Quantum Processors and Controllers
本文提出了一种量子处理器和控制器的抽象理论，即定义在由控制子系统和被控子系统两部分组成的复合量子系统上的一种特殊的量子计算网络。这种方法在形式上不同于将量子控制看作是对使用某组哈密顿量或量子门的系统的某种外部影响的考虑。本文所讨论的可编程量子控制器模型是基于通用确定性量子处理器（可编程门阵列）的理论。这种量子器件可以模拟量子系统的任意演化，从而展示了通用量子控制的一个例子。关键词：量子，计算机，控制，处理器，通用
2003-05-25 quant-ph
A Digital Spreading Framework for Quantum Expectation Computation Without Rotation Gates or Arithmetic Circuits
Industrial Technology Research Institute（工业技术研究院）
本文提出数字扩展框架，通过修剪后的Cuccaro进位架构避免乘法运算，实现高精度的量子加权平均计算，实验显示其精度优于现有方法。
2026-04-07 quant-ph
Simulating quantum circuit expectation values by Clifford perturbation theory
本文提出基于海森堡绘景泡利项截断的克利福德微扰方法，用于高效近似大型近克利福德电路的期望值，并在QAOA基准上验证了其有效性及误差量化能力。
2023-07-11 quant-ph
Testing the context-independence of quantum gates
比如说，在量子计算机中的量子比特上执行的实际门可能不仅取决于我们编程来实现门的实际激光脉冲和电压，还取决于它的{ \em上下文}。例如，它可能取决于什么门刚刚被应用于同一个量子位，或者取决于一长串先前的激光脉冲已经加热了量子位的环境。本文分析了几种测试来检测这种上下文相关的错误（其中包括各种类型的非马尔可夫错误）。这些测试的一个关键特征是它们对状态准备和测量（SPAM）错误和门相关错误都是鲁棒的。由于上下文相关的错误预计在实践中是小的，它变得重要的是要仔细分析统计波动的影响，所以我们调查的权力和精度的测试作为重复次数和门序列的长度的函数。从我们的测试中出现了一个重要的量：概率（相对频率）矩阵$\mathcal{P}.$的行列式（log-det）的对数出于这个原因，我们推导出log-det估计的概率分布，然后使用它来检查我们对各种单量子比特和双量子比特测量集和初始状态的测试性能。最后，我们强调了log-det和上下文无关操作的可逆性（酉性）程度之间的联系。
2020-12-02 quant-ph
Quantum algorithms for phase space tomography
提出了一种可用于量子态相空间层析成像的高效电路。电路评估单个值或选择的平均值的维格纳，柯克伍德和胡西米分布。这些量子门阵列可以通过初始化适当的计算状态来编程。胡西米电路依赖于一个子程序，这个子程序本身也很有趣：有效地准备一个相干态，这是哈珀哈密顿量的基态。
2003-10-20 quant-ph
Evaluating thermal expectation values by almost ideal sampling with Trotter gates
研究了有限温度下量子多体系统的模拟中，当初始采样态通过对随机相位乘积态（RPPS）应用Trotter门产生时的采样效率.我们限制Trotter门的应用数量与系统大小成正比，因此在容错量子计算机中可以很容易地完成准备。当特罗特门是从一个不可积的哈密顿量，我们观察到，采样效率随系统的大小。这种趋势意味着在足够大的系统中可以实现几乎理想的初始状态采样。我们还发现，在某些情况下，采样效率几乎等于一个典型的纯量子（TPQ）状态方法利用Haar随机采样。这些研究结果表明，混沌哈密顿动力学可以将RPPS转化为TPQ状态的替代品，用于评估热期望值。
2023-01-16 cond-mat.str-el quant-ph
An Architecture of Deterministic Quantum Central Processing Unit
提出了一种基于离散量子门集的量子中央处理器（QCPU）结构，该结构可以编程为确定性的n比特计算.它可以被有效地构建以实现具有任何所需精度的计算。QCPU使得用固定的通用硬件实现通用量子计算成为可能。因此，量子计算的复杂性可以放在软件而不是硬件中。
2003-08-23 quant-ph
Low Depth Virtual Distillation of Quantum Circuits by Deterministic Circuit Decomposition
针对多量子比特期望值虚拟蒸馏中B门无法纠正噪声且可能破坏变分原理的问题，提出一种结合多投影的低深度确定性线路分解方法，在真实设备上有效缓解了VQE算法的实验噪声。
2024-08-19 quant-ph
Computationally Efficient Quantum Expectation with Extended Bell Measurements
通过朴素泡利测量评估任意可观测$A\in{\mathbb C}^{2^n\times 2^n}$的期望值需要评估大量项。我们使用基于Bell测量的方法来处理这个问题，我们称之为扩展Bell测量方法。该分析方法快速地将$4^n$矩阵元素组装成至多$2^{n+1}$组，用于在$O(nd)$时间内同时测量，其中$d$是$A$的非零元素的数目。当$A$是带矩阵时，组的数目特别小。当$A$的带宽是$k=O(n^c)$时，用于同时测量的组的数目减少到$O(n^{c+1})$。此外，当非零元素密集地填充频带时，方差为$O((n^{c+1}/2^n)\,{\rm tr}(A^2))$，与现有方法的方差相比是小的。所提出的方法需要几个额外的门为每个测量，即一个Hadamard门，一个相位门和最多$n-1$ CNOT门。在IBM-Q系统上的实验结果表明，与现有的最先进的方法相比，该方案的计算效率和可扩展性。代码可在https://github.com/ToyotaCRDL/extended-bell-measurements上获得。
2022-04-08 quant-ph
Deterministic multi-mode gates on a scalable photonic quantum computing platform
量子计算可以用许多不同的硬件平台和计算协议来实现。一个非常有前途的方法，以促进可扩展性是应用一个光子平台结合测量诱导的量子信息处理协议，其中门操作是通过光学测量实现的多体纠缠量子态-一个所谓的集群状态。目前，已经有几个非普适或不可扩展的簇态量子门被实现，但用于普适可扩展量子计算的全套量子门还没有实现。我们提出并证明了确定性实施的一组多模式的测量诱导量子门在一个大的二维（2D）光团簇状态使用相位控制连续变量正交测量。每个门被简单地编程到高效率的正交测量的相位，通过集群状态的隐形传态执行变换。使用这些可编程门，我们演示了一个小型的量子线路组成的10个单模门和2个双模门的三模输入状态。在此平台上，如果改善团簇态的纠缠度，并提供Gottesman-Kitaev-Preskill量子比特，容错的通用量子计算将成为可能.此外，它在电信波长下工作，因此可以在没有量子换能器的情况下进行网络连接。
2021-08-28 physics.optics quant-ph
Constructing a virtual two-qubit gate by sampling single-qubit operations
当量子线路的任务是计算观测值的期望值时，我们证明了某种非局域操作可以通过对一组具有准概率分布的局域操作进行采样来模拟。利用这个结果，我们描述了一种将两个量子比特门分解为一系列单量子比特操作的策略。所需的操作是量子位在泡利基中的投影测量，以及围绕x、y和z轴的$π/2$旋转。在$ε$的误差内获得目标可观测值的期望值所需的采样次数大致为$O(9^k/ε^2)$，其中$k$是执行的“切割”次数。所提出的技术使得能够在一对遥远的量子位之间执行“虚拟”门，其中没有直接的相互作用，因此否则不可避免地会有许多交换门。它也可以用来改进具有小尺寸量子设备的大型量子计算机的模拟，这是由[Peng，et al.，arXiv：1904.00102]。这项工作可以增强量子比特在近期噪声量子计算机上的连通性。
2021-01-06 quant-ph
A general statistical approach to quantum algorithms in a circuit model based on the expectation and standard deviation of each gate separately
本文提出一种基于统计的通用方法，利用每个量子门或门子序列的期望值与标准差构建量子态振幅来描述量子算法，并基于 Aharonov-Vaidman 恒等式提出一个允许切换态基的新恒等式。
2024-10-15 physics.comp-ph physics.data-an quant-ph
Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits
量子计算机可以比任何传统计算机更有效地解决某些问题。小量子算法已经在多个量子计算平台上得到了证明，许多量子计算平台专门在硬件中定制以实现特定算法或执行有限数量的计算路径。在这里，我们展示了一个五量子比特的捕获离子量子计算机，它可以在软件中编程，通过执行任何通用量子逻辑门序列来实现任意量子算法。我们将算法编译成一组完全连接的门操作，这些门操作是硬件固有的，平均保真度为98%。重新配置这些门序列提供了实现各种算法的灵活性，而无需改变硬件。作为示例，我们实现了Deutsch-Jozsa（DJ）和Bernstein-Vazirani（BV）算法，平均成功率分别为95%和90%。我们还对五个陷阱量子比特进行了相干量子傅里叶变换（QFT），用于相位估计和周期寻找，平均准确度分别为62%和84%。这种小型量子计算机可以在单个寄存器内扩展到更大数量的量子位，并且可以通过离子穿梭或光子量子信道连接几个这样的模块来进一步扩展。
2016-08-03 quant-ph
Arbitrary controlled-phase gate on fluxonium qubits using differential ac-Stark shifts
大规模量子计算促使双量子比特门方案的发明，其不仅最大化门保真度，而且消耗最少的资源。在超导量子比特的情况下，传输子的弱非谐性对门设计施加了深刻的约束，导致设备和控制协议的复杂性增加。在这里，我们展示了一个资源有效的控制强非谐波磁通量子比特的相互作用。也就是说，在一对电容耦合磁通量的非计算跃迁应用非共振驱动诱导$\textrm{ZZ}$ -相互作用，由于计算能级的不相等的ac-斯塔克位移。通过连续选择频率和幅度，驱动器可以消除静态$\textrm{ZZ}$项，也可以将其增加一个数量级，以启用具有任意编程相移的受控相位（CP）门。这些非Clifford操作的交叉熵基准产生子$1\%$误差，仅受不相干过程的限制。我们的结果表明，强非谐电路的优势，在设计下一代量子处理器的transmons。
2021-03-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Efficient expectation value estimation for quantum circuits via extended stabilizer frameworks and adaptive variance estimation
Seoul National University（首尔大学）；Korea Institute for Advanced Study（韩国高等科学研究院）
提出一种结合克利福德和与准概率稳定子模拟的框架，通过自适应方差估计终止模拟，将低方差区域样本复杂度从二次降为线性，并在随机电路和T掺杂电路中验证优势。
2026-09-15 quant-ph
A native measurement-based QAOA algorithm, applied to the MAX K-CUT problem
提出一种原生的基于测量的 MBQC-QAOA 算法，将其应用于适用于所有 K 值的 MAX K-CUT 问题，相比传统门模型转换方法资源成本最高降低 30 倍。
2023-04-07 quant-ph
Inverted-circuit zero-noise extrapolation for quantum gate error mitigation
针对零噪声外推需精确获知噪声放大因子的问题，提出通过追加反电路并测量初始态概率来估计电路错误强度，无需预先噪声表征，可提升近期量子硬件上的期望值计算准确性。
2024-10-10 quant-ph
Error-robust quantum logic optimization using a cloud quantum computer interface
我们描述了一个实验性的努力，设计和部署错误鲁棒的单量子位操作使用基于云的量子计算机和模拟层编程访问。我们设计了数字优化的脉冲，实现目标操作，并表现出鲁棒性的各种误差过程，包括失相噪声，控制幅度的不稳定性，和串扰。使用灵活的优化包进行脉冲优化，该优化包包含设备模型和物理相关约束（例如，容纳IBM Quantum硬件的稀释制冷机的传输线上的带宽限制）。我们提出了将物理哈密顿定义转换和校准为通过Qiskit Pulse编程的脉冲波形的技术，并将性能与五量子位设备上的硬件默认DRAG脉冲进行了比较。实验测量显示，默认的DRAG脉冲表现出比列表随机基准测量大一个数量级的相干误差;设计用于对这些误差鲁棒的解决方案在多个度量上优于所有量子位的硬件默认脉冲。实验测量表明性能增强高达：$\sim10\times$单量子位门相干误差减少; $\sim5\times$在五量子位系统上的平均相干误差减少; $\sim10\times$在校准窗口中增加到一周的有效脉冲校准; $\sim12\times$减少跨量子位和随时间的门误差可变性;以及在存在完全并行化操作的情况下单量子位门误差（包括串扰）的高达$\sim9\times$的减少。随机基准测试揭示了Clifford门的错误率，该门由与列表$T_{1}$限制一致的优化脉冲构建，并证明了与抑制相干错误相关的随机化结果分布的缩小。
2020-10-15 quant-ph
Experimental demonstration of a high-fidelity virtual two-qubit gate
本研究实验演示虚拟双量子比特门，通过电路中间测量实现投影门、确定性采样减少评估次数并结合量子误差缓解，将虚拟CZ门平均保真度提至0.9938±0.0002，为少比特量子模拟及远距双比特门实现提供实用方案。
2023-12-09 quant-ph
Gradient Analysis of Barren Plateau in Parameterized Quantum Circuits with multi-qubit gates
The University of Tokyo（东京大学）
本文提出了一种通用理论框架，用于分析多量子比特门构建的参数化量子电路的梯度特性，揭示了梯度方差与多量子比特门大小、量子比特数量、层数和有效参数的关系。
2026-02-05 quant-ph
Comparative Study of Quantum-Circuit Scalability in a Financial Problem
本文比较超导电路与离子阱量子系统在金融量子振幅估计任务中的可扩展性，发现1至19量子比特范围内离子阱凭借原生门与连接性可将双量子比特门需求降低2至3倍。
2024-04-07 quant-ph
Graybox characterization and calibration with finite-shot estimation on superconducting-qubit experiments
Graduate School of Media and Governance, Keio University Shonan Fujisawa Campus（庆应义塾大学湘南藤泽校区媒体治理研究生院）；Optical and Quantum Physics Laboratory, Department of Physics, Faculty of Science, Mahidol University（马希隆大学理学院物理系光与量子物理实验室）；Faculty of Environment and Information Studies, Keio University Shonan Fujisawa Campus（庆应义塾大学湘南藤泽校区环境信息研究学院）
采用灰盒方法（显式白盒模型加隐式深度神经网络黑盒模型）对超导量子比特进行表征和门优化，并分析了有限次测量对期望均方误差损失的影响。
2025-08-18 quant-ph
Application-Aware Benchmarking on NISQ Hardware using Expectation Value Fidelities
本文提出利用 Clifford 电路族和期望值保真度的低成本应用感知基准测试协议，可预测 NISQ 硬件上保真度随电路深度的变化，并评估量子误差缓解技术。
2025-03-18 quant-ph
Efficient fidelity simulation of high-rate magic distillation circuits
QuEra Computing Inc.（QuEra 计算公司）；Joint Center for Quantum Information and Computer Science, University of Maryland（马里兰大学量子信息与计算机科学联合中心）；Simons Institute for the Theory of Computing, University of California at Berkeley（加州大学伯克利分校西蒙斯计算理论研究所）；Institute for Theoretical Physics, ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院理论物理研究所）；Department of Physics, Harvard University（哈佛大学物理学系）
本文提出一种高效的经典模拟方法，用于基准测试含非克利福德门的容错电路，通过采样综合征统计量估计逻辑保真度，并应用于优化高比率魔法态蒸馏工厂。
2026-10-05 quant-ph
A programmable two-qubit solid-state quantum processor under ambient conditions
量子计算机利用物理状态的叠加和纠缠，在解决具有技术影响的问题方面可能优于经典计算机，例如分解大量数据和搜索数据库。量子处理器通过将可编程的门序列应用于量子比特的初始化状态来执行算法，该初始化状态相干地演变成包含计算结果的最终状态。虽然具有几个量子比特的量子处理器已经在多个量子计算平台上得到了展示，但是在环境条件下实现固态可编程量子处理器仍然是难以捉摸的。在这里，我们报告了一个可编程的量子处理器，可以编程与15个参数，实现任意幺正变换的两个自旋量子位在金刚石的氮空位（NV）中心。我们实现了Deutsch-Jozsa和Grover搜索算法，平均成功率超过80%。这种可编程的双量子位处理器可以形成大规模量子处理器的核心组件，这里使用的方法适用于这样的设备。
2018-08-17 quant-ph
Average-computation benchmarking for local expectation values in digital quantum devices
Dipartimento di Fisica e Astronomia G. Galilei, Università di Padova（帕多瓦大学伽利略物理与天文学系）；Padua Quantum Technologies Research Center, Università degli Studi di Padova（帕多瓦大学帕多瓦量子技术中心）；Max Planck Institute of Quantum Optics（马克斯·普朗克量子光学研究所）；Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST)（慕尼黑量子科学与技术中心）
本文提出了一种新的基准测试方法，通过结合目标计算和其变体，利用平均后的经典可解相关函数来评估整个计算的质量，同时保留电路结构和深度，能检测超越Clifford基准测试的噪声。
2026-04-02 cond-mat.stat-mech quant-ph
Parallel Quantum Hough Transform
针对已知量子算法难以可靠执行的问题，提出可在量子计算机上执行的并行量子霍夫变换（PQHT）算法，利用可编程RZ旋转门和量子逻辑门设计并行旋转阶段，并在IBM Q System One上成功运行以验证其概念。
2023-11-15 eess.IV quant-ph
Thermofield qubits, generalized expectations and quantum information protocols
热场动力学（TFD）方法是一种处理有限温度量子态的实时量子场方法，它是有限温度下通常的密度算符形式的一种纯化形式。在量子信息领域，时间有限差分法是一个很有前途的方向，可以用来处理量子比特的热效应，也可以用来处理高斯态。在这里，我们提出了一个广义的TFD平均期望的情况下的热场量子比特考虑门算子的作用。我们提出了包含热场态的量子隐形传态方案，考虑了热-热和热-非热传输的情况。特别是，我们讨论的情况下，爱丽丝和鲍勃是在不同的温度。还讨论了门算子对温度场的Mandel参数和Gibbs类密度算子的作用。在TFD的无克隆和非广播定理也被认为是和叠加的热场状态和地图连接在不同温度下的热场真空的情况下也解决和相关的亚稳态和非平衡的情况下。
2015-02-11 hep-th quant-ph
A Programmable True Random Number Generator Using Commercial Quantum Computers
提出一种在商用门模型量子计算机上实现可编程真随机数生成器（TRNG）的自动化方法，通过编译工具根据用户指定的概率质量函数生成优化的OpenQASM量子电路，实验验证了其多比特随机性生成能力。
2023-04-07 quant-ph
Simulating nonnative cubic interactions on noisy quantum machines
作为通用计算机器的一个里程碑，我们证明了量子处理器可以被编程来有效地模拟硬件不固有的动态。此外，在没有纠错的噪声设备上，我们表明，当使用模块化门而不是一组受限的标准门来编译量子程序时，模拟结果得到了显着改善。我们通过解决一个立方相互作用问题，这出现在非线性光学，规范理论，以及等离子体和流体动力学的一般方法。为了对非本机哈密顿演化进行编码，我们将Hilbert空间分解为不变子空间的直和，其中非线性问题映射到有限维哈密顿模拟问题。在一个三态的例子中，所得到的幺正演化是由~20个标准门的乘积实现的，使用它可以在最先进的量子硬件上进行~10个模拟步骤，然后结果被退相干破坏。相比之下，当酉进化实现为单个立方门时，模拟深度提高了一个数量级以上，该立方门直接使用最优控制进行编译。或者，也可以通过内插控制脉冲来编译参数门。由此获得的模块化门为量子哈密顿模拟提供了高保真度的构建块。
2021-02-13 physics.comp-ph physics.plasm-ph quant-ph
Realization of fast all-microwave CZ gates with a tunable coupler
高保真双量子比特量子门的发展对数字量子计算至关重要。本文提出并实现了一种基于可调谐耦合器的超导量子比特系统中的耦合强度调制的全微波参量控制Z（CZ）门。通过对可调谐耦合器和控制脉冲的优化设计，实验上实现了保真度为99.38%，控制误差为0.1%的100 ns CZ门，$ \pm$ 0.34%。我们注意到，我们的CZ门不受脉冲失真的影响，并且不需要脉冲校正，{为动态量子反馈电路中的实时脉冲生成提供解决方案}。我们的全微波控制方案有望在未来通过频率复用来减少控制线的数量，为高集成度的量子硬件设计绘制了蓝图。
2022-02-14 quant-ph
Metropolis-style random sampling of quantum gates for the estimation of low-energy observables
我们提出了一个量子算法来计算低能量的期望值的量子哈密顿量通过采样的配分函数与平均能量的哈密顿量。对于任何给定的量子线路-哈密顿对，都存在一个相关联的平均能量。采样是通过电路本身的量子门上的接受/拒绝Metropolis式算法完成的。从这些样本的电路的正则系综下计算的观测值外推从更高的能量到基态。
2022-02-10 hep-lat quant-ph
Disentangling magic states with classically simulable quantum circuits
The Abdus Salam International Center for Theoretical Physics (ICTP)（阿卜杜斯·萨拉姆国际理论物理中心）；T.C.M. Group, Cavendish Laboratory, University of Cambridge（剑桥大学卡文迪许实验室理论物理组）；DAMTP, University of Cambridge（剑桥大学应用数学与理论物理系）；Dipartimento di Fisica “E. Pancini”, Università di Napoli “Federico II”（那不勒斯费德里科二世大学E. Pancini物理系）
研究证明通过特定量子电路可高效解缠复杂状态，提出新的状态设计方法和电路压缩方案。
2025-12-08 quant-ph
Quantum expectation-value estimation by computational basis sampling
测量可观测量的期望值是变分量子算法的一个重要组成部分。一个实际的障碍是需要大量的统计收敛的测量，以满足精度的要求，如在应用于量子化学计算的化学精度。在这里，我们提出了一种算法来估计的期望值的基础上，其近似表达式作为一个加权和的经典的易于处理的矩阵元素与一些调制，其中的权重和调制因子的评估通过采样适当准备的量子态在量子计算机上的计算基础。这些状态中的每一个通过将由至多N个CNOT门组成的么正变换应用于其期望值被评估的目标量子态来准备，其中N是量子比特的数量。当目标量子态集中在特定的计算基态时，我们的算法预计需要比传统方法更少的测量来获得期望值所需的统计精度。我们提供的数值比较，我们的方法与现有的测量电子基态的能量（期望值的电子哈密顿量的最低能量状态）的各种小分子。数值结果表明，对于基态集中的分子，我们的方法可以减少几个数量级的测量次数，从而获得目标精度的基态能量。我们的结果提供了另一种途径来测量的期望值的观察，这可能会加速变分量子算法。
2022-09-05 quant-ph
Quantum mean value approximator for hard integer value problems
评估量子线路的期望值是一个经典的难题，称为量子平均值问题（QMV）。它用于优化量子近似优化算法和其他变分量子本征求解器。我们表明，通过使用近似值而不是精确期望值，可以大大改进这种优化。与高效的经典采样算法一起，具有最小门数的量子算法可以提高一般整数值问题的效率，例如本文研究的最短向量问题（SVP）。
2021-05-27 quant-ph
Realizing a quantum generative adversarial network using a programmable superconducting processor
生成对抗网络是一种新兴技术，在机器学习中有着广泛的应用，它在许多具有挑战性的任务中取得了巨大的成功，包括图像和视频生成。当配备量子处理器时，它们的量子对应物-称为量子生成对抗网络（QGAN）-甚至可能在某些机器学习应用中表现出指数优势。在这里，我们报告的QGAN使用可编程的超导处理器，其中发电机和超导体的参数化通过层的单和多量子位量子门的实验实现。编程的QGAN自动运行几轮具有量子梯度的对抗性学习，以实现纳什均衡点，其中生成器可以复制模拟训练集的数据样本。我们的实现是有希望的，以扩大到嘈杂的中等规模的量子器件，从而铺平了道路的实验探索量子优势在实际应用中与近期的量子技术。
2020-09-27 quant-ph
Scalable error mitigation for noisy quantum circuits produces competitive expectation values
现有量子处理器中的噪声只能近似实现理想量子计算。然而，这些近似值可以大大改善的误差缓解，为计算的期望值，如小规模的实验演示。然而，这些方法的实际规模更大的系统尺寸仍然未知。在这里，我们展示了零噪声外推的实用程序相关的量子线路使用高达26量子位，电路深度为60，和1080 CNOT门。我们研究的缩放的方法的典型例子的产品状态和纠缠Clifford电路的大小增加，并将其扩展到淬火动力学的2-D伊辛自旋晶格与不同的耦合。我们发现，通过额外的误差抑制技术和本机门分解，减少电路时间的误差缓解的功效大大提高。通过结合这些方法，我们证明了淬火动力学的近似量子模拟的准确性，超过了从最先进的2-D张量网络方法获得的经典近似。这些结果揭示了一条通往相关量子优势的途径，即噪声、数字、量子处理器。
2021-08-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Verification of Recursively Defined Quantum Circuits
本文提出一个用于验证递归定义量子电路正确性的证明系统，并证明其可靠性与相对完备性，通过多个应用实例展示了其有效性。
2024-11-06 cs.LO cs.PL quant-ph
Monolithic Integration of Quantum Resonant Tunneling Gate on a 22nm FD-SOI CMOS Process
量子计算技术的激增推动了建造实用量子计算机的竞赛。创新的范围很广，涵盖了这项技术的许多方面，例如量子位、控制和检测机制、低温电子学和系统集成。这些新兴技术中的一些已经准备好成功地将低温电子学与量子比特所在的量子结构进行单片集成。在这项工作中，我们提出了一个完全集成的量子处理器单元，其中量子核心与控制和检测电路位于同一芯片上，采用GlobalFoundries的商业22 nm FD-SOI工艺。在这项工作中描述的系统包括一个二维（2D）240量子位阵列集成8个探测器和32个注射器在3 K和两级Gifford-McMahon制冷机内运行。每个检测器和进样器的功耗分别为1 mW和0.27mW。控制序列被编程到片上模式发生器中，该发生器充当Quantum处理器单元中所有硬件的命令和控制块。使用上述装置，我们对2D量子比特阵列中的两个量子比特进行了量子共振隧穿实验。通过支持实验室测量，我们证明了所提出的架构在将现有量子核扩展到数千个量子位方面的可行性。
2022-02-04 cs.SY eess.SY quant-ph
Universal programmable photonic architecture for quantum information processing
提出了一种可制备任意量子态和算符的量子可编程门阵列（QPGA）的光子集成电路结构。该体系结构由相位调制马赫-曾德尔干涉仪和嵌入式量子发射器组成，马赫-曾德尔干涉仪在路径编码的光子量子比特上执行旋转，嵌入式量子发射器使用双光子散射过程来实现相邻量子比特之间的确定性受控$σ_z$操作。通过适当地设置晶格内的相移，该器件可以被编程为实现任何量子线路而无需硬件修改。我们提供的算法，准确地准备任意的量子态和运营商的设备上，我们表明，基于梯度的优化可以训练一个模拟的QPGA自动实现高度紧凑的近似重要的量子线路与近统一的保真度。
2019-10-22 physics.optics quant-ph
Superrobust Geometric Control of a Superconducting Circuit
绝热量子演化过程中的几何相位具有抗噪声的特性，可以用来构造量子信息处理的鲁棒量子控制。沿着这条线的一个重要发展是构造几何门使用非绝热量子演化，以减少由于退相干的错误。然而，它已被证明，非绝热几何门不一定比动态的更强大，在一个直观的预期。在这里，我们对非绝热完整量子计算~（NHQC）的情况下的这个问题进行了实验研究，并表明传统的NHQC方案不能保证预期的鲁棒性，由于交叉耦合到计算空间之外的状态。我们实现了一套不同的约束门建设，以抑制这种交叉耦合，以实现增强的鲁棒性。使用超导量子线路，我们展示了高保真完整门，其对准静态横向误差的不保真度可以被抑制到四阶，而不是在传统的NHQC和动态门的二阶。此外，我们明确地测量由于上述交叉耦合的累积动力学相位，并验证它确实是大大减少在我们的NHQC计划。我们进一步展示了一个协议，用于构建两个量子位NHQC门也具有增强的鲁棒性。
2021-12-10 quant-ph
Evaluating analytic gradients on quantum hardware
近期量子计算的一个重要应用在于优化任务，应用范围从量子化学和药物发现到机器学习。在许多设置-最突出的是在所谓的参数化或变分算法-目标函数是混合量子经典处理的结果。为了优化该目标，可以使用量子线路相对于门参数的精确梯度。本文展示了如何使用相同或几乎相同的架构来估计量子测量的期望值的梯度，该架构执行原始电路。它概括了以前基于量子位的平台的结果，并提出了计算连续变量电路的梯度的配方。有趣的是，在许多重要的情况下，当移动单个门参数以获得梯度的相应分量时，运行原始量子线路两次就足够了。更一般的情况下，可以解决的条件下，一个单一的门上的一个辅助。
2018-11-27 quant-ph
Gate-free state preparation for fast variational quantum eigensolver simulations: ctrl-VQE
变分量子本征求解器（VQE）是目前在近期量子计算机上求解电子结构问题的旗舰算法。这种混合量子/经典算法涉及在量子硬件上实现一系列参数化门以生成目标量子态，然后测量分子哈密顿量的期望值。由于有限的相干时间和频繁的门错误，可以实现的门的数量在当前的量子设备上仍然有限，从而阻止了对具有显著纠缠的系统（例如强相关分子）的精确应用。在这项工作中，我们提出了一种替代算法（我们称之为ctrl-VQE），其中用于状态准备的量子线路被完全移除，并由量子控制例程取代，该量子控制例程变化地形成脉冲以驱动初始Hartree-Fock状态到完全CI目标状态。与VQE一样，优化的目标函数是量子比特映射分子哈密顿量的期望值。然而，通过去除量子线路，状态准备所需的相干时间可以通过直接优化脉冲而大幅减少。我们证明了这种方法的潜力数值直接优化脉冲形状，准确地模拟氢分子（共价键）和氦氢化物离子（离子键）的解离曲线，我们计算单点能量LiH与四个transmons。
2021-05-11 cond-mat.str-el physics.chem-ph quant-ph
Decomposition of Multi-Qubit Gates for Circuit Cutting
Corporate Laboratory, Toshiba Corporation（东芝公司企业实验室）；Human Genome Center, The Institute of Medical Science, The University of Tokyo（东京大学医学科学研究所人类基因组中心）
本文提出一种减少电路切割采样开销的方法，通过调整多量子位门的分解策略，引入少量辅助量子位以降低采样需求。
2026-03-27 cs.ET quant-ph
Designing a Machine Learning-Driven, Cross-Hardware Emulator for Noisy Quantum Computers with Gate-Based Protocols
Institute of High Performance Computing (IHPC), Agency for Science, Technology and Research (A*STAR)（高性能计算研究所，科学技术研究局）；Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano（米兰大学物理系）；INFN, Sezione di Milano（意大利国家核物理研究所，米兰分部）；Theoretical Physics Department, CERN（欧洲核子研究中心理论物理部）；Quantum Research Center, Technology Innovation Institute（技术创新研究所量子研究中心）
本文提出了一种基于机器学习的跨硬件模拟器，用于模拟具有门协议的嘈杂量子计算机，通过监督学习训练数据预测噪声模型，从而提高量子程序的优化和调试效果。
2026-05-19 quant-ph
Expectation Values from the Single-Layer Quantum Approximate Optimization Algorithm on Ising Problems
我们报告的能量期望值景观所产生的单层（$p=1$）量子近似优化算法（QAOA）时，被用来解决伊辛问题。的景观得到使用的分析公式，我们推导。该公式允许我们预测任何给定伊辛问题实例的景观，从而预测最佳QAOA参数，以使用单层QAOA来并行地解决该实例。我们已经验证了我们的分析公式，表明它准确地再现了最近的实验报告中公布的景观。然后，我们应用我们的方法来解决这个问题：如何以及单层QAOA能够解决大型基准问题的实例？我们使用我们的分析公式来计算最佳的能量期望值的基准MAX-CUT问题包含$7\,000$顶点和$41\,459$边缘。我们还计算了一般伊辛问题的最优能量期望值高达$100\,000$顶点和$150\,000$边。我们的研究结果提供了一个估计如何以及单层QAOA可以在量子计算机上运行数千量子比特的工作。除了提供性能估计时，使用最佳角度，我们能够使用我们的分析结果，调查在实践中运行QAOA时可能遇到的困难，为不同类别的伊辛实例。我们发现，根据伊辛哈密顿量的参数，期望值景观可能相当复杂，具有尖锐的特征，需要高度精确的旋转门，以便QAOA在量子硬件上以最佳方式运行。我们还提出了分析结果，解释了一些定性的景观特征，观察数值。
2022-09-23 quant-ph
Stable Self-Modulating Quantum Fast-Weight Programmers with Bounded Memory Gates
National Taiwan University（国立台湾大学）；Stevens Institute of Technology（史蒂文斯理工学院）；Seoul National University（首尔国立大学）；Brookhaven National Laboratory（布鲁克海文国家实验室）；Imperial College London（伦敦帝国理工学院）；Wells Fargo（沃尔士·法戈）
提出带界旧态调制规则的自调制量子快速权重编程器，消除长序列发散并提升鲁棒性，在量子动力学预测和电信活动预测任务上验证了其有效性。
2026-07-03 cs.AI cs.ET cs.LG
Universal Quantum Estimator
我们提出了一个简单的设备的基础上进行量子态断层扫描控制交换门。它还可以用来确定最大和最小本征值，任意观测量的期望值，纯度估计以及表征量子信道。该方案的优点是体系结构是固定的，执行的任务由输入数据决定。
2001-12-12 quant-ph
Readout Rebalancing for Near Term Quantum Computers
读出误差是近期中等规模量子计算机的重要噪声源。当一个量子位应该是0时，将它误测量为1的情况要比将一个量子位误测量为0的情况少得多。我们做了一个简单的观察，可以通过在执行测量之前应用目标X门来提高量子计算机的读出保真度。这些X门被放置成使得处于1状态的量子比特的预期数量最小化。经典的后处理可以消除X门的影响，从而使任何可观察值的期望值保持不变。我们表明，读出误差校正后的统计不确定性较小时，使用读出再平衡。的统计优势是电路和计算机相关的，并证明了$W$状态，格罗弗搜索，和高斯状态。当在激发态中具有许多量子比特的状态具有高概率时，统计精度的益处是最明显的（并且在某些情况下几乎是两倍）。
2020-10-15 quant-ph
Noise-resilient preparation of quantum many-body ground states
利用由几何局域门组成的大深度量子线路可以制备一定的量子多体基态。在存在噪声的情况下，局部期望值最多偏离正确值与噪声率相当的量。如果无噪声电路的动作（仅限于某些子系统）迅速混合局部可观测量，直到一个小的校正，就会发生这种情况。作为一个例子，给出了表面码的编码电路。
2017-02-28 quant-ph
Simulating quantum circuits with arbitrary local noise using Pauli Propagation
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）；Freie Universität Berlin（柏林自由大学）；Dahlem Center for Complex Quantum Systems, Freie Universität Berlin（柏林自由大学达勒姆复杂量子系统中心）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
本文提出一种多项式时间经典算法，用于高效模拟典型量子电路在任意非相干局部噪声下的可观测量期望值，通过Pauli路径方法证明了在高概率下截断策略可实现反多项式小的模拟误差。
2025-05-24 quant-ph
Optimal Parameter Configurations for Sequential Optimization of Variational Quantum Eigensolver
本研究针对变分量子特征求解器的单量子比特门序列优化，提出量化配置精度的C-cost度量，证明最小规模配置的等角线条件可达其下界，实验验证最优配置在多类VQE问题中效果最佳，可提升近期量子设备的PQC优化效能。
2023-03-13 quant-ph
Quantum Optimization with a Novel Gibbs Objective Function and Ansatz Architecture Search
量子近似优化算法（QAOA）是一种基于门的量子计算机的组合优化的标准方法。QAOA由量子线路结构的一个特殊的分析，以及选择电路变分参数的处方组成。我们建议对两者进行修改。首先，我们定义的吉布斯目标函数，并表明它是优于能量期望值作为目标函数在调整变分参数。其次，我们描述了一种近似结构搜索（AAS）算法，用于搜索QAOA附近的量子线路结构的离散空间，以找到更好的近似结构。将这些修改应用于完整图伊辛模型导致在使用更少的$33.3\%$两个量子位门的同时找到低能态的概率的$244.7\%$中值相对改善。对于二维网格上的伊辛模型，我们同样发现概率的$44.4\%$中值改善与两个量子位门的数量的$20.8\%$减少。这为量子优化算法的量子线路结构设计开辟了一个新的研究领域。
2020-04-07 quant-ph
Efficient solvability of Hamiltonians and limits on the power of some quantum computational models
我们考虑通过李代数理论定义的量子计算模型。在这些模型中，李代数量子门作用于指定的初始态，并在最后测量李代数元素的期望值。我们表明，这些模型可以有效地模拟在一个经典的计算机上的时间多项式的代数的维度，无论代数行为的希尔伯特空间的维度。类似的结果也适用于计算由门序列实现的运算符的期望值。我们介绍了李代数的广义平均场哈密顿量的概念，并表明它们是有效的（“确切”）可解的雅可比样对角化方法。我们的结果推广了早期的费米子线性光学计算，并提供了深入了解传统的量子计算模型的电源。
2006-01-04 cond-mat.other quant-ph
