TFermion: A non-Clifford gate cost assessment library of quantum phase estimation algorithms for quantum chemistry
量子相位估计是用于量子化学的最有用的量子计算算法之一，并且因此，已经致力于设计有效的实现。在这篇文章中，我们介绍TFermion，一个库，旨在估计T门成本的算法，为任意分子。作为使用的例子，我们估计了几个简单分子的T门成本，并比较了相同的泰勒算法使用高斯和平面波的基础。
2022-07-13 quant-ph
Optimal Two-Qubit Gate-Cutting Cost and Measures of Nonlocality
本研究从最优双量子比特门切割公式出发，推导出拟概率范围与五个非局域性描述符的尖锐上下界，揭示门切割成本在相似非局域门间的显著差异。
2026-09-25 quant-ph
Synthesis of Reversible Functions Beyond Gate Count and Quantum Cost
迄今为止，已经提出了许多可逆逻辑和量子逻辑的综合方法。然而，它们中的大多数生成电路相对于简单的度量，即门计数或量子成本。另一方面，为了物理实现可逆和量子硬件，存在额外的约束。在本文中，我们描述了在为各自的目标技术合成可逆和量子逻辑时应该考虑的超出门数和量子成本的成本度量。我们表明，一个综合方法的评价可能会有所不同，如果额外的成本。此外，一个新的成本度量，即最近邻成本（NNC），这是由现实的物理量子体系结构，被详细考虑。我们讨论如何现有的合成流程可以扩展到生成最佳电路相对于NNC，同时仍然保持量子成本小。
2010-04-26 quant-ph
Optimal synthesis of the Fredkin gate in a multilevel system
一个三量子比特的Fredkin门的最佳成本是5个两量子比特的纠缠门，而当限制到受控非（CNOT）门时，开销攀升到8。通过利用更高维的希尔伯特空间，我们将三量子比特Fredkin门的成本从8个hocTs降低到5个最近邻hocTs。我们还提出了一个具有2n+3个hocTs和2n个单量子操作的n控制量子比特Fredkin门的构造。最后，我们设计了光子结构中的确定性和非确定性三量子比特Fredkin门。非确定性三量子比特Fredkin门的成本进一步降低到4个最近邻hocT，并且这种门的成功由单光子探测器预示。我们的见解弥合了理论下限和目前最好的结果之间的差距的n量子比特量子计算。
2020-04-07 quant-ph
Cost-Effective Realization of n-Bit Toffoli Gates for IBM Quantum Computers Using the Bloch Sphere Approach and IBM Native Gates
本文提出一种基于Bloch球可视化方法和IBM原生门设计的布局感知n比特Toffoli门，并引入转译量子成本公式，在3至7比特下显著降低了转译后的量子成本。
2024-10-17 cs.ET quant-ph
Gate-efficient discrete simulations of continuous-time quantum query algorithms
我们展示了如何有效地模拟连续时间量子查询算法，在时间T中运行的方式，保留查询的复杂性（在一个多对数因子），同时也产生了一个小的开销成本在查询之间的门的总数。通过小的开销，我们指的是在一个因子内的T，该因子是关于T的多对数和反映计算驱动哈密尔顿算子的成本的成本度量。这使得任何基于可有效计算的驱动哈密顿量的连续时间量子算法都可以转换为具有类似运行时间的门有效算法。
2013-04-05 quant-ph
Optimal constant-cost implementations of Clifford operations using global interactions
本文提出一种利用全局纠缠门实现任意长度 Clifford 运算序列的常数代价（最多四次）方法，无需辅助比特，达到理论最优门数，且所需驱动功率更低，并给出高效编译算法。
2025-10-23 quant-ph
Quantum binary field multiplication with subquadratic Toffoli gate count and low space-time cost
本文提出一种量子电路构造算法，以次二次Toffoli门数量实现二元域乘法，并通过辅助量子比特实现线性深度，同时针对特定本原多项式族达到对数深度，提供最优时空权衡。
2025-01-27 quant-ph
Optimal simulation of three-qubit gates
本文研究了利用双量子比特门对三量子比特幺正的最优模拟。首先，我们给出了模拟多量子比特门的两量子比特门成本的下界。其次，通过推广Toffoli门的代价，我们完全刻画了模拟三量子比特受控门的两量子比特门代价。受控受控门的功能简单地说就是一个三量子比特受控幺正门，可以直观地解释为：门将直接输出两个控制量子比特的状态，只有当两个控制量子比特的状态都是$\ket{1}$时，才将给定的一量子比特幺正$u$应用于目标量子比特。以前，仅知道五个两量子位门足以实现这样的门[Sleator和Weinfurter，Phys.Rev.Lett. 74，4087（1995）]。我们的结果表明，如果$u$的行列式为1，四个双量子位门是可实现的最佳。否则，五个是最佳的。第三，我们证明了五个双量子比特门对于实现Fredkin门（受控交换门）是必要的和足够的，这解决了在[Smolin和Dijuenzo，Phys. Rev. A，53，2855（1996）]中引入的公开问题。Fredkin门是最重要的量子逻辑门之一，因为它对于经典可逆计算是唯一通用的，因此对于量子计算来说几乎没有帮助。在我们的工作之前，已经知道Fredkin门的五个两量子比特门分解，并且发现了显示五个是最佳的数值证据。
2013-01-16 quant-ph
A Cost-Effective Layout-Aware Quantum Circuit Synthesis For Triangular, Square, and Heavy-Hex Layouts
Portland State University（波特兰州立大学）
本文提出了一种基于正Davio晶格的布局感知量子电路综合方法，通过引入SWAT门实现低成本的电路映射，适用于三角形、方形和重六边形布局。
2026-01-05 quant-ph
Comparison of the Cost Metrics for Reversible and Quantum Logic Synthesis
提出了一种确定由量子非门、量子控制非门、量子控制V门和量子控制V+门组成的最佳三线电路的宽度优先搜索方法。结果是简单的门计数和技术驱动的成本指标。最佳的NCV电路也比较NCV电路从最佳的非，CNOT和Toffoli（NCT）门电路。这里提出的工作提供了基本的结果和动机继续研究的直接综合的NCV电路，并建立在不同的电路成本指标的功能实现之间的关系。
2006-02-04 quant-ph
Computing-heightened low-cost high-dimensional controlled-SUM gates
针对高维量子计算需求，论文提出三种实现双光子4×4维CSUM门的协议，分别基于线性光学、微腔–量子点散射及错误预告机制，在无辅助光子条件下兼顾低成本、确定性与高保真度。
2025-05-14 quant-ph
Constant-cost implementations of Clifford operations and multiply controlled gates using global interactions
我们考虑由单比特操作和伊辛型哈密顿产生的全局纠缠门组成的量子线路。它表明，这样的电路可以实现一个大类的酉算子通常用于量子算法在一个非常低的成本-使用一个恒定的或有效的恒定数量的全球纠缠门。具体而言，我们报告的恒定成本的克利福德操作的实现和不带辅助，恒定成本的实施的多控制门线性许多辅助，和$O(\log^*(n))$成本的实施的$n$控制的单目标门使用cummically许多辅助。这表明了全局纠缠门电路的显著渐近优势。
2022-12-01 cs.CC cs.ET quant-ph
Low-cost Fredkin gate with auxiliary space
有效的量子信息处理在一定程度上等同于量子逻辑门所需的量子资源的最小化。在这里，我们提出了一个优化的n-控制的量子位Fredkin门，最多2n+1个双量子位门和2n个单量子位门利用辅助希尔伯特空间。所需的逻辑门的数量改进了模拟任意n量子位Fredkin门的早期结果。特别是，单控制量子位Fredkin门（需要三个量子位部分交换门）的最佳结果打破了五个双量子位门的理论非建设性下限。此外，使用一个额外的空间模式的自由度，我们设计了一个可能的架构来实现偏振编码Fredkin门与线性光学元件。
2020-11-30 physics.app-ph quant-ph
Ordering Matters: Structure, Accuracy and Gate Cost in Second-Order Suzuki Product Formulas
本文研究二阶 Suzuki 乘积公式中项排序与递归应用对精度和门开销的影响，提出混合启发式与分数分解方法，在退极化噪声下实现低成本高精度的量子模拟。
2025-05-07 quant-ph
Halving the cost of quantum addition
我们将实现一个n位加法器所需的T门数从8n + O（1）提高到4n + O（1）。我们通过一个“临时逻辑与”结构来做到这一点，该结构使用四个T门来将两个量子位的逻辑与存储到一个辅助单元中，并使用零个T门来稍后擦除辅助单元。这种结构与琼斯的结构是等价的，只是我们的框架清楚地表明，这种技术比以前认识到的更广泛地适用。临时逻辑AND可以应用于整数运算、模运算、旋转合成、量子傅里叶变换、肖尔算法、格罗弗神谕和许多其他电路。由于T门在基于表面码的量子计算的成本中占主导地位，并且临时逻辑AND广泛适用，因此这代表了量子计算的预计成本的显著降低。除了我们的n位加法器，我们提出了一个n位控制加法器电路的T计数为8n + O（1），一个临时加法器，可以计算相同的成本作为正常的加法器，但其结果可以保持，直到它是以后不计算，而不使用T门，并讨论了一些其他的结构，其T计数的临时逻辑与改善。
2018-06-13 quant-ph
Two-Gate Extensions of Free Axis and Free Quaternion Selection for Sequential Optimization of Parameterized Quantum Circuits
Aalto University（阿尔托大学）
本文提出双门扩展的自由轴选择（TGF）和自由四元数选择（TGFQS），通过构建精确的四次局部成本函数同时优化两个参数化单量子比特门，实验表明其在多个任务中比单门方法更高效。
2026-03-26 quant-ph
Superposition States on Different Axes of the Bloch Sphere for Cost-Effective Circuits Realization on IBM Quantum Computers
提出利用布洛赫球Y轴与IBM原生sqrt(X)门制备叠加态，替代Hadamard门，确保编译后量子电路成本更低。
2023-11-15 quant-ph
On the CNOT-cost of TOFFOLI gates
三输入TOFFOLI门是量子数据上的经典逻辑运算的电路合成的主力，例如，可逆算术电路然而，在物理实现中，TOFFOLI门被分解为六个CNOT门和几个单量子位门。虽然这种分解已经知道了至少10年，我们在这里提供的第一个证明其hocT最优。我们研究了包含少于6个CNOT门的三量子比特电路，并实现了一个块对角算子，然后证明了它们隐含地描述了相关算子的余弦-正弦分解。利用这种分解的规范性来限制出现在相应电路中的单量子比特门，我们证明了TOFFOLI的n量子比特模拟需要至少2n个CNOT门。此外，我们的结果提供了一个完整的分类的三量子位对角运营商的hocT成本，即使辅助量子位可用。
2008-03-15 cs.ET quant-ph
A unified framework for magic state distillation and multi-qubit gate-synthesis with reduced resource cost
Department of Physics & Astronomy, University of Sheffield（谢菲尔德大学物理与天文学系）
本文提出一种统一框架，通过单步实现魔态提纯和多量子比特门合成，减少资源消耗，适用于包含控制-控制-Z门的电路，如Shor算法中的加法器。
2026-04-30 quant-ph
GALA-n: Generic Architecture of Layout-Aware n-Bit Quantum Operators for Cost-Effective Realization on IBM Quantum Computers
提出GALA-n量子算子通用架构，利用布洛赫球视觉设计，降低IBM量子计算机上n位算子的转译量子成本，优于传统Toffoli门构建的算子。
2023-11-12 quant-ph
Efficient Implementation of Multi-Controlled Quantum Gates
本文提出多受控量子门的高效实现，覆盖酉、特殊酉和多受控 Toffoli 门及全连接与 LNN 架构，将 Clifford+T 电路成本优化为线性并显著降低错误。
2025-03-18 quant-ph
Reduced constant-cost implementations of Clifford operations using global interactions
本文提出利用全局纠缠门以常数代价实现任意长度 Clifford 及 CNOT 序列，无需辅助比特，并给出高效编译算法。
2025-10-15 quant-ph
Decomposition of bipartite and multipartite unitary gates into the product of controlled unitary gates
证明了$d_A\times d_B$系统（$d_A\ge 2$）上的任何酉算子都可以分解为至多$4d_A-5$控制的酉算子的乘积.当$d_A$是2的幂时，该数目可以减少到$2d_A-1$。我们还证明了三个控制幺正可以实现一个二分复置换算子，并讨论了连接到一个类似的结果在经典可逆电路。进一步证明了空间$\mathbb{C}^{d_1}\otimes...\otimes\mathbb{C}^{d_n}$上的任何$n$ -partite酉门都是至多由$[2\prod^{n-1}_{j=1}(2d_j-2)-1]$控制的酉门的乘积，其中每个酉门都是由$n-1$系统控制的.对于$n=4$，该数量可以进一步减少。我们还将任何二分酉分解为一个简单类型的二分门和一些局部酉的乘积。我们推导出独立于维度的上界的hocT门成本或纠缠成本的二分置换酉（与帮助的辅助固定大小）作为施密特秩酉的函数。结果表明，在一个简单的协议，这样的成本有关的对数秩猜想在通信复杂性理论通过非负秩的链接。
2015-03-18 quant-ph
Characterization of non-local gates
当两个量子比特被某种哈密顿相互作用耦合时，会发生非定域幺正变换。在这里，我们的特点是数量，作为衡量的时间，相互作用所需的执行两个量子位门，当也任意快，本地酉变换可以应用于每个量子位。交互所需的最小时间或交互成本定义了门的非局部性程度的操作概念。基于这个概念，我们刻画了一个偏序结构。我们还调查了几个通信任务的交互成本，并确定哪些门能够完成它们。这将两个量子比特门分为四类，不同的是它们传输经典信息和量子信息的能力。
2002-10-07 quant-ph
A new local invariant for quantum gates
本文研究了双量子比特门的性质。我们回顾了两个量子比特门的局部等价类的最常见的参数化和它们之间的连接。然后，我们引入了一个新的离散局部不变量，即一个门可以绑定的局部自由度的数量。这个不变量的值是解析计算的两个量子比特门的所有本地等价类。我们发现几乎所有的双量子比特门都可以绑定全部六个局部自由度，并且在这个意义上比只能绑定四个局部自由度的受控非门更有效。
2005-03-16 quant-ph
Energetic cost of Hamiltonian quantum gates
兰道尔原理为现代信息热力学的发展奠定了主要基础。然而，在其最初成立的原则依赖于半形式的论点和耗散动力学。因此，兰道尔原理是否以及如何应用于么正量子计算并不明显。在这里，我们证明了一个不等式约束的变化，香农信息编码的逻辑量子态通过量化的能量成本的哈密顿门操作。这个界限的效用是通过概述它如何可以应用于确定能量最佳的量子门的理论和实验证明。通过讨论具有非相互作用量子比特的量子纠错码（如Shor码）的能量成本，得出了分析的结论。
2021-02-12 cond-mat.stat-mech quant-ph
Restless Tuneup of High-Fidelity Qubit Gates
我们提出了一种量子比特门的调谐协议，与传统的依赖于能量弛豫的量子比特初始化方法相比，具有十倍的加速比。这种加速是通过构建一个成本函数Nelder-Mead优化从实时相关的非爆破测量交错门操作没有暂停。在transmon量子比特上应用该协议在一分钟内实现了0.999的平均Clifford保真度，这是使用随机基准测试和门集断层扫描独立验证的。成本函数的可调灵敏度允许以几乎恒定的信噪比检测门误差的分数变化。所展示的不安分的概念可以很容易地扩展到两个量子比特门和测量操作的调整。
2016-11-15 quant-ph
A Classical-Quantum Adder with Constant Workspace and Linear Gates
本研究解决了经典-量子加法器能否达到与量子-量子加法器相同渐近复杂度的开放问题，构建了两种不同辅助量子比特配置的低代价经典-量子加法器，并证明受控版本无需额外资源。
2025-07-30 quant-ph
Entangling power and local invariants of two-qubit gates
我们展示了一个简单的关系连接纠缠功率和本地不变量的两个量子比特门。从这个关系出发，得到了门具有相同纠缠功率的一般条件。这种关系也有助于找到完美纠缠的纠缠功率的下限，从那里得到的分类门的完美和非完美纠缠的局部不变量。
2010-09-07 quant-ph
Optimal local implementation of non-local quantum gates
本文研究了在分布式量子计算机中实现非局域量子门所需的最小资源。经典的通信要求和纠缠消耗进行了研究。我们目前的最低资源需求和一些重要的门，包括CNOT和Toffoli门的最佳程序的一般声明。我们表明，在每个方向上的一个比特的经典通信是必要的和足够的非本地实现的量子CNOT，而在一般情况下，在每个方向上的两个比特是需要一个通用的两比特量子门的实施。特别是，状态交换器需要这个最大的经典通信开销。扩展这些想法，多方门。
2003-06-25 quant-ph
Generalised Circuit Partitioning for Distributed Quantum Computing
本文提出一种基于图的分布式量子计算电路划分方法，联合优化门与态传送成本，利用遗传算法在平均e-bit成本和时间扩展上超越现有方法。
2025-01-20 quant-ph
SPulseGen: Succinct pulse generator architecture maximizing gate fidelity for superconducting quantum computers
本文提出SPulseGen，一种高性价比的射频脉冲发生器架构，通过将电路和波形简化为成本感知的方波脉冲并优化波形，在大幅降低存储和模拟电路要求的同时，实现了与理想射频脉冲相当的门保真度，消除了可扩展量子计算机的AWG障碍。
2024-01-09 quant-ph
Equivalence of cost concentration and gradient vanishing for quantum circuits: An elementary proof in the Riemannian formulation
该研究在量子电路优化的黎曼表述中，通过初等推导证明代价函数单门方差与黎曼单门梯度方差严格等价，明确梯度衰减与代价变化相伴，指出贫瘠高原问题无法用无梯度方法规避。
2024-09-11 quant-ph
An analysis of reversible multiplier circuits
乘法器电路在可逆计算中起着重要的作用，它在低功耗CMOS设计、光学计算、DNA计算和生物信息学等领域都有着重要的应用。在这里，我们提出了一种新的可逆乘法器电路与优化的硬件复杂度。优化乘法器电路进行了比较与早期的建议。我们已经表明，量子成本的早期建议，可以进一步减少与现有的局部优化算法（例如模板匹配，移动规则和删除规则）的帮助下。提出了一种降低量子代价的系统协议。它也已被证明，在门数的优势，在一些较早的建议，通过引入新的可逆门是一个人工制品，如果它是允许的，那么每个电路块可以减少到一个单一的门。此外，它表明，4 × 4可逆门提出的乘法器电路（全加器）的一个组成部分的设计既不是唯一的，也不是特殊的，许多这样的4 × 4门可能会被建议。作为例子，三个这样的新的门已在这里，它表明，建议的门是通用的。它还表明，我们的设计的总成本是最小的。
2009-07-20 quant-ph
On the local equivalence of trapped-ion two-qudit gates
P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所）；Russian Quantum Center（俄罗斯量子中心）；Steklov Mathematical Institute of Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院斯捷克洛夫数学研究所）
通过变换门矩阵的奇异值推导出双量子门局部等价的必要条件，并应用于离子阱中Molmer-Sorensen门和Light-Shift门的局部等价性分析。
2026-06-02 quant-ph
Experimental Demonstration of Non-local Controlled-Unitary Quantum Gates Using a Five-qubit Quantum Computer
在分布式量子计算机中，非局域量子门的局域实现是必不可少的。在这里，我们展示了非本地实现的控制酉量子门提出的Escherert等人。（Phys Rev A 62：052317，2000）使用五量子比特IBM量子计算机。我们通过量子态和工艺层析技术验证了实现的保真度和准确性。
2019-05-15 quant-ph
Non-Local Quantum Gates: a Cavity-Quantum-Electro-Dynamics implementation
与大型量子寄存器管理相关的问题可以在分布式量子计算的背景下处理：通过执行局部酉变换和交换经典通信来实现空间分离的局部处理器之间的酉非局部变换。在本文中，我们提出了一个通用的非局域量子门，如受控$\gate{NOT}$（$\cnot$）和受控量子相位门（$\gate{CQPG}$）的实现方案。我们所选择的物理实现系统是由两个空间分离的微波腔和两个囚禁的里德伯原子形成的腔量子电动力学（CQED）系统。我们描述了实现执行特定非本地操作所需的每个步骤所需遵循的程序。
2003-02-08 quant-ph
Five Two-Qubit Gates Are Necessary for Implementing Toffoli Gate
在本文中，我们解决了长期以来的开放问题的最小成本的两个量子比特门模拟Toffoli门。更准确地说，我们证明了五个两量子比特门是必要的。在我们的工作之前，人们知道五个门是足够的，并且只收集了数字证据，表明五个门的实现是必要的。这里介绍的思想也可以用来解决Deutsch在1989年提出的三量子比特控制相位的最优模拟问题。
2013-01-15 quant-ph
Rooted-tree network for optimal non-local gate implementation
一个一般的量子网络实现非本地控制酉门，远程方之间以最小的纠缠成本，被证明是一个有根树结构。从一个五党的情况下，我们展示了本地实现的同时控制埃尔米特和多方控制酉门在任意n方网络。以前建立的网络被证明是这个一般结构的特殊情况。
2015-07-23 quant-ph
Locally observable conditions for the successful implementation of entangling multi-qubit quantum gates
从量子门对仅两组互补输入态的操作获得的信息足以估计门的量子过程保真度。在纠缠门的情况下，这些条件可以用来预测多量子比特纠缠能力从两个非纠缠本地操作的并行性。然后，可以预测门的高度非经典特征，例如从两个完全经典的输入输出关系的相似性中违反局部实在论，而不会产生任何实际的纠缠。
2005-09-01 quant-ph
Optimal Construction of Two-Qubit Gates using the Symmetries of B Gate Equivalence Class
Vellore Institute of Technology（维洛尔理工学院）
本文利用B门等价类的对称性，发现仅该等价类具有逆和镜像两种对称性，并找到一参数族可构造通用两比特量子电路，仅需两个非局部门。
2026-06-08 quant-ph
Conditions for optimal construction of two-qubit non-local gates
量子门的优化实现是量子计算机设计的关键。得到了两量子比特幺正操作的最优构造的必要条件。可以证明，B门是唯一的门，可以构造一个两个量子比特通用电路只有两个应用，即这个条件也是充分的情况下，两个应用的基本两个量子比特门。研究还表明，一半的完美纠缠子不能模拟任意的两比特门，只有3个应用程序。
2004-11-09 quant-ph
Time-optimal Hamiltonian simulation and gate synthesis using homogeneous local unitaries
出于实验的局限性，通常遇到的固态量子计算机的设计，我们研究的问题，非本地哈密顿模拟和非本地门合成时，只有均匀的本地幺正进行，以定制可用的相互作用。均匀（即所有子系统相同）的局部操作意味着一个更精细的分类相互作用哈密顿比非均匀的情况下，以及在哈密顿模拟的普遍性损失。对于对称双量子比特相互作用的情况下，我们提供了时间最优的协议，哈密顿模拟和门综合。
2002-03-04 quant-ph
Robust gate design for large ion crystals through excitation of local phonon modes
提出了一种适用于大离子晶体的纠缠量子门的可扩展设计方案，该方案具有以下特点：1）门设计具有通用性，适用于任意尺寸的大离子晶体; 2）门没有速度限制，可以在Lamb-Dicke区之外工作; 3）门可以由连续或脉冲激光驱动; 4）该门对激光相位的缓慢变化不敏感，并在离子运动的热态下工作; 5）在真实的实验参数下，本征门失真可以降低到远低于容错量子计算阈值的水平。与以往的门方案不同，本文提出了一种基于离子局域振荡模而不是集体简正模驱动的门设计方案，并基于海森堡方程建立了一种处理Lamb-Dicke区外多体量子动力学的形式。
2022-07-11 quant-ph
Variational Quantum State Diagonalization
变分混合量子经典算法是近期在量子计算机上实现的有希望的候选者。在这些算法中，量子计算机评估门序列的成本（与经典成本评估相比具有加速），并且经典计算机使用此信息来调整门序列的参数。在这里我们提出了这样一个算法的量子态对角化。状态对角化在凝聚态物理中有应用（例如，纠缠光谱学）以及机器学习（例如，主成分分析）。对于一个量子态$ρ$和门序列$U$，我们的成本函数量化了$ UρU^{\dagger}$离对角线有多远。我们引入新的短深度量子线路来量化我们的成本。最小化该成本将返回近似对角化$ρ$的门序列。然后可以读出$ρ$的最大特征值和相关特征向量的近似值。作为原理证明，我们在Rigetti的量子计算机上实现了我们的算法，以对角化一个量子比特状态，并在模拟器上找到海森堡模型基态的纠缠谱。
2019-06-26 quant-ph
Efficient encoding of the 2D toric code logical state using local Clifford gates
提出一种仅用局域 $CX$ 和 $H$ 门、深度 $2L+1$ 的电路高效编码二维环面码逻辑态的算法。
2025-10-16 quant-ph
Fault-Tolerant Quantum Computation with Local Gates
我讨论如何执行容错量子计算的级联码使用本地门在小的维度数。我表明，阈值结果仍然存在于三个，两个或一个维度时，下一个最近的邻居门可用，并提出明确的建设。在二维或三维中，我还展示了最近邻门如何给出阈值结果。在所有情况下，我只是证明存在阈值，而不试图优化纠错电路或确定阈值的确切值。由于在空间和时间上的容错而产生的额外开销是每个逻辑门的错误率的多对数。
1999-03-30 quant-ph
Atomic Interferometer Gates Realization via Quantum Optimal Control
原子干涉仪具有两个量子幺正门，必须实现原子重力仪和原子干涉仪陀螺仪的量子传感目的。定义了一个定义两个幺正算子之间距离的最优代价函数，并在此基础上推导了一种基于脉冲的随机梯度下降算法，用于实现原子镜和原子分束器门。通过对这些门的实现采用数值优化控制，我们分别实现了反射镜门和分束器门的0.995和0.998的门保真度。在这项研究中，采用了二能级原子钟跃迁。
2021-12-26 quant-ph
Efficient Experimental Verification of Quantum Gates with Local Operations
验证量子门的正确功能是实现可靠的量子信息处理的关键一步，但由于维数灾难，随着系统规模的增长，它成为压倒性的挑战。最新的理论突破表明，仅使用局部运算就可以用最佳样本复杂度$O(1/ε)$验证各种重要的量子门，其中$ε$是估计精度。在这项工作中，我们提出了一个变种的量子门验证（QGV），这是强大的实际门的缺陷，并在实验上实现了有效的QGV的两个量子位控制非门和三个量子位Toffoli门仅使用本地状态的准备和测量。实验结果表明，通过平均仅使用1600和2600个测量，我们可以以95%的置信水平验证所实现的受控非门和Toffoli门分别具有至少99%和97%的正确性。我们的工作证明了QGV优越的低样本复杂性和实验可行性，有望解决量子时代验证大型量子器件的维数灾难。
2021-07-06 quant-ph
Flow-Based Lattice Surgery Optimization with Runtime T Gate Scheduling
University of Central Florida（中佛罗里达大学）；University of Wisconsin - Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
FlowRouter是首个将克利福德路由与随机魔法态培育整合进三维嵌入的拓扑晶格手术编译器，通过最大流同时路由整层门，并引入延迟机制处理随机性，显著降低时空体积并提升编译速度。
2026-09-22 quant-ph
Implementation of local and high-fidelity quantum conditional phase gates in a scalable two-dimensional ion trap
我们提出了一个方案，以实现高保真度条件相位门对被困离子浸没在一个二维库仑晶体，利用所有轴向模式介导的相互作用，没有边带寻址。通过数值计算表明，通过对激光束进行整形，仅能激发局域模实现纠缠门，从而使量子门的复杂度不随系统尺寸的增加而增加。这些结果为在二维陷阱结构中实现大规模容错量子计算提供了一种有希望的途径。
2009-11-10 quant-ph
Scalable fast benchmarking for individual quantum gates with local twirling
随着可控量子系统的发展，快速、实用的多量子比特门表征对于构建高保真量子计算器件至关重要。通过随机基准测试来满足这一要求的通常方法需要复杂地实现许多多量子位旋转门。如何有效可靠地估计量子过程的保真度仍然是一个悬而未决的问题。在这项工作中，我们提出了一个字符周期基准测试协议和字符平均基准测试协议，只使用本地旋转门来估计单个多量子比特操作的过程保真度。我们的协议可以通过局域规范变换来刻画包括和超出Clifford群的一大类量子门，从而形成了量子计算的通用门集。我们数值演示了非Clifford门-控制- $(TX)$和Clifford门-五量子比特量子纠错编码电路的协议。数值结果表明，我们的协议可以有效地和可靠地表征门工艺的并行性。仿真结果表明，与交叉熵基准测试相比，特征平均基准测试在采样复杂度方面实现了三个数量级的改进。
2023-02-09 quant-ph
Quantum gates via continuous time quantum walks in multiqubit systems with non-local auxiliary states
非局域高能辅助态已成功用于不同量子计算系统中的量子位对纠缠。通常，需要更长跨度的非局部状态或顺序应用少数量子位纠缠门来产生非平凡的多量子位门。在许多情况下，跨越整个系统的单个非局部状态由于频谱拥挤而难以使用或不可能具有。与此同时，许多多量子比特系统可以自然地发展出一个由多个非局域高能态组成的网络，每个非局域高能态跨越几个量子比特。我们表明，连续时间量子行走可以用来解决这个问题，涉及多个这样的状态，同时执行本地和纠缠操作的许多量子位。这引入了基于可用物理资源的多量子比特门压缩的替代方法。我们制定这样的行走的一般要求，并讨论配置的非本地辅助状态，可以出现在量子计算架构的基础上，自组装量子点，钻石中的缺陷，超导量子位，作为例子。具体来说，我们讨论了一个可扩展的多量子比特量子寄存器构造为一个最近邻相互作用的单链。我们说明了如何量子行走可以配置为执行单，两个和三个量子比特门，包括阿达玛，控制非，和Toffoli门。研究了这些门所涉及的图上的连续时间量子行走。
2017-05-01 quant-ph
