Optimal control of entangling operations for trapped ion quantum computing
最优控制技术被应用于将酉量子操作分解为一系列单量子比特门和纠缠操作。为此，我们修改了一个梯度上升算法的耦合核自旋的分子系统，使其适用于囚禁离子量子计算。我们将酉操作分解成基于非线性集体自旋算子的纠缠门，并由全局自旋翻转和局部光移位门补充。除其他外，我们提供了受控非门和托弗利门的显式分解，以及一个简单的量子纠错协议。
2008-11-12 quant-ph
Non-unitary enhanced transfer efficiency in quantum walk search on complex networks
Aix-Marseille Université（艾克斯-马赛大学）
本文通过在搜索图中添加陷阱顶点，研究混合经典-量子游走的传输效率，发现非酉动力学可增强或降低传输，取决于拓扑和参数，并关联熵衰减率。
2025-10-17 cs.DS quant-ph
The Optimal Control Landscape for the Generation of Unitary Transformations with Constrained Dynamics
量子么正变换的可靠和精确产生对于实现诸如量子控制和量子信息处理等许多基本目标是必不可少的。先前的工作已经探索了生成这种酉变换的最优控制问题，作为量子控制景观上的表面优化问题，其被定义为用于实现作为控制变量的函数的期望酉变换的度量。结果发现，在非耗散和可控动力学的假设下，景观拓扑是无陷阱的，这意味着任何合理的优化启发式应该能够识别全局最优解。目前的工作是一个控制景观分析纳入特定的限制，对应于某些动力学对称性的基础物理系统中的哈密顿量。研究发现，这种对称性的存在并不破坏无陷阱拓扑。这些发现扩展了量子动力学系统的控制问题本质上是服从最优控制的解决方案。
2009-06-24 quant-ph
Controlled Unitary Operation between Two Distant Atoms
我们提出了一个方案，用于实现两个相距遥远的原子之间的控制幺正门直接通过量子传输线进行通信。为了实现我们的目标，只有一系列的几个相干脉冲施加到原子。因此，我们的方案不需要辅助原子量子比特。我们的方案的简单性可能会显着提高量子计算机的可扩展性的基础上捕获的中性原子或离子。
2005-11-10 quant-ph
Probing a dissipative phase transition with a trapped ion through reservoir engineering
耗散通常被认为是量子系统中幺正量子操作的有害效应。然而，已经表明，适当的耗散可以是量子信息和量子模拟中的有用资源。在这里，我们提出并实验模拟耗散相变（DPT）模型使用一个单一的被困离子与工程水库。我们表明，离子的空间振荡模式达到一个稳定的状态后，交替应用量子拉比模型下的幺正演化，哈密顿量和边带冷却的振荡器。用振荡模的平均声子数作为序参量，为DPT提供了依据。我们的工作突出了适用于模拟开放量子系统的囚禁离子，并将促进进一步调查的DPT与各种耗散条款。
2022-02-08 quant-ph
On extrema of the objective functional for short-time generation of single qubit quantum gates
在目前的工作中的极值的目标泛函的生成问题的量子门（量子计算的逻辑元素）的二能级系统的控制时间短的影响。考虑了局部极值而非全局极值的存在性问题，即所谓的陷阱问题。在之前的工作中，证明没有陷阱可以保持足够长的控制时间。在本文中，我们证明了几乎所有的目标酉算子和系统的哈密顿陷阱是不存在的任意小的控制时间。对于剩余的目标酉算子和哈密顿算子，我们得到了一个新的估计的控制持续时间的下边界，保证没有陷阱。
2019-09-27 quant-ph
Trapped ion quantum hardware demonstration of energy calculations using a multireference unitary coupled cluster ansatz: application to the BeH2 insertion problem
本研究利用多参考幺正耦合簇拟设的变分量子本征求解器，在离子阱量子硬件上计算BeH2强关联几何的基态能量，通过资源缩减大幅降低双量子比特门数并减少测量，能量损失仅2.69%。
2025-06-23 physics.atom-ph physics.chem-ph quant-ph
Quantum synthesis of arbitrary unitary operators
大自然为我们提供了一组有限的微观相互作用。问题是我们能否从这些基本相互作用中综合出一个任意的幺正算符。本文提出了一种构造性算法，用于实现任何作用在单玻色模（截断）Hilbert空间上的酉算子。特别是，我们考虑了一个物理实现的幺正变换作用于1维振动态的被困离子。作为一个例子，我们提出了一种算法，实现离散傅里叶变换。
1999-05-14 quant-ph
A simple trapped-ion architecture for high-fidelity Toffoli gates
我们讨论了一个简单的架构，量子Toffoli门实现使用三个被困离子。门，这在原则上可以实现一个单一的激光诱导操作，是有效的，而一般的条件下，是惊人的鲁棒性（在任何实验现实的范围内的值）对失相，加热和随机波动的哈密顿参数。我们提供了一个完整的表征酉和噪声影响的门使用三量子比特量子过程层析成像。
2010-12-08 quant-ph
Modular Quantum Computation in a Trapped Ion System
现代计算主要依赖于模块化架构，将复杂的算法分解为自包含的子程序。然后，客户端可以调用远程服务器，以通过应用程序编程接口（API）独立地实现部分计算。目前的API仅中继经典信息。在这里，我们实现了一个量子API，使客户端能够估计服务器提供的酉$U$的轨迹的绝对值。我们证明了该算法的功能正确，无论什么酉$U$的服务器实现或服务器如何具体实现$U$。我们的实验涉及到开创性的技术，相干交换量子比特编码内的运动状态的捕获\Yb离子，控制其超精细状态。这构成了量子体系中模块化计算的第一个演示，为量子计算的可扩展，并行化迈出了一步。
2019-07-29 physics.atom-ph quant-ph
Shortcuts to adiabaticity in the strongly-coupled regime: nonadiabatic control of a unitary Fermi gas
复杂量子系统的相干控制是量子信息处理和工程的基本要求。最近发展起来的绝热性捷径（STA）的概念产生了有趣的前景。迄今为止，STA的实验研究大多是在理想热气体或弱相互作用超冷玻色气体中进行的。在这里，我们报告的第一个演示的多体STA在一个三维各向异性捕获的单一费米气体。在这种强相互作用的量子气体上证明了一个新的动力学标度律。通过简单地设计谐波阱的频率纵横比，可以操纵气体的动力学，并且可以在短时间尺度内在没有激励的情况下将多体状态从一个定态转移到另一个定态。验证了非相互作用和么正费米气体的普适标度性。这对未来的多体量子工程和热力学基本定律的探索具有重要意义。
2017-05-08 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Circumventing Traps in Analog Quantum Machine Learning Algorithms Through Co-Design
本文研究模拟量子机器学习算法的景观陷阱问题，提出利用拟设的Magnus展开进行算法协同设计，以规避局部陷阱并确保在酉演化模拟中的良好收敛性与适用性。
2024-08-26 quant-ph
Quantifying the Unitary Generation of Coherence From Thermal Quantum Systems
研究了从非相干热态产生相干的幺正过程。我们考虑一个完全可控的哈密顿量，允许产生所有可能的酉变换。优化幺正控制以实现最大相干性导致对角能量表示上的微正则能量分布。我们证明了这样的控制方案从一个哈密顿利用最优控制理论为单一的目标。从一个不相干的初始状态产生相干性总是需要外功。通过限制控制所投入的工作量，最大相干性导致正则能量布居分布。当优化过程对最终能量约束过紧时，会出现局部次优陷阱，当用一个小的Lagrange乘子约束最终能量时，可以得到全局最优解。最后，我们探索约束所产生的相干性，以接近能量表示中的对角线。
2019-03-10 quant-ph
Long-time-scale revivals in ion traps
在这篇文章中，我们研究了激光束与阱中单个离子的相互作用。我们的方法，基于酉变换的哈密顿量，允许其精确对角化，而不执行Lamb-Dicke近似。我们得到了一个变换的Jaynes-Cummings型哈密顿量，并证明了该系统中超回复的存在性。
1998-12-17 physics.atom-ph quant-ph
Progress in Trapped-Ion Quantum Simulation
本文综述了囚禁离子量子模拟的最新进展，重点介绍利用其灵活连通性、线路中测量和经典反馈的数字量子模拟方法，以高效模拟长程相互作用、非幺正动力学和长程纠缠态。
2024-09-06 cond-mat.quant-gas cond-mat.str-el quant-ph
Quantum state engineering via unitary transformations
我们构造了一个量子化电磁场的任意纯态的产生的哈密顿量。这个命题是基于这样一个事实，即产生数态的一个幺正变换已经被发现，这里得到的一般幺正变换将允许利用非线性相互作用产生纯态。通过简单叠加态的产生，讨论了这种方法的适用性。我们还比较了我们的哈密顿量从两个激光场的相互作用的囚禁离子。
1998-10-15 physics.optics quant-ph
Exploiting all ancilla outcomes in linear combinations of unitaries: low-rank recovery and quantum trapdoor functions
Istanbul Medeniyet University（伊斯坦布尔文明大学）
本文研究了线性算子组合中被丢弃的辅助测量结果，通过引入简化系数准备的电路，揭示了矩阵分解结构，实现低秩恢复和量子陷阱门函数的应用。
2026-10-28 quant-ph
Trap-free manipulation in the Landau-Zener system
陷阱的分析，即，局部而非全局最优控制的量子控制系统，近年来引起了极大的兴趣。一直悬而未决的中心问题是证明一个给定的系统存在或不存在陷阱。我们证明了没有陷阱，从而完全解决了这个问题的重要任务的无约束操纵的转移概率和单一的门生成的Landau-Zener系统-一个系统，具有广泛的应用范围，在物理，化学和生物化学。这一发现提供了完全没有陷阱的受控量子系统的第一个例子。我们还讨论了实验室的限制，由于退相干的影响，噪声的控制脉冲，并限制可用的控制，当足够严重时，可以产生陷阱。
2013-04-04 quant-ph
Universal unitary transfer of continuous-variable quantum states into a few qubits
我们提出了一个将任意连续变量量子态转换成几个离散变量量子比特并返回的协议。该协议是确定性的，只利用双模拉比型的相互作用，这是很容易在捕获离子和超导电路平台。将无限维状态转移到有限维寄存器中所引起的不可避免的错误随着量子比特的数量呈指数级抑制。此外，编码状态表现出对噪声的鲁棒性，例如作用于量子比特的失相和振幅阻尼。因此，我们的协议提供了一个强大的和灵活的工具，离散连续的混合量子系统。
2021-06-23 quant-ph
The landscape of quantum transitions driven by single-qubit unitary transformations with implications for entanglement
研究了多量子比特系统中由幺正变换驱动的单量子比特相互作用量子跃迁的控制景观。对两个量子比特的情况进行了全面的分析，以揭示景观的特征，包括绝对最大值和最小值的性质，鞍点和没有陷阱。结果允许计算施密特状态从任意两个量子比特状态以下的本地梯度流。多量子比特系统的分析更具挑战性，但广义施密特态也可以通过遵循局部梯度流来定位。最后，我们给出了广义施密特态与基于布雷斯距离的纠缠度量之间的关系。
2009-10-08 quant-ph
Observing super-quantum correlations across the exceptional point in a single, two-level trapped ion
该研究利用受非厄米、宇称-时间对称哈密顿量支配的单个囚禁 ⁴⁰Ca⁺ 离子，观测到跨越例外点、最高达 1.703(4) 的 Leggett-Garg 超量子关联。
2023-04-24 quant-ph
Optimal control theory for a unitary operation under dissipative evolution
我们表明，优化一个开放量子系统的量子门只需要三个状态的时间演化，而不管希尔伯特空间的维数。这代表了一个显着减少计算资源相比，刘维空间的完整基础，这是普遍认为必要的这项任务。这种简化基于两个观察：目标不是一般的动力学映射，而是幺正操作;两个适当选择的状态的时间演化足以区分任何两个幺正。我们说明了门优化采用一组减少的状态与被困原子作为量子比特载体和超导量子比特的$\sqrt{i\text{SWAP}}$门的受控相位门。
2021-02-12 quant-ph
Generation and stabilization of entangled coherent states for the vibrational modes of a trapped ion
提出了一种制备二维各向异性阱中离子运动纠缠相干态的方案。在该方案中，离子被四束激光沿着离子阱平面内的不同方向驱动，导致载流子激发和内外自由度之间的耦合。当振动模的总量子数初始具有确定的宇称时，幺正动力学和自发发射之间的竞争将迫使系统演化到一个稳定态，此时振动模处于双模猫态.我们证明了该方法可以推广到实现三维各向异性阱中离子三个振动模的纠缠相干态。
2019-05-12 quant-ph
Time-rescaling of Dirac dynamics: shortcuts to adiabaticity in ion traps and Weyl semimetals
直到最近，重新标度时间才被认为是在快速过程中实现绝热动力学的一种方法。与其他绝热性的捷径相比，时间重标度的优点是它不依赖于哈密顿量的本征谱和本征态。然而，时间重新标度要求原始动力学是绝热的，并且在重新标度的时间框架中，哈密顿量表现出非平凡的时间依赖性。在这项工作中，我们展示了如何时间重新标度可以应用到狄拉克动力学，我们表明，所有的时间依赖性可以吸收到有效的潜力，通过一个明智的选择酉变换。这是证明了两个实验相关的情况下，即离子阱和绝热创建外尔点。
2021-01-21 quant-ph
A Probabilistic Imaginary Time Evolution Algorithm Based on Non-unitary Quantum Circuit
虚时间演化是量子物理研究中的一个有力工具，但随着量子系统的规模和复杂程度的不断提高，现有的模拟虚时间演化的经典算法面临着很高的计算复杂度。本文提出了一种基于非幺正量子线路实现虚时间演化的概率算法。通过求解H2、LiH分子和量子Ising链等几个量子多体系统的基态能量，证明了该方法的可行性。此外，我们还分别在超导和囚禁离子云平台上进行了实验，以确定H2的基态能量和最稳定的分子结构。我们还分析了算法的成功概率，这是一个多项式的输出误差，并介绍了一种方法，以提高成功概率通过重新安排的哈密尔顿的条款。
2022-10-11 quant-ph
Simulating a measurement-induced phase transition for trapped ion circuits
可编程量子器件的兴起激发了对可以实现新物理的电路模型的探索。一个有前途的候选人是一类混合电路，其中纠缠酉动力学与解纠缠测量竞争。不同纠缠态之间的新型相变已经在它们的动力学状态中被确定，具有暗示未探索的临界现象的普遍性质。捕获离子硬件是实验实现这种物理的主要竞争者，它不仅需要传统的两量子比特纠缠门，而且需要在整个电路中精确寻址的恒定速率的局部测量。在工程上的高精度光学寻址的个别离子的最新进展，使准备一个恒定速率的测量整个单一的电路可行。使用张量网络模拟，我们表明，由此产生的混合电路类，准备与本机门，表现出体积法面积法过渡的纠缠熵。这显示了测量引起的相变的普遍特征。我们的模拟能够使用具有数十个量子位和数千个门的电路尺寸来表征临界指数。我们认为，这种转变应该是强大的对额外的实验噪声源，预计在现代捕获离子硬件，而将受到限制后选择的统计要求。我们的工作突出了张量网络模拟在推进临界现象的理论和实验前沿方面可以发挥的强大作用。
2021-12-07 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech quant-ph
Demonstration of a parity-time symmetry breaking phase transition using superconducting and trapped-ion qutrits
本工作利用囚禁离子和超导transmon两个物理平台的三能级量子系统（qutrit），以数字方式实验模拟了非幺正宇称-时间对称性破缺相变，展示了多能级处理器在模拟物理效应中的潜在优势。
2024-03-27 quant-ph
Quantum simulator for many-body electron-electron Coulomb interaction with ion traps
我们提出了一个模拟量子模拟器，使用离子陷阱来实现多体电子-电子库仑相互作用的电子气。该提案将一个难以解决和控制的系统映射到可以用当前技术实现的实验可行的设置。使用膨胀变换，我们表明，离子陷阱可以有效地模拟电子库仑相互作用。如果只需要能量谱，则不增加复杂度开销，否则仅需要对初始状态进行简单的酉变换。模拟的运行时间被发现是远远短于相应的电子系统的时间尺度，最大限度地减少所提出的量子模拟器对外部噪声和退相干的敏感性。这个提议适用于任何数量的维度，并且可以通过使用被捕获在蜂窝晶格中的离子来模拟石墨烯类结构中的电子的不同拓扑相。
2015-12-16 cond-mat.quant-gas quant-ph
Observation of measurement-induced quantum phases in a trapped-ion quantum computer
多体开放量子系统平衡内部动力学，对抗与环境相互作用的退相干。在这里，我们探索这种平衡，通过随机量子线路上实现的捕获离子量子计算机，其中系统的演变是由酉门穿插投影测量。随着测量速率的变化，纯化相变预测出现在一个临界点类似于容错阈值。我们探测的“纯”阶段，系统被迅速投射到一个确定性的状态条件的测量结果，和“混合”或“编码”阶段，其中的初始状态成为部分编码到一个量子纠错码空间。我们发现令人信服的证据的两个阶段，并显示数值，适度的系统缩放，过渡的关键属性清楚地出现。
2021-10-19 quant-ph
Quantum Implementation of Unitary Coupled Cluster for Simulating Molecular Electronic Structure
在经典计算化学中，耦合团簇分析是最常用的$ab~initio$方法之一，但由于其非幺正性，严重限制了它的应用。酉修正作为一个理想的解决方案的问题，然而，在经典的常规计算是非常低效的。在这里，我们提供了第一个实验证据，确实是在物理量子系统，一个被困的离子系统的耦合集群animation的幺正版本可以可靠地执行。本文对分子离子HeH $^+$的电子结构进行了模拟，探测了基态能面曲线，研究了激发态的能量，并对键离解进行了非微扰模拟。我们的模拟利用量子计算的优点，克服了经典计算的固有局限性，实验结果表明，该方法在制备分子基态量子模拟中具有良好的应用前景.
2016-11-25 physics.atom-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Hybrid discrete-continuous compilation of trapped-ion quantum circuits with deep reinforcement learning
本文提出一种结合梯度优化与深度强化学习的混合离散-连续方法，用于缩短离子阱量子电路，并引入经典模拟框架，显著减小电路规模，适用于未知酉过程复现。
2025-01-27 quant-ph
Bridging Quantum Computing and Nuclear Structure: Atomic Nuclei on a Trapped-Ion Quantum Computer
Utsunomiya University（宇都宫大学）；RIKEN Nishina Center for Accelerator-based Science, RIKEN（理化学研究所仁科加速器科学中心）；The University of Tokyo（东京大学）
利用俘获离子量子计算机模拟核许多体系统，结合硬核玻色子表示与对单位耦合簇双体近似方法，实现高精度核基态能量计算，为核物理研究提供新方法。
2026-01-21 nucl-th quant-ph
A trapped ion quantum computer with robust entangling gates and quantum coherent feedback
量子计算机有望在解决一系列计算问题时实现比经典计算机显著的加速。线性保罗阱中的离子链是构建这种量子计算机的一个有前途的平台，因为它们的相干时间长，控制质量高。在这里，我们报告了一个小型的，五量子比特，通用量子计算机的建设使用$^{88}\text{Sr}^{+}$离子在RF陷阱。所有的基本操作，包括初始化，量子逻辑操作和读出，都是高保真的。使用窄线宽激光器实现的选择性双量子位和单量子位门包括通用门集合，允许在量子寄存器上实现任何幺正。我们回顾了主要的实验工具，并详细描述了计算机的独特之处：使用强大的纠缠门和通过EMCCD相机采集的量子相干反馈系统的发展。后者是必要的，在未来的实验中进行量子纠错协议。
2021-11-07 physics.atom-ph quant-ph
Nonadiabatic energy fluctuations of scale-invariant quantum systems in a time-dependent trap
考虑含时简谐势阱中多体系统的非绝热能量涨落。在标度不变性的存在下，动力学变得自相似和非绝热的能量波动可以发现的哈密顿量，平方位置和压缩算子的二阶矩的初始期望值。非绝热的功能表示的比例因子，管理的原子云的大小，它可以从飞行时间图像中提取。我们将这个精确的关系应用到许多例子中：单粒子谐振子，一维卡洛格罗-萨瑟兰模型，描述具有平方反比相互作用的玻色子，包括非相互作用的玻色气体和唐克斯-吉尔达多气体作为限制情况，以及酉费米气体。我们说明了这些结果的各种扩展协议涉及突然淬灭的陷阱频率，线性斜坡和捷径绝热。我们的结果为驱动量子流体中非绝热能量涨落的实验研究铺平了道路。
2020-05-01 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech quant-ph
