Effective Hamiltonians for interacting superconducting qubits -- local basis reduction and the Schrieffer-Wolff transformation
超导量子线路设计中的一个悬而未决的问题是如何最好地将描述其动力学的全电路哈密顿量简化为适合于量子信息操纵的有效的二能级量子比特哈密顿量。尽管在数值方法来模拟多元素超导电路的光谱特性的进展,文献缺乏一个一致的和有效的方法来确定有效的量子位哈密顿量。在这里,我们解决这个问题,通过引入一种新的本地基减少方法。该方法不需要对哈密顿量的结构进行任何特别的假设,例如其对外加场的线性响应。我们数值基准的本地基础减少方法对其他哈密顿减少方法在文献中,并报告超导量子比特的具体例子,包括电容分流的磁通量子比特,其中标准的减少方法失败。通过将局部基约化方法与Schriffl-Wolff变换相结合,我们进一步将其适用性扩展到相互作用量子比特系统,并使用它来提取非随机的两量子比特哈密顿量和三量子比特哈密顿量中的三局部相互作用项。
2020-03-25 quant-ph
Time-dependent Schrieffer-Wolff-Lindblad Perturbation Theory: measurement-induced dephasing and second-order Stark shift in dispersive readout
我们发展了一个含时的Schriff-Wolff-Lindblad微扰理论来研究受驱动的开放量子系统的有效相互作用。我们的分析的出发点是一个给定的林德布拉德方程,基于此,我们得到一个有效的(平均)的地图,描述了由于驱动器的哈密顿量和崩溃运营商的重整化。作为一个案例研究,我们将这种方法应用到色散读出的transmon量子比特,并推导出一个有效的disperive地图,描述测量引起的退相和斯塔克位移的transmon。我们得到的有效映射是完全正的,并且在绝热谐振腔响应下是保迹的。基准我们的方法,我们表现出良好的协议,通过Lindbladian频谱的有效率的数值计算。我们的结果也与Gambetta等人(Phys. Rev. A 74,042318(2006))使用谐振器场的正P表示对这种效应的早期推导一致,并在此基础上进行了扩展。
2022-06-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fock-space Schrieffer--Wolff transformation: classically-assisted rank-reduced quantum phase estimation algorithm
我们提出了一个扩展的多体向下折叠方法,以减少量子相位估计(QPE)算法所需的资源。在本文中,我们专注于Schrieffer-Wolff(SW)变换的电子哈密顿分子系统,提供了显着的简化量子线路的量子动力学模拟。我们证明,通过采用Fock空间变体的SW变换(或降秩相似性变换(Rank-reducing similarity transformations,RankD)),可以显着增加量子位映射相似性变换的哈密顿量的局部性。SW-Rendezvous形式主义的实际应用与手稿中讨论的一系列近似有关。特别是,定义RdR的振幅可以使用传统计算机进行评估,然后在量子计算机上进行编码。SW-RQPE量子算法也可以被看作是标准状态特定耦合簇向下折叠方法的扩展,以提供传统QPE算法的稳健替代方案,从而使用相同的Fock来识别具有各种电子数的系统的基态和激发态。下折哈密尔顿算子的空间表示。Rounds形式主义作为开发新的近似方案类的设计原则,降低了量子线路的复杂性。
2022-11-18 quant-ph
Schrieffer-Wolff Transformations for Experiments: Dynamically Suppressing Virtual Doublon-Hole Excitations in a Fermi-Hubbard Simulator
在能量尺度分离的强相互作用系统中,低能有效哈密顿量有助于深入了解低温下的相关物理。有效模型中的涌现相互作用由高能态的虚激发介导:例如,费米-哈伯德模型中的虚双空穴激发介导了导出的有效模型(称为$t-J-3s$模型)中的反铁磁自旋交换相互作用。在形式上,这个过程是通过执行一个单一的Schriffl-Wolff基变换来描述。在量子模拟的背景下,考虑有效模型来解释实验结果可能是有利的。然而,虚激发,如双孔对可以混淆的物理可观测量。在这里,我们表明,量子模拟器允许一个访问有效的模型,甚至更直接地通过在旋转的基础上进行测量。我们提出了一个协议,执行一个Schriffl-Wolff变换的费米哈伯德低能本征态(或热态),动态制备近似$t-J-3s$模型态使用费米子原子在光晶格。我们的协议涉及执行线性斜坡的光晶格的深度,这是足够慢,以消除虚拟的双孔波动,但足够快,冻结了有效模型中的动态。我们进行了数值研究,使用精确对角化,并找到一个最佳的斜坡速度后,晶格斜坡的状态具有最大的重叠与$t-J-3s$模型状态。我们比较我们的数字从我们的锂-6费米量子气体显微镜的实验数据,并显示该协议的原理证明。更一般地,该协议可以是有益的有效模型的研究,使抑制虚拟激发在广泛的量子模拟实验。
2022-05-04 cond-mat.quant-gas quant-ph
The geometry of the Hermitian matrix space and the Schrieffer--Wolff transformation
Budapest University of Technology and Economics(布达佩斯技术与经济大学);HUN-REN-BME-BCE Quantum Technology Research Group(匈牙利研究与教育网络-布达佩斯技术与经济大学-布达佩斯科技大学量子技术研究组);IFW Dresden(德累斯顿铁电研究所);Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat(维尔茨堡-德累斯顿卓越集群ct.qmat);Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems(马克斯·普朗克复杂系统物理研究所)
本文通过几何方法解释Schrieffer-Wolff变换,证明其在Hermitian矩阵空间中诱导局部坐标系,并建立距离定理,探讨退化哈密顿量的一参数扰动及其能量分裂特性,应用几何方法保护Weyl点并研究退化子流形的性质。
2026-03-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Stabilizer Perturbation Theory: A Systematic Construction via Schrieffer-Wolff Transformation
本文在量子比特系统中发展了系统化的稳定子微扰理论,利用局域 Schrieffer-Wolff 变换和 Pauli 代数二进制编码高效求解,并在一维 Ising 链及二维 toric code 上验证了其有效性。
2025-09-16 quant-ph
Schrieffer-Wolff transformation for non-Hermitian systems: application for $\mathcal{PT}$-symmetric circuit QED
本文发展广义Schrieffer-Wolff变换,用于非厄米准简并系统,并应用于$\mathcal{PT}$对称电路QED,通过数值与解析对比识别对称相、奇异点及相图,揭示非厄米性混合暗亮态的实验后果。
2023-09-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Non-perturbative analytical diagonalization of Hamiltonians with application to coupling suppression and enhancement in cQED
导出有效的哈密顿模型在量子理论中起着至关重要的作用,近年来特别强调控制和工程问题。在这项工作中,我们提出了两种计算有效的哈密顿模型的符号方法:非微扰分析对角化(NPAD)和递归Schriling-Wolff变换(RSWT)。NPAD利用Jacobi迭代,在保持收敛的同时不需要扰动理论的假设,允许处理非常广泛的模型。在扰动制度中,它减少到RSWT,它利用了一个内置的递归结构,显着的条款的数量只与扰动阶线性增加,指数下降的条款数量相比,无处不在的Schriffl-Wolff方法。在这种情况下,NPAD进一步给出了一个指数减少的条款,即超指数相比,Schrillian-Wolff,相关的高精度扩展。这两种方法都由代数表达式组成,并且可以很容易地自动进行符号计算。为了证明该方法的应用,我们研究了超导量子比特系统的ZZ和交叉共振相互作用。我们研究了抑制和工程近共振和准色散制度的耦合。与所提出的方法,耦合强度的有效哈密顿可以估计与数值计算结果相比,具有较高的精度。
2022-05-04 quant-ph
Simulation of Many-Body Hamiltonians using Perturbation Theory with Bounded-Strength Interactions
我们展示了如何将具有束缚强度k体相互作用的给定n量子位目标哈密顿映射到具有两体相互作用的模拟器哈密顿上,使得目标和模拟器哈密顿的基态能量相同,对于任意小的π,误差为O(π n)。模拟器哈密顿量中的相互作用强度取决于k和k,但不取决于n。我们完成这一减少使用一种新的方法来推导一个有效的低能量哈密顿量,依赖于多体物理的Schriffal-Wolff变换。
2008-03-18 cond-mat.other math-ph math.MP
Nonadiabatic corrections to fast dispersive multiqubit gates involving Z control
我们回顾了一个依赖于时间的版本的Schriffl-Wolff变换,占系统参数的实时控制,很快就可以在广泛的基础上,由于技术的进步。将通过Jaynes-Cummings相互作用耦合到腔的$N$多能级系统的色散区域扩展到最一般的情况。作为一个具体的例子,我们严格地应用该技术分散的两个量子比特门在超导体系结构中,显示基于以前的模型的结晶度关闭高达$10^{-2}$,这当然是相关的高保真度门兼容的容错量子信息设备。一个封闭的分析形式的误差取决于目标的发展关闭我们的工作。
2017-02-13 quant-ph
Electric dipole spin resonance with linear and cubic spin-orbit interaction
本文研究了量子阱中GaAs和Ge基量子点的电偶极自旋共振,利用Schrieffer-Wolff变换推导有效哈密顿量,并用GKSL主方程处理环境耦合,发现三次自旋-轨道相互作用使拉比频率非线性,并因自旋弛豫降低自旋操控保真度。
2024-07-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Effective theory and emergent $SU(2)$ symmetry in the flat bands of attractive Hubbard models
在部分填充的平坦布洛赫带中,电子没有明确的费米面,因此低能理论不是费米液体。然而,在吸引相互作用的影响下,一个超导体可以很好地用BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer)波函数描述。本文研究了一般的带平坦的哈伯德模型的低能有效哈密顿量。通过微扰的Schriling-Wolff变换,消去高激发带,得到了一个有效的平带哈密顿量。在一阶的相互作用能,我们恢复到通常的程序投影的相互作用项的平带Wannier函数。我们表明,BCS波函数是确切的基态的投影相互作用哈密顿量和压缩性发散作为一个紧急的$SU(2)$对称性的后果。这种对称性被打破的二阶带间过渡导致有限的压缩性,我们说明了一个一维的阶梯有两个完美的平坦带。这些结果激发了进一步的近似导致一个有效的铁磁海森堡模型。从铁磁海森堡模型出发,只有在使用Marzari-Vanderbilt意义下的最大定域Wannier函数时,才能得到平带超流质量的规范不变结果。最后,我们证明了一个重要的不等式$D \geq \mathcal{W}^2$之间的Drude重量$D$和缠绕数$\mathcal{W}$,这保证了弹道输运的拓扑非平凡的平坦带在一维。
2016-08-02 cond-mat.quant-gas cond-mat.str-el cond-mat.supr-con
Adiabatic quantum simulations with driven superconducting qubits
我们提出了一个量子模拟器的基础上驱动超导量子比特的相互作用产生的多色磁通量调制的可调总线元件参数。利用含时Schriffen-Wolff变换,我们解析地导出了一个多量子比特的哈密顿量,该哈密顿量具有独立可调的$XX$和$YY$型相互作用以及大参数范围内的局域偏置场.我们利用两个超导量子位和一个可调总线元件对氢分子的基态进行了绝热模拟。达到化学精度所需的时间在几微秒范围内,因此可以在目前可用的超导电路上实现。这种技术的进一步应用也可以在相互作用自旋系统的模拟中找到。
2018-08-21 quant-ph
Effective Hamiltonian for the hybrid double quantum dot qubit
由双量子点中的三个电子形成的量子点混合量子位代表了用于单量子位和双量子位量子逻辑端口的固态实现的高速和简单制造之间的有希望的折衷。我们推导出的Schriffi-Wolff有效哈密顿量,描述了一个简单而直观的方式,通过结合一个哈伯德类模型与投影算子方法的量子比特。这样,Hubbard型哈密顿量就转化为电子对之间交换耦合作用的等价表达式。利用有效哈密顿量导出系统的动力学行为及其在布洛赫球上的本征态,以产生量子逻辑端口的量子比特操作。一个现实的实现在硅和量子位与检测器的耦合进行了讨论。
2013-06-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum memory coupled to cavity modes
受分子磁体中自旋-电耦合的启发,我们在Kitaev蜂窝模型中引入了由于量子化腔场的存在而引起的Ising相互作用的线性修正。这允许通过调谐腔模式的物理参数(如频率、光子占据和耦合强度)来控制低能量复曲面码哈密顿算子的性质,所述低能量复曲面码哈密顿算子可以用作量子存储器。我们研究的性质的模型微扰利用的Schriffl-Wolff变换,并表明,根据具体的设置,腔模式可以在几个方面是有用的。它们允许通过频率偏移检测任意子的存在,并通过增强任意子激发能或介导具有可调符号的远程任意子-任意子相互作用来延长存储器的寿命。我们考虑谐振腔模式和大失谐腔模式。
2011-03-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
Precision of quantum simulation of all-to-all coupling in a local architecture
我们提出了一个简单的2d局部电路,实现所有的相互作用,通过微扰的小工具。我们找到了所需相互作用的值$J_{ij}$与二维电路参数之间的解析关系,以及量子谱中误差的表达式。为了使相对误差为恒定的$ε$,需要能量尺度随着量子位数的$n^6$增长,或者等效地,控制精度高达$ n^{-6}$。我们的证明是基于Schriffal-Wolff变换和推广到任何硬件。在目前可用的体系结构中,$5$控制精度位数足以满足$n=40,~ ε=0.1$的要求。比较我们的建设,被称为顺磁树,在未成年人嵌入使用的铁磁链,我们发现,在链长$>3$的性能未成年人嵌入下降指数链的长度,而我们的建设经验只有一个多项式减少。
2023-02-05 quant-ph
Strong Coupling Optomechanics Mediated by a Qubit in the Dispersive Regime
腔光力学是实现量子技术的一个灵活平台,特别适用于实现量子接口、量子传感器和量子信息处理。然而,机械和电磁模式之间的色散,辐射压力相互作用通常是非常弱的,利用到现在为止有趣的非线性动力学和量子控制在单光子水平上的演示。理论和实验都已经表明,如果相互作用是由约瑟夫森电路介导的,那么可以有一个有效的动态对应于单光子光机械耦合的巨大增强。在这里,我们详细分析了这种现象在一般情况下,当腔模式和机械模式通过非共振量子位相互作用。利用Schriffl-Wolff近似处理,我们确定了在强耦合区,这种三重混合系统表现为有效腔光机系统的区域
2021-07-29 quant-ph
Geometric Protection of Bipartite Entanglement in Hopf-Linked Quantum Rings
Government Arts College(政府艺术学院);Ramakrishna Mission Residential College(罗摩克里希那传教士住宿学院)
通过精确对角化未展开的3D库仑相互作用,研究深度互锁Hopf链接量子环中两个相互作用电子的二分纠缠界限,发现一种精确的连续空间对称性几何隔离正宇称Bell态,防止经典相互作用驱动的局域化,但高阶Schrieffer-Wolff变换表明这种几何保护存在根本界限,定义了不可逆纠缠坍缩的临界相互作用阈值。
2026-05-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Perturbative diagonalization for time-dependent strong interactions
我们提出了一个系统的方法来实现一个微扰哈密顿对角化的基础上的时间依赖的Schriling-Wolff变换。将我们的方法应用于强参数相互作用,我们展示了如何,即使在色散制度,完整的拉比模型物理是必不可少的,以描述的装扮光谱。我们的研究结果揭示了几个定性的新结果,包括实现大的能级位移,可调的幅度和符号的频率和幅度的泵介导的参数相互作用。至关重要的是,布洛赫-西格特位移,通常被认为是重要的,只有在超强或深强耦合制度,可以呈现大,即使是弱色散相互作用,以实现在特定的泵浦频率的精确消除的修饰位移(“盲点”)的点。这里开发的框架突出了与时间相关的相互作用可以访问的丰富物理学,并用于显着扩展强相互作用量子系统的控制和读出功能。
2022-08-05 quant-ph
Designing Kerr Interactions for Quantum Information Processing via Counterrotating Terms of Asymmetric Josephson-Junction Loops
在高相干微波腔中实现的连续变量系统是量子信息处理的一个很有前途的平台。虽然需要强动态非线性相互作用来实现快速和高保真的量子操作,但静态腔非线性通常限制了玻色子量子纠错码的性能。在这里,我们研究的理论模型的非线性振荡器描述超导量子线路与非对称约瑟夫森结环。处理的非线性作为一个扰动,我们得到有效的哈密顿量使用Schriffl-Wolff变换。我们支持我们的分析结果与数值实验表明,有效的克尔型耦合可以取消高阶非线性的相互作用。这可以在仅支持三次和四次非线性的简化模型中更好地理解。我们的研究结果表明,立方相互作用允许增加线性和非线性操作的有效速率,而不会增加不希望的振荡器的非谐性,这是许多玻色子编码的关键。
2022-06-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Robust quantification of spectral transitions in perturbed quantum systems
该研究针对受扰量子系统的谱间泄漏问题,建立了真实动力学与块对角有效演化动力学距离的时不变界,推导了泄漏量的时不变普适界,并将其应用于实际系统。
2025-05-26 math-ph math.MP quant-ph
Efficient optimization of perturbative gadgets
微扰小工具是利用微扰理论将多体自旋相互作用简化为两体自旋相互作用的一般技术。这允许使用物理上更可行的两体相互作用来潜在地实现有效的多体相互作用。与之前的工作(arXiv:1311.2555 [quant-ph])并行,在这里我们考虑最小化实现最初由Kempe,Kitaev和Regev(arXiv:quant-ph/0406180)提出的小工具所需的物理资源,后来由Jordan和Farhi(arXiv:0802.1874v4)推广。我们的结果的主要创新是一组方法,有效地计算紧的扰动理论中的误差上限。我们表明,在目标哈密顿量中的条款交换的情况下,我们的算法所产生的界限是尖锐的任意阶微扰理论。我们提供的数值显示的数量级改善小工具建设的基础上平凡的上界扰动系列中的误差项。我们还讨论了进一步改进我们的结果,采用Schriling-Wolff形式的微扰理论和补充我们的观察与数值结果。
2017-09-08 quant-ph
Analysis of parametrically driven exchange-type (iSWAP) and two-photon (bSWAP) interactions between superconducting qubits
当前量子计算的瓶颈是在耦合量子位阵列中的两个或更多个量子位之间实现高保真的双量子位量子操作。基于参数驱动可调谐耦合器的门提供了一种方便的方法,通过选择性地激活有效哈密顿量中的不同相互作用项来纠缠多个量子比特。在这里,我们从理论和实验上研究了超导量子比特设置与两个transmon量子比特通过电容耦合可调总线连接。我们开发了一个依赖于时间的Schriffal-Wolff变换,并推导出交换相互作用门交换量子比特之间的激发(iSWAP)和双光子门创建和湮灭同时两个量子比特激发(bSWAP)的解析表达式。我们发现bSWAP门通常比更常用的iSWAP门慢,但具有良好的可扩展性,频率拥挤效应不太严重,这通常会降低多量子位设置中的保真度。我们的理论结果得到了实验测量和精确的数值模拟的支持,包括更高的transmon能级和耗散的影响。
2017-08-07 quant-ph
Analogue quantum simulation with polylogarithmic interaction strengths by extrapolating within phases of matter
University of Copenhagen(哥本哈根大学)
本文通过在物质相内插值得到多项式交互强度的类量子模拟,展示如何通过经典后处理减少非临界系统所需的交互强度缩放。
2026-05-11 quant-ph
Landau-Zener-Stückelberg spectroscopy of a fluxonium quantum circuit
研究大振幅非共振周期性驱动下Fluxonium电路的时间平均布居数,通过数值模拟和Schrieffer-Wolff变换解析多能级结构下的Landau-Zener-Stückelberg光谱,为快速非绝热单比特门和纠缠协议提供预测性见解。
2025-04-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Pymablock: an algorithm and a package for quasi-degenerate perturbation theory
本文提出准简并微扰理论的新算法及 Python 包 Pymablock,支持多子空间、任意阶数值与解析计算,并在 k·p、超导量子比特和紧束缚模型中验证其效率。
2024-11-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el quant-ph
On the Computational Complexity of Guided Berry Phase Estimation
CQSI, School of Computer Science, University of Technology Sydney(悉尼科技大学计算机科学学院)
本文证明给定与基态有重叠的引导态时,判定2-局域量子比特哈密顿量的Berry相位是BQP完全的,并扩展到加权海森堡相互作用及二维晶格,利用Schrieffer-Wolff变换建立1-局域与2-局域间的复杂性转变。
2026-09-23 cs.CC quant-ph
Optimal Effective Hamiltonian for Quantum Computing and Simulation
International Quantum Academy(国际量子研究院);Shenzhen Institute for Quantum Science and Engineering, Southern University of Science and Technology(南方科技大学深圳量子科学与工程研究所);Hefei National Laboratory(合肥国家实验室)
本文提出LAUT原理,通过最小化几何作用实现有效哈密顿量的精确构造,验证其在量子处理器中的应用,提升系统学习和哈密顿量工程的精度。
2026-02-03 quant-ph
The toric code under antiferromagnetic isotropic Heisenberg interactions
Kyoto University(京都大学);Universität Hamburg(汉堡大学);The Hamburg Centre for Ultrafast Imaging(汉堡超快成像中心)
研究各向同性反铁磁异斯贴生相互作用对托卡马克码的影响,揭示拓扑序破坏机制及临界点特征。
2026-03-05 cond-mat.dis-nn cond-mat.str-el quant-ph
Engineering Quantum Interactions: From Effective Models to Validated Physical Predictions
Universidade Federal de São Carlos(圣卡洛斯联邦大学);Hainan Bielefeld University of Applied Sciences(海南比勒费尔德应用科学大学)
该研究开发了基于多种方法的统一框架构建与验证量子有效描述,以量子Rabi模型等为基准,揭示有效模型失效原因,配套QuTiP实现,助力量子相互作用的设计与预测。
2026-10-09 physics.ed-ph quant-ph
A diagrammatic method to compute the effective Hamiltonian of driven nonlinear oscillators
提出一种基于相空间自洽微扰展开的图解方法计算驱动非线性振荡器有效哈密顿量,提供生成任意阶哈密顿量的程序,并通过超导电路实例与数值对比验证了其精确性与多功能性。
2024-12-24 quant-ph
Dispersive regime of multiphoton qubit-oscillator interactions
本文用 Schrieffer–Wolff 微扰理论推导多光子量子比特-振荡器模型的二阶有效哈密顿量,揭示高阶 Kerr、条件压缩及多体耦合效应,并通过稳定化项解决谱不稳定性。
2025-08-31 quant-ph