08-29 quant-ph
Fault-Tolerant Renormalization Group Decoder for Abelian Topological Codes
我们提出了一个三维推广的重整化群解码算法的拓扑码与阿贝尔任意子激发,我们以前介绍了二维。这种3D实现方式通过结合校正子测量的失败概率来扩展我们先前的2D算法,即,它允许容错解码。我们报告了一个容错存储阈值为1.9(4)%的Kitaev的复曲面代码受到3D位翻转通道(即,包括不完美的综合征测量)。将该数字与通过完美匹配获得的2.9%值进行比较。3D泛化继承了2D算法的许多特性,包括在存储器的空间-时间体积中的线性复杂度,其可以被并行化为对数时间。
2013-04-22 quant-ph
Quantifying Qubit Magic Resource with Gottesman-Kitaev-Preskill Encoding
量子资源理论是表征和量化相关量子现象并识别优化其用于不同任务的过程的强大框架。在这里,我们为magic定义了一个资源度量,magic是大多数容错量子计算机中广受欢迎的属性。与以前的文献相比,我们的配方是基于玻色子代码,在连续变量量子计算研究的工具。特别地,我们使用Gottesman-Kitaev-Preskill码来表示多量子比特态,并考虑维格纳负性的资源理论。我们的技术是有用的,以找到不同的应用程序的状态转换和一般酉合成,其中测量,辅助状态,和经典前馈是允许的资源下界。我们的魔法测量的解析表达式使我们能够将当前的分析扩展到小尺寸,很容易解决高达12个量子位的系统。
2022-05-30 quant-ph
A Depth-Optimal Canonical Form for Single-qubit Quantum Circuits
给定一个任意的单量子比特操作,一个重要的任务是有效地将这个操作分解成一个(精确的或近似的)容错量子操作序列。我们导出了单量子位量子线路的深度最优标准型,以及将任意单量子位电路精确约化到该标准型的相应规则。我们专注于单量子比特的通用H,T基础,由于其在容错量子计算的作用,并显示我们的形式主义可能会扩展到其他通用基地。然后,我们将我们的正则表示扩展到Solovay-Kitaev分解算法族,以便在多对数时间内找到单量子比特电路的ε-近似。对于给定的单量子位操作,我们发现比以前的最先进的实现明显更低深度的ε近似电路。此外,我们的算法的实现需要显着更少的资源,在计算内存方面,比以前的方法。
2012-06-14 quant-ph
On Universal and Fault-Tolerant Quantum Computing
提出了一种新的量子计算通用容错基(门集)。这样的集合对于在现实的噪声环境中进行量子计算是必要的。新的基由两个单量子位门(Hadamard和${σ_z}^{1/4}$)和一个双量子位门(Controlled-NOT)组成。由于由受控非门和阿达玛门组成的集合不是普适的,新基通过仅包括一个额外的基本(在这个意义上,它不包括是$π$的无理倍数的角度)单量子位门来实现普适性,因此,它可能是人们可以构造的最简单的普适基。我们还提供了另一种证明的普遍性的唯一的其他已知类的普遍性和容错的基础上提出的肖尔和Kitaev。
1999-06-16 quant-ph
Equivalence of approximate Gottesman-Kitaev-Preskill codes
Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP)量子纠错码由于其简单的纠错程序和对高斯误差的高容忍度而在连续变量量子计算和连续变量量子通信中受到广泛关注。由于GKP码状态应该被看作是物理上有意义的近似状态的一个极限,因此至今已经发展了各种近似,但它们之间的明确关系仍然不清楚。在本文中,我们严格证明了这些近似GKP码的等价性与参数的显式对应。我们还提出了一个标准形式的近似码态的位置表示,这使我们能够得到封闭的表达式的维格纳函数,内积,和平均光子数的θ函数。我们的研究结果为进一步分析容错量子计算和信道编码使用近似GKP码的基本工具。
2020-09-16 quant-ph
A Flexible GKP-State-Embedded Fault-Tolerant Quantum Computation Configuration Based on a Three-Dimensional Cluster State
Shanxi University(山西大学);State Key Laboratory of Quantum Optics Technologies and Devices, Shanxi University(量子光学技术和器件国家重点实验室,山西大学);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)
本文提出一种基于三维簇态的灵活GKP态嵌入容错量子计算架构,利用多种量子资源和更多自由度实现通用容错量子计算,通过设计光学纠缠生成器和时间延迟分束器网络构建三维簇态,并采用部分压缩表面GKP码实现容错计算,最终确定最佳压缩门参数达到11.5 dB的容错阈值。
2026-03-19 quant-ph
Symmetry-adapted qubit encoding with complete active space and Bravyi--Kitaev mapping for quantum chemistry on a quantum computer
University College London (UCL)(伦敦大学学院);London Centre for Nanotechnology(伦敦纳米技术中心)
提出对称性自适应的完全活性空间量子比特编码(SAE-CAS),通过近似Z对称性减少量子比特需求,并集成点群和自旋宇称对称性编码,在保持目标对称性扇区的同时最大化量子比特缩减,数值基准测试显示其能降低量子比特数和泡利算符权重,加速VQE收敛。
2026-06-04 quant-ph
Decoding Multimode Gottesman-Kitaev-Preskill Codes with Noisy Auxiliary States
本文提出一种考虑辅助态噪声并跟踪错误相关性的解码器,用于多模GKP码的Steane型纠错,可将逻辑错误概率降低至少一个数量级,提升量子计算鲁棒性。
2025-10-24 quant-ph
Experimental simulation of fractional statistics of abelian anyons in the Kitaev lattice-spin model
在二维空间中,物理定律甚至允许任意子的存在,这些任意子表现出从玻色子到费米子连续变化的分数统计特性。他们负责分数量子霍尔效应,并提出了自然容错量子计算的候选人。尽管有这些显著的性质,任意子的分数统计从未在自然界中直接观察到。本文报道了在核磁共振系统上通过模拟第一Kitaev晶格自旋模型证明任意子的分数统计。我们将晶格自旋模型的四体相互作用编码为分子中伊辛自旋链的两体相互作用。因此,它可以有效地准备和操作的基态和激发的模型哈密顿量。这个便于操作和检测阿贝尔任意子的量子系统清楚地揭示了任意子的统计性质。从长远来看,我们对相互作用哈密顿量的实验对任意子的控制和应用也是有用的。
2007-12-17 quant-ph
High-threshold fault-tolerant quantum computation with analog quantum error correction
Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP)量子比特是实现连续变量容错量子计算的重要技术元素。然而,它仍然是具有挑战性的实验产生的GKP量子比特所需的压缩水平,14.8分贝,现有的容错量子计算。为了降低这个要求,我们提出了一个高阈值的容错量子计算与GKP量子位使用拓扑保护的测量为基础的量子计算与表面码。利用GKP量子比特中的模拟信息,对表面码进行模拟量子纠错,并在基于拓扑保护测量的量子计算中,提出了一种在构建大规模团簇态时防止压缩能级下降的方法.我们数值计算表明,所需的压缩水平可以放宽到小于10分贝,这是在目前的实验技术的范围内。因此,这项工作可以大大减轻这种实验要求,并向实现大规模量子计算更近一步。
2018-03-06 quant-ph
An Exactness Barrier for ZX-Calculus Optimization of Synthesized Clifford+T Circuits
University Paris City(巴黎城市大学);University of Reunion(留尼汪大学);Dipartimento di Fisica e Chimica Emilio Segrè, Università degli Studi di Palermo(巴勒莫大学埃米利奥·塞格雷物理与化学系);Department of Mathematics, University of Colombo(科伦坡大学数学系);School of Physics, Mathematics and Computing, University of Western Australia(西澳大利亚大学物理、数学与计算学院);PEACCEL, AI for Biologics(PEACCEL生物制剂人工智能公司)
该研究提出ZX-演算优化Clifford+T电路的精确性屏障,解释两类电路优化表现差异,在双量子比特电路上实现高比例T门不可压缩的刚性认证。
2026-08-25 quant-ph
Efficient and practical quantum compiler towards multi-qubit systems with deep reinforcement learning
Wuhan University(武汉大学);JD Explore Academy(京东探索研究院);University of Maryland(马里兰大学)
有效的量子编译策略大大提高了量子计算机执行复杂量子算法的能力。由于其基本的重要性,在过去的几年中已经设计了大量的量子编译器。然而,有几个警告,目前的协议,这是低的最优性,高推理时间,有限的可扩展性,缺乏通用性。为了弥补这些缺陷,我们在这里设计了一个高效实用的量子编译器,由高级深度强化学习(RL)技术辅助,即,数据生成、深度Q学习和AQ* 搜索。通过这种方式,我们的协议与各种量子机兼容,并可用于编译多量子比特运算符。我们系统地评估了我们的建议在编译量子算符与逆封闭和逆自由的通用基集的性能。在单量子比特操作编译任务中,我们的方案在编译序列长度和推理时间方面优于其他基于RL的量子编译器。同时,输出解是近最优的,由Solovay-Kitaev定理保证。值得注意的是,对于无逆通用基集,所实现的序列长度复杂度与基于逆的设置相当,并且显著地推进了先前的方法。这些经验结果有助于改进无逆Solovay-Kitaev定理。此外,我们首次展示了如何利用基于RL的量子编译器来完成双量子位运算符编译。所取得的成果为将强化学习与量子编译相结合,统一效率和实用性,从而促进量子优势的探索开辟了一条途径。
2022-04-14 cs.LG quant-ph
Efficient Clifford+T approximation of single-qubit operators
我们给出了一个有效的随机算法,逼近任意元素的$SU(2)$的Clifford+ $T$运营商的产品,直到任何给定的错误阈值$ε>0$。在对素数分布的一个温和假设下,该算法的期望运行时间是$\log(1/ε)$中的多项式。如果要近似的运算符是$z$ -旋转,则所得门序列具有$T$ -计数$K+4\log_2(1/ε)$,其中$K$近似等于$10$。我们还证明了一个最坏情况下的下限$K+4\log_2(1/ε)$,其中$K=-9$,使我们的算法是在一个附加常数的最佳某些$z$旋转。对于$SU(2)$的任意成员,我们用$T$ -count $K+12\log_2(1/ε)$实现近似.相比之下,Solovay-Kitaev算法实现$T$ -计数$O(\log^c(1/ε))$,其中$c$近似为$3.97$。
2014-07-29 quant-ph
Generalized Gottesman-Kitaev-Preskill States on a Quantum Torus
本文提出广义GKP态的新表述,通过量子Zak变换在紧致量子环面上构造精确可物理实现的GGKP态,解决无限能量等病理问题,并揭示量子纠错与非交换几何及Theta函数的联系,为容错光子量子计算开辟新途径。
2025-09-20 quant-ph
Geometrical approach to SU(2) navigation with Fibonacci anyons
使用斐波那契任意子的拓扑量子计算依赖于在伪粒子编织时有效地生成幺正变换的可能性。这组辫子在酉操作空间中具有密集图像的关键事实是众所周知的;此外,Solovay-Kitaev算法允许以任何期望的精度接近给定的酉操作。在本文中,后者的任务是完成了一个替代的方法,在SU(2)的情况下,根据推广的测地线圆顶建设更高的维度。
2008-01-18 cond-mat.other math.GT quant-ph
A fault-tolerant continuous-variable measurement-based quantum computation architecture
基于连续变量测量的团簇量子计算与Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP)码和量子纠错相结合,在可扩展性、通用性和容错性方面显示出巨大的潜力。然而,没有完整的容错架构存在,包括一切从集群状态生成有限挤压门实现与现实的噪声和纠错。在这项工作中,我们提出了一个简单的架构,在三维空间中,门门的隐形传态可以有效地实现集群状态的准备。为了适应可扩展性,我们提出了允许空间和时间复用的架构,时间编码的版本只需要两个压缩光源。由于其三维结构,该架构支持拓扑量子比特纠错,而GKP纠错通过隐形传态在架构内有效地实现。为了验证容错性,使用表面GKP代码,包括GKP态的噪声以及簇态有限压缩引起的门噪声,对该结构进行了模拟。我们发现一个容错的压缩阈值为12.7 dB的空间,进一步改进。
2021-08-28 quant-ph
Generating Gottesman-Kitaev-Preskill qubit using a cross-Kerr interaction between a squeezed light and Fock states in optics
Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP)量子比特具有良好的抗噪性和可扩展性,是光学连续变量容错量子计算的重要组成部分。然而,光学GKP量子比特制备中的主要问题之一是难以获得非线性。交叉克尔相互作用是这种非线性的有希望的候选者之一。没有现有的方案使用交叉克尔相互作用来产生用于FTQC的光学GKP量子比特。在这项工作中,我们提出了一种GKP量子比特的产生方法,利用压缩光与叠加态Fock之间的交叉克尔相互作用。我们的数值计算表明,GKP量子比特与10分贝可以产生的平均纯度为99.99和99.9%,成功概率分别为2.7%和4.8%。因此,当我们获得足够的辅助Fock态和交叉Kerr相互作用的制备技术时,我们的方法有可能产生具有FTQC所需质量的光学GKP量子比特。
2022-02-01 quant-ph
Fault-tolerant quantum computation with static linear optics
基于Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP)量子比特的容错量子计算光子实现的可扩展性受到线性光网络内嵌压缩和可重构性要求的影响。在这项工作中,我们提出了一个拓扑纠错的架构,没有这些元素的成本-事实上,在一个优势-国家准备开销。我们的计算机由三个模块组成:GKP状态的概率源的二维阵列;静态分束器、移相器和单时间步长延迟线的深度四电路;以及零差检测器的二维阵列。我们提出的电路的对称性使我们能够结合有限压缩和均匀光子损失的噪声模型内的影响,从而产生更全面的阈值估计。这些跨越架构和分析障碍的跨越大大加快了光子量子计算机的构建。
2021-04-09 quant-ph
Towards fault-tolerant quantum computation with universal continuous-variable gates
该研究针对通用连续变量门缺乏编码容错性证明的问题,利用GKP编码数值优化仅含通用CV门的电路以从真空生成GKP态,证实所得态的错误概率低于级联GKP稳定子码容错存储器阈值,为通用CV门实现容错量子计算提供了有力证据。
2025-06-16 quant-ph
Interfacing Gottesman-Kitaev-Preskill Qubits to Quantum Memories
针对GKP态难以与长寿命固态量子存储器耦合的问题,提出基于腔介导受控位移门的接口,可实现高质量态传输、免压缩光生成GKP簇态及高速率存储器间纠缠分发。
2024-10-18 quant-ph
A protected vortex exciton qubit
我们提出了一个受保护的量子比特,它是超导电流镜量子比特的“对偶”建议[A。Kitaev,arXiv:0609441(2006)]。我们的构建可以被视为Kitaev提议的磁模拟:它继承了电流镜像量子位的固有容错性,但在实验室中可能表现得更好,因为磁噪声通常比电噪声问题要小。我们适应Kitaev提出的通用容错量子计算方案,我们的建设。
2014-05-17 cond-mat.supr-con quant-ph
The loss tolerance of cat breeding for fault-tolerant grid state generation
本文提出一种基于高斯函数线性组合的模拟方法,分析猫态繁殖协议在光学损耗下的性能,发现损耗超过4%时无法制备容错GKP态,并开源了代码。
2025-08-08 quant-ph
Hardware-Efficient Fault Tolerant Quantum Computing with Bosonic Grid States in Superconducting Circuits
本文综述玻色网格态编码,指出利用多模玻色量子比特可在单物理单元层面纠错、降低硬件需求,是超导电路实现MHz级容错门量子计算的最短路径。
2024-09-09 quant-ph
Stabilized Cat in Driven Nonlinear Cavity: A Fault-Tolerant Error Syndrome Detector
在量子纠错中,信息被编码在一个高维系统中,以保护它免受环境的影响。关键的一步是使用自然的、低权重的操作和辅助操作来提取错误信息,而不会对编码系统造成反作用。基本上,附属错误必须不传播到编码系统,并引起超出那些可以纠正的错误。当前用于实现对辅助错误的这种容错的方案是以增加开销要求为代价的。一个有效的方法来提取错误的症状,在容错的方式是通过使用一个单一的辅助强偏置噪声通道。然而,通常,当噪声极度偏置时,所需的基本运算可能变得具有挑战性。我们建议通过在参数驱动的非线性腔中使用玻色猫辅助来克服这个缺点。这样的猫量子比特只经历比特翻转噪声,并且相对于相位翻转是稳定的。为了突出这种方法的灵活性,我们说明了在各种代码,如量子位为基础的复曲面代码,玻色子猫和Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP)代码的综合征提取过程。我们的研究结果为实现硬件高效,容错的错误伴随式提取开辟了一条道路。
2018-07-24 quant-ph
Quantum phase transition in the $Z_3$ Kitaev-Potts model
研究了容错量子计算的候选模型$Z_3$ Kitaev模型诱导的拓扑序相位相对于三态Potts模型诱导的局域序相位的稳定性.我们证明了Kitaev-Potts模型的低能部分在存在横向磁场的情况下映射到Potts模型。我们的研究依赖于两个高阶级数展开的基础上连续酉变换的限制,小和大波茨耦合以及平均场近似。我们的分析表明,$Z_3$ Kitaev模型的拓扑相位分解到Potts模型通过一级相变。通过对基态能量、单准粒子能隙和纠缠度的几何测度的分析,我们捕捉到了相变。
2015-05-21 cond-mat.str-el quant-ph
Continuous-Variable Fault-Tolerant Quantum Computation under General Noise
本文研究连续变量(CV)系统在一般噪声下的容错量子计算,证明通过Gottesman-Kitaev-Preskill码可将CV系统的马尔可夫型噪声转化为逻辑量子比特噪声并给出明确界限,结合级联码阈值定理证明CV量子计算具有容错阈值,并指出需仔细管理状态能量。
2024-10-16 quant-ph
Fault-tolerant preparation of approximate GKP states
Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP)状态似乎是在将量子比特编码到振荡器中时纠正错误的主要候选者之一。然而,GKP态的制备仍然是一个重大的理论和实验挑战。到目前为止,还没有提供容错准备GKP状态的明确定义。如果不仔细考虑,少量的故障可能导致大的不可纠正的移位错误。在提出了一个度量比较近似GKP状态,我们提供了严格的容错定义,并介绍了一个容错相位估计协议,准备这样的状态。容错协议使用一个标志量子位并且仅接受状态的子集,以防止测量读出错误导致大的移位错误。然后,我们将展示如何使用电路QED协议可以实现。在这样做时,我们推导出的解析表达式描述的非线性色散位移和克尔非线性的领先阶的影响。使用这些表达式,我们表明,以减轻非线性色散位移和克尔项将需要协议的时间尺度上实现四个数量级以上的时间尺度相关的协议的物理动机参数。尽管有这些限制,我们数值表明,一个子集的容错相位估计协议的接受状态保持良好的纠错能力,即使在存在噪声。
2019-08-20 quant-ph