Certifiable Lower Bounds of Wigner Negativity Volume and Non-Gaussian Entanglement with Conditional Displacement Gates
提出一种仅使用条件位移门和量子比特读出来认证腔间非高斯纠缠的方法，通过测量特征函数的少数点即可同时给出 Wigner 负性体积与纠缠几何度量的实验下界，且无需态层析。
2024-07-30 quant-ph
On the Role of Hadamard Gates in Quantum Circuits
我们研究了一个简化的量子线路计算范例，其中唯一允许的门要么置换计算基态，要么应用“全局Hadamard操作”，即同时对每个量子比特应用Hadamard操作。在这个模型中，我们讨论了常见的量子算法的复杂性界（下界的全局Hadamard操作的数量）：我们说明了Shor算法的上限，并证明了Grover算法的下限。我们还使用我们的形式主义来显示一个既不是量子普适的，也不是经典模拟的门，假设量子因式分解不在BPP中。
2006-03-30 quant-ph
New designs of reversible sequential devices
一个明确的协议，从任何特定的门库的顺序可逆电路的综合已经提供。利用该协议，从NCT门库中设计了SR锁存器、D锁存器、JK锁存器和T锁存器的可逆电路。所有的电路已经优化与现有的局部优化算法（如模板匹配，移动规则和删除规则）的帮助下。结果表明，与早期的方案相比，本方案具有更低的门复杂度、更少的垃圾位数、更低的量子成本和更少的反馈回路数。为了公平的比较，优化的时序电路已与早期的建议相同的转换后，早期提出的电路等效NCT电路。此外，我们已经表明，在一些早期的建议中，通过引入新的门获得的门数的优势是一个伪像，如果允许的话，那么每个可逆电路块可以减少到一个门。在这种情况下，一些重要的概念性问题有关的设计和优化的顺序可逆电路已经解决。本文还提出了一种使可逆电路的量子代价最小化的方案。
2009-08-12 quant-ph
Quantum Algorithm for Spectral Measurement with Lower Gate Count
我们提出了两种技术，可以大大减少所需的门的数量来实现能量测量，应用到量子模拟的基态准备。第一种技术实现了准备某个哈密顿量的基态，没有必要实现时间演化算子：任何作为哈密顿量的函数的幺正算子都可以。我们提出了一个这样的酉算子，它可以精确地实现，规避任何泰勒或特罗特近似误差。第二种技术是为晶格模型量身定制的，并且旨在减少通用单量子比特旋转的使用，这对于标准容错技术来说是非常昂贵的。特别是，我们的方法使用的通用单量子比特旋转的数量与哈密顿量中的参数数量成比例，这与其他技术所需的晶格大小成比例的增长形成对比。
2018-08-26 quant-ph
Influence of configuration and acoustic phonons on three-qubit controlled-phase gate
讨论了自组装量子点条件相位门的结构和声学声子效应。作为例子，我们讨论了最简单的三点条件相位门，我们发现条件相位门的保真度强烈地依赖于配置和温度。数值模拟结果表明，低单激子能级的线型共振在门操作中表现得更好。
2008-11-06 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
Bounding quantum gate error rate based on reported average fidelity
量子计算的显著实验进展的例证是最近宣布的令人印象深刻的平均门量子数超过99.9%的单量子位门和99%的双量子位门。虽然这些高数字让人乐观地认为容错量子计算是触手可及的，但平均门保真度与容错要求之间的联系并不直接。在这里，我们使用报告的平均门保真度来确定量子门错误率的上限，这是评估容错量子计算进展的适当度量，我们证明了这个界限对于一般噪声是渐近紧的。虽然这个界限是不太可能饱和的实验噪声，我们使用明确的例子表明，该界限表示真实的错误率和报告的平均保真度之间的实际偏差。我们引入泡利距离作为这种偏差的度量，我们表明，泡利距离的知识，使更严格的估计错误率的量子门。
2015-12-27 quant-ph
Asymmetry of CNOT gate operation in superconducting transmon quantum processors using cross-resonance entangling
受控非（CNOT）门通常包含在量子处理器的标准门集中，并提供了纠缠量子比特的重要方式。对于使用交叉共振纠缠技术的固定频率量子位，使用较高频率量子位来控制较低频率量子位能够比使用较低频率量子位作为控制短得多的纠缠时间。因此，当实现需要由较低频率量子位进行逻辑控制的CNOT门时，编译器可以通过使用等效电路来实现该功能，例如将Hadamard门放置在由较高频率量子位控制的CNOT门之前和之后的两个量子位上。然而，由于实现方式取决于哪个量子位是控制，因此自然会出现关于实现方式的相对性能的问题。我们已经在IBM Q网络上使用量子处理器探索了这一点。使用的基本电路包括创建贝尔状态的操作，然后是逆操作，以便在没有错误的情况下将量子位返回到其初始状态（Hadamard + CNOT + barrier + CNOT + Hadamard）。电路深度是不同的使用倍数的这个基本电路。观察到的不对称的最终状态的错误，随着电路的深度增加。不对称的强度和方向是唯一的，但对于每对测试的耦合量子位来说是可重复的。这一观察结果表明，CNOT实现中的不对称性应该针对感兴趣的量子位进行表征，并纳入电路转译中，以获得特定计算的最佳精度。
2020-09-02 quant-ph
Time-optimal multi-qubit gates: Complexity, efficient heuristic and gate-time bounds
本研究证明时间最优多量子比特门合成是NP难的，给出特殊时间最优门的显式构造，提出多项式时间启发式合成算法，推导GZZ门时间上下界并推测其为O(n)标度，可实现更快更鲁棒的量子算法执行。
2024-03-05 quant-ph
Lower T-count with faster algorithms
本研究提出多种高效低耗时的T-count优化算法，大幅改进TODD算法复杂度并减少T门数量，同时证明了在无Hadamard门及Clifford+T电路中T门数量的更优理论上界。
2025-09-11 quant-ph
Optical Zeno Gate: Bounds for Fault Tolerant Operation
原则上，Franson等人（PRA 70，062302，2004）的Zeno效应控制符号门是确定性的两量子比特光门。然而，当考虑光子损失的实际值时，其保真度显着降低。在这里，我们考虑使用基于测量的量子处理技术来增强芝诺门的操作。借助量子隐形传态，我们证明了在单光子与双光子传输比为$κ=10^4$的情况下，可以实现一个（接近）单位保真度和0.76的中等成功概率的Zeno CNOT门（GC-Zeno门）.我们包括一些模式失配的影响，并估计上的模式重叠和$κ$的容错操作将是可能的界限。
2007-04-09 quant-ph
Efficient Simulation of High-Level Quantum Gates
Department of Computer Science, Aarhus University（奥胡斯大学计算机科学系）
本文提出一种基于gadget的模拟器，直接模拟高级量子门以避免编译膨胀，通过稳定子分解提升性能，并推导了部分门的稳定子秩下界。
2026-04-29 quant-ph
Conservation-Law-Induced Quantum Limits for Physical Realizations of the Quantum NOT Gate
在最近的研究中，已经发现守恒定律通常导致量子计算的精度限制。从噪声算符与守恒量的对易关系或最近发展的一般测量中噪声-扰动折衷的普适不确定原理中，得到了各种逻辑运算的误差概率的下界。然而，获得实现量子非门的精度极限的问题已经从这些方法中避开了解决方案。在这里，我们开发了一种新的方法，这个问题的基础上分析的跟踪距离之间的输出状态从考虑中的实现和一个从理想的门。利用正交多项式的数学工具，在计算量子位加上控制系统的总角动量守恒的条件下，我们得到了实现量子非门的错误概率的一般下界，该下界与控制系统中的量子位数有关.下限证明是更严格的比人们可能期望从以前的结果。新方法有望在守恒定律下对各种类型量子计算的物理实现进行更准确的估计，并有助于解决相关问题，如可编程量子处理器的准确性。
2007-05-14 quant-ph
Multi-qubit Toffoli with exponentially fewer T gates
Google Quantum AI（谷歌量子人工智能）；Department of Combinatorics and Optimization and Institute for Quantum Computing, University of Waterloo（滑铁卢大学组合优化与量子计算研究所）；Perimeter Institute for Theoretical Physics（理论物理珀蒂默研究所）；Stanford University（斯坦福大学）
本文提出随机Clifford+$T$电路，以指数级减少T门数量实现多量子比特Toffoli门，并给出最优上下界，同时扩展至其他布尔函数。
2025-10-08 quant-ph
Composite Toffoli gate with two-round error detection
我们引入了一个容错结构来实现四个重叠的Toffoli门的复合量子操作。同样的结构可以产生两个独立的Toffoli门。这一结果将量子计算机设计中的资源开销降低了一个数量级以上。该过程使用Clifford操作和64个非Clifford门$T = \exp[i π(I - σ^z) /8]$的副本。量子码检测电路中的错误。当错误的主要来源是$T$ -门故障概率为$p$时，则复合Toffoli电路的后选故障率为最低阶的$3072p^4$。
2013-03-27 quant-ph
Minimum energy needed to perform a quantum logical gate
最近已经假设了在量子比特系统上以给定精度和给定时间执行基本逻辑运算所需能量的下限。本文试图将这一界限形式化，并探讨在何种条件下，它可能是预期举行。这是一项正在进行的工作，任何贡献都将受到赞赏。
2002-09-09 quant-ph
An Upper Bound to the Number of Gates on Single Qubit within One Error-Correction Period of Quantum Computation
基于相干场驱动的量子拉比振荡的振幅行为，我们证明了在量子计算的一个纠错周期内，对任何单个量子比特进行逻辑运算的次数存在一个上界.我们引入一个参数来描述该数的最大值并估计其退相干极限。分析表明，量子逻辑门的一个普遍接受的错误率阈值限制参数到如此之小的数字，即使是容错Toffoli门的两倍，很难可靠地实现在一个纠错周期内。这一结果表明，设计可行的容错量子线路仍然是一项艰巨的任务。
2007-12-26 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
Hamiltonian quantum gates -- energetic advantage from entangleability
Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory（约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室）；University of Maryland, Baltimore County（马里兰大学巴尔的摩县分校）；Quantum Science Institute, University of Maryland, Baltimore County（马里兰大学巴尔的摩县分校量子科学研究所）；National Quantum Laboratory（国家量子实验室）
本文推导了哈密顿量子门所需场能量的下界，并将其与门误差关联，指出利用哈密顿量的纠缠能力可实现更节能的计算，最终证明通用量子计算机可在极低能量需求下实现，但需付出高复杂性代价。
2025-07-02 quant-ph
Lowering qubit requirements for quantum simulations of fermionic systems
将费米子态映射到量子比特态，以及将费米子哈密顿量映射到量子门，使我们能够用量子计算机模拟电子系统。量子模拟有助于理解化学和物理学中的多体系统，是量子计算机时代的重要前景之一。在近期量子设备上实现模拟的一个挑战是这种映射需要大量的量子比特。在这项工作中，我们开发的方法，使我们能够权衡量子位的要求对所产生的量子线路的复杂性。我们首先表明，任何经典的代码用于映射状态的费米Fock空间的量子比特引起映射的费米模型的量子门。作为一个说明性的例子，我们提出了一个映射的基础上的非线性经典纠错码，这导致显着的量子比特的节省，虽然在额外的量子门的代价。我们继续使用这个框架来呈现一些更简单的映射，这些映射导致量子比特节省，而门难度只有非常适度的增加。我们讨论的对称性，如粒子守恒的作用，并节省可以获得，如果一个实验平台可以很容易地实现多控制门。
2018-10-11 quant-ph
Fault-Tolerant Stabilizer Measurements in Surface Codes with Three-Qubit Gates
Forschungszentrum Jülich（于利希研究中心）；RWTH Aachen University（亚琛工业大学）；Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg（埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希·亚历山大大学）
本研究展示了使用三量子比特门和单辅助量子比特实现表面码容错稳定器测量，显著降低逻辑错误率并提高容错阈值。
2025-06-10 quant-ph
Multilevel Circuit Optimization in Quantum Compilers: A Case Study
IBM Quantum Japan（IBM量子日本）；Quantum Computing Center, Keio University（庆应义塾大学量子计算中心）；Toyota Central R&D Labs., Inc.（丰田中央研发研究所）；Department of Applied Physics and Physico-Informatics, Keio University（庆应义塾大学应用物理与物理信息学系）
本研究提出量子编译器中的多级电路优化方法，通过逐级门集合降阶、简化与分解，以哈密顿量模拟电路为案例实现了CX门数量的二次方级减少，提供了电路优化的新思路。
2025-05-16 quant-ph
Approaching the theoretical limit in quantum gate decomposition
在这项工作中，我们提出了一种新的数值方法来分解一般的量子程序的单量子位和双量子位量子门与$CNOT$门数非常接近目前的理论下限。特别地，$15$和$63$ $CNOT$门足以分别以高数值精度分解一般的$3$ -和$4$ -量子比特么正。我们的方法是基于一个预先设计的量子线路用于分解的单量子位旋转门相关的参数的顺序优化。此外，该算法可以被采用到由当前中等规模量子计算机提供的稀疏量子比特间连接架构，仅需要在所得到的量子线路中实现几个附加的$CNOT$门。
2022-05-09 quant-ph
Bounding the average gate fidelity of composite channels using the unitarity
目前非常需要用于表征量子器件的鲁棒且有效的方法。虽然在这个方向上已经取得了重大进展，但仍然迫切需要精确地确定各个门操作上的误差的强度和类型，以便在给定关于组件上的误差的一些部分信息的情况下评估和改进控制以及可靠地限制量子线路中的总误差。在这项工作中，我们首先提供了一个最佳的约束电路的总保真度的组件的quantiities，这可以有效地通过随机基准实验估计。然后，我们推导出一个更严格的约束，适用于下的错误的一致性，即，unitarity，这也可以有效地估计通过相关的实验协议的附加信息。这种改进的边界之间的最坏情况下的二次和最佳情况下的复合误差通道的线性缩放平滑插值。作为一个应用程序，我们展示了我们的分析如何大大提高了可实现的精度估计下交错随机基准的个别门的错误率，使更高的精度为当前的实验方法来评估和调整控制量子门操作。
2019-08-23 quant-ph
Two-qubit gates for the soft 0-π qubit
Beijing Academy of Quantum Information Sciences（北京量子信息科学研究院）；University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；The University of Melbourne（墨尔本大学）
针对软0-π量子比特，提出一种无保护CZ门，利用计算态与高非计算态直接跃迁，在约160纳秒内实现约99.9%保真度，填补了双量子比特门空白。
2026-09-15 quant-ph
Universal fault tolerant quantum computation on bilinear nearest neighbor arrays
假设一个阵列由两条平行的量子位线组成，并且只允许最近邻相互作用，我们构建了物理和逻辑电路，以实现[[7，1，3]]量子码下的通用容错量子计算。此阵列的容错阈值的严格下限是在许多物理设置中确定的。我们的分析包括对抗性存储器错误，两量子位门错误和读出错误。在物理存储器故障率等于物理门错误率的十分之一，物理读出错误率等于物理门错误率，物理读出持续时间是物理门持续时间的十倍的情况下，我们得到渐近阈值的下限为1.96x10^-6。
2008-05-09 quant-ph
Realisation of adiabatic and diabatic CZ gates in superconducting qubits coupled with a tunable coupler
高保真度两量子位门是扩大超导数的基础。我们使用两个量子比特通过一个频率可调的耦合器耦合，可以调节耦合强度，并演示了两种不同的方案，绝热和非绝热方法的CZ门。基于Clifford的随机基准（RB）方法被用来评估和优化CZ门保真度。绝热和非绝热CZ门的保真度分别为99.53（8）%和98.72（2）%。我们还分析了由退相干引起的误差。与绝热CZ门的30 ns持续时间相比，非绝热CZ门的持续时间为19 ns，显示出比$r_{\rm{incoherent, int}}$ = 0.0223（3）更低的非相干错误率$r'_{\rm{incoherent, int}}$ = 0.0197（5）。
2020-11-07 quant-ph
Lower bounds on non-local computation from controllable correlation
Institute for Quantum Computing and School of Computer Science, University of Waterloo（量子计算研究所与滑铁卢大学计算机科学学院）；Institute for Quantum Computing and Perimeter Institute for Theoretical Physics（量子计算研究所与珀西瓦尔理论物理研究所）
本文提出两种新方法，基于可控相关性和可控纠缠，为任意单元涡提供非局部量子计算的纠缠成本下界，解决了CNOT门等常见双量子位门的下界问题，且具有平行重复性质。
2026-04-29 quant-ph
On the role of entanglement in qudit-based circuit compression
本文研究利用高维量子系统（qudit）编码压缩多量子比特电路，通过替代纠缠门降低复杂度，并给出光子和离子阱实验方案，展示显著性能提升。
2023-10-11 quant-ph
Characterization of three-qubit controlled unitary gates of Schmidt rank three
RPTU University Kaiserslautern-Landau（凯泽斯劳滕-兰道技术大学）
本文刻画了Schmidt秩为三的三量子比特受控酉门，给出了充要条件，并构造了显式例子，分析其纠缠能力，展示了从完全可分到最大GHZ类态的纠缠生成，并提供了达到最小CNOT门数的分解。
2026-06-18 quant-ph
Link-middle-cut lower bounds for Clifford circuit synthesis
Kvantify
本文扩展LMC框架至Clifford电路，提出可计算下界并证明对量子比特置换紧致，且作为A*启发式可提升最优性证明能力。
2026-09-14 quant-ph
The entropic coherence is a necessary resource for non-energy preserving gates
Scuola Normale Superiore（高等师范学院）；Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa（比萨大学物理系）；Department of Applied Physics, University of Geneva（日内瓦大学应用物理系）；Física Teòrica: Informació i Fenòmens Quàntics, Department de Física, Universitat Autònoma de Barcelona（巴塞罗那自治大学物理系理论物理、信息与量子现象部门）；NEST, and Istituto Nanoscienze-CNR（NEST与意大利国家研究委员会纳米科学研究所）
该研究证明，在有限维系统S上通过与外部电池B的能量守恒相互作用实现非能量守恒门（NEPG）时，电池的熵相干性是必要资源，还给出了实现NEPG的相关下界，且这些下界可能强于此前的通用下界。
2026-09-02 quant-ph
A bridge to lower overhead quantum computation
两个主要的挑战站在实际的大规模量子计算的方式，即实现足够低的错误率量子门和实现有趣的量子算法与物理上合理的量子位数。在这项工作中，我们解决的第二个挑战，提出了一种新的技术，桥梁压缩，这使得显着低容量的结构被发现，实现复杂的计算中的表面码。表面码具有许多非常理想的性质，包括在给定足够的量子位和低于约1%的量子门错误率的情况下实现任意可靠计算的能力，以及仅使用具有最近邻相互作用的量子位的2-D阵列。因此，我们的压缩技术具有很大的实际意义。
2013-04-09 quant-ph
Realization of a General Three-Qubit Quantum Gate
我们证明了一个通用的三量子位量子逻辑门可以实现使用最多98个一量子位旋转的$y$ -和$z$ -轴和40个CNOT门，击败了64个CNOT门的早期限制。
2004-01-30 quant-ph
Quantum circuits with uniformly controlled one-qubit gates
均匀控制的单量子位门是量子门，其可以表示为作用于单个量子位的二维么正算子的直和。我们提出了一个量子门阵列，它使用最多2^{n-1} - 1个受控非门，2^{n-1}个单量子位门和一个对角n量子位门来实现这种类型的任何n量子位门。该电路是基于所谓的量子多路复用器，我们提供了一个修改后的建设。我们说明了这些门的通用性，通过将它们应用到一个一般的n-量子位门和一个本地状态的准备过程的分解。此外，我们研究他们的实现仅使用最近邻门。我们给出了所有上述应用的单量子比特和受控非门计数的上界。在所有这四种情况下，所提出的电路拓扑结构要么改善或实现先前报道的上限的门数。因此，它们为目前已知的一般门分解提供了最有效的方法。
2004-10-29 quant-ph
Quantum Ternary Circuit Synthesis Using Projection Operations
三值量子线路的综合涉及到三值量子域中的基本逻辑门及其运算。只有少数作品定义了三进制量子逻辑实现的三进制代数。本文将一个三值逻辑函数表示为包含一个新的投影运算的投影运算。本文还提出了一种利用广义三值门和投影运算实现新型多四值三值门的方法。我们还介绍了十个简化规则，以减少辅助qutrits和门级。我们的方法产生更低的门成本和更少的门电平和辅助qutrits比早期的方法获得的三进制基准电路。利用我们提出的方法，在没有任何辅助四元组的情况下，合成了$n$四元组三进制和函数.
2012-05-09 quant-ph
Quantum controlled phase gate and cluster states generation via two superconducting quantum interference devices in a cavity
提出了一种利用两个超导量子干涉器件实现双量子比特量子控制相位门的方案。利用量子化腔场和经典微波脉冲，在SQUID的两个低通量态内实现了门操作。我们的方案是实现没有任何类型的测量，不使用腔模式作为数据总线，只需要一个非常短的谐振相互作用的SQUID腔系统。作为QCPG操作的一个应用，我们还提出了一个生成多个SQUID簇态的方案。
2006-07-06 quant-ph
Efficient experimental estimation of fidelity of linear optical quantum Toffoli gate
提出了N比特控制Z门量子过程保真度的一个有效可测下界。这个界限是由N个部分共轭乘积基的平均输出态密度决定的。我们的方法的一个明显的优势是，只有与产品状态的结晶需要测量，同时保持测量的总数远远小于什么是必要的全量子过程层析成像。作为应用，我们用这种方法对三量子比特线性光量子Toffoli门的量子过程保真度F进行了实验估计，发现F>=0.83。我们还通过从输入的乘积态制备GHZ型三量子比特纠缠态证明了门的纠缠能力。
2013-10-16 quant-ph
Pulse Design of Baseband Flux Control for Adiabatic Controlled-Phase Gates in Superconducting Circuits
本文针对超导量子计算机中易出错的二比特门瓶颈，研究了绝热受控相位门的实现，将其控制轨迹设计表述为脉冲设计问题，并在模拟中证明基于 Chebyshev 的轨迹较 Slepian 轨迹能将门非保真度平均降低 23.3%。
2025-05-29 quant-ph
Deciding universality of quantum gates
如果存在$N_0\geq n$，使得对于每个$N\geq N_0$，每个$N$-qudit酉操作可以通过从集合的门构建的电路以任意精度近似，则我们说$n$-qudit门的集合是通用的。我们的主要结果是最小的$N_0$与上述性质的上界。边界大致为$d^8 n$，其中$d$是基本系统的级别数（术语qu $d$中的“$d$ "）。证明是基于最近的结果（有限）线性群的不变量。
2006-09-08 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
Error Compensation of Single-Qubit Gates in a Surface Electrode Ion Trap Using Composite Pulses
由于难以稳定离子位置处的驱动场，激光驱动的量子逻辑操作对捕获的离子量子位的保真度往往低于微波驱动的逻辑操作。通过稳定的驱动光场和复合脉冲序列的使用，我们证明了高保真单量子比特门的超精细量子比特的$^{171}\text{Yb}^+$离子被困在一个微加工表面电极离子阱。使用随机化基准测试协议来表征门误差，并且测量$3.6(3)\times10^{-4}$的每个随机化Clifford群门的平均误差。我们还报告了实验实现的回文脉冲序列，有效地扩展序列长度。
2015-07-20 quant-ph
Multi-Controlled Quantum Gates in Linear Nearest Neighbor
该研究提出一种在LNN架构下实现MC门的方法，使用不超过约$4k+8n$个CNOT门，较现有技术减少达60%，并在特定条件下达到已知最优上限。
2025-06-29 quant-ph
Experimental implementation of non-Clifford interleaved randomized benchmarking with a controlled-S gate
将量子线路硬件有效地转换为量子器件本机门集对于在有噪声的量子计算机上执行量子算法是必不可少的。典型的量子器件利用每对耦合量子位具有单个双量子位Clifford纠缠门的门集，然而，在一些应用中，对非Clifford双量子位门的访问可以导致更优化的电路分解，并且还允许在优化噪声方面更灵活。我们使用Qiskit Pulse框架在基于云的IBM量子计算上演示了低误差非Clifford控制的$\fracπ{2}$相位（CS）门的校准。为了测量校准的CS门的门误差，我们执行非Clifford hocT-Dihedral交错随机基准测试。我们能够在263 ns的门长度处获得$5.9(7) \times 10^{-3}$的门误差，这接近于相关量子位的相干极限，并且比后端标准校准的CNOT门的误差更低。
2021-03-14 quant-ph
Upper bounds on success probabilities in linear optics
我们开发了一种抽象的方法来定义线性光学网络，该网络被设计用于执行量子信息任务，例如量子门。我们将主要讨论非线性符号移位门，但很明显，所有其他门都可以用类似的方式处理。抽象的计划是非常适合分析以及数值研究，因为它减少了一般设置的参数的数量。有了这个，我们数值和部分分析表明，对于广泛的一类状态，生成非线性符号移位门的成功概率不超过1/4，据我们所知，这是迄今为止最强的约束。
2004-03-15 quant-ph
Efficient Unitarity Randomized Benchmarking of Few-qubit Clifford Gates
幺正随机基准测试（URB）是一种独立于状态准备和测量误差来估计实现的量子门的相干性的实验过程。这些估计的一致性是衡量的么正性。这个实验的一个核心问题是将数据点的数量与严格的置信区间联系起来。在这项工作中，我们提供了一个约束的Clifford URB所需的数据点的数量作为置信度和实验参数的函数。该界在近酉噪声的情况下具有良好的缩放性，并且与所使用的门序列的长度渐近无关。我们还表明，与标准的随机基准测试，一个非平凡的数据点的数量总是需要克服的随机性引入的状态准备和测量误差，即使在完美的门的限制。我们的界限是足够尖锐的基准小维系统在现实的参数制度，使用适度数量的数据点。例如，我们证明了单量子比特Clifford门的么正性可以在门独立噪声的假设下使用几百个数据点进行严格估计。与之前已知的界限相比，这降低了几个数量级。
2019-01-16 quant-ph
Synthesis and upper bound of Schmidt rank of the bipartite controlled-unitary gates
量子电路模型是实现复杂量子计算最常用的范例。基于Cartan分解，我们证明了本文定义的$2(N-1)$广义受控$X$（GCX）门、$6$单量子比特绕$y$ -和$z$ -轴的旋转以及$N+5$单粒子$y$ -和$z$ -旋转类型足以模拟$A$控制$\mathbb{C}^2\otimes \mathbb{C}^N$的受控幺正门$\mathcal{U}_{cu(2\otimes N)}$.在具有$M\geq3$的幺正门$\mathcal{U}_{cd(M\otimes N)}$局部等价于$\mathbb{C}^M\otimes \mathbb{C}^N$上的对角幺正的情况下，需要用$2M(N-1)$ GCX门和$2M(N-1)+10$单部$y$ -和$z$ -旋转型来模拟它，给出了实现$\mathcal{U}_{cu(2\otimes N)}$和$\mathcal{U}_{cd(M\otimes N)}$的量子电路.此外，我们发现在$A$控制下的$\mathcal{U}_{cu(2\otimes2)}$具有Schmidt秩2，并且在其他情况下，目标酉的对角化形式可以根据特定的简单类型的乘积酉算子展开。
2022-09-11 quant-ph
Calculable lower bounds on the efficiency of universal sets of quantum gates
目前可用的量子计算机，所谓的噪声中间尺度量子（NISQ）设备，其特征在于相对低数量的量子比特和适度的门并行度。在这种情况下，量子纠错的实现是不可能的，并且那些设备的性能是相当适度的。特别地，可实现合理高保真度的电路的深度是有限的，并且需要电路深度的最小化。这种深度取决于计算中使用的通用门集合$\mathcal{S}$的效率，并且可以使用Solovay-Kitaev定理来限制。然而，已知对于特定的$\mathcal{S}$，可以获得$\mathcal{O}(\mathrm{log}(ε^{-1}))$形式的更好的渐近紧边界。这些边界由所谓的谱隙控制，表示为$\mathrm{gap}(\mathcal{S})$。然而，对于一般的$\mathcal{S}$，$\mathrm{gap}(\mathcal{S})$的计算是不可能的，并且在实践中，人们考虑以特定尺度$r(ε)$（表示为$\mathrm{gap}_r(\mathcal{S})$）的频谱间隙。这证明是足够的约束效率的$\mathcal{S}$提供了一个感兴趣的物理上可行的情况下，其中错误$ε$是有界的从下面。在本文中，我们推导出的$\mathrm{gap}_r(\mathcal{S})$的下界，并作为一个结果，对$d$ -维量子门$\mathcal{S}$满足一个附加条件的通用集的效率。对于一般的量子门，例如Haar随机门，自然满…
2023-03-06 math-ph math.MP 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
Turning Gate Synthesis Errors into Incoherent Errors
使用纠错码和容错技术，至少在理论上，有可能产生错误率明显低于底层物理量子比特的逻辑量子比特。然而，假设作用于这些逻辑量子比特的门只是所需门的近似。例如，在从一组Clifford和$T$门合成单个量子比特么正时，可能会出现这种情况;对于一般的这种么正，任何有限的门序列都只近似于期望的目标。在这种情况下，门中的误差可以相干地相加，使得粗略地，每个门的酉中的误差$ε$必须缩放为$ε\lesssim 1/N$，其中$N$是门的数量。然而，如果人们可以选择在所需目标附近合成几个酉中的一个，并且如果这些选择的平均值更接近目标，我们给出了一些基本的界限，这些界限显示了通过对随机选择进行平均可以使误差不相干地相加的情况，因此，粗略地说，人们需要$ε\lesssim 1/\sqrt{N}$。我们评论一个特殊的应用程序，以提取魔术状态，这种效果自动发生在通常的电路。
2016-12-03 quant-ph
From quantum speed limits to energy-efficient quantum gates
虽然量子计算的最新突破预示着量子信息时代的到来，但量子态仍然很难控制。此外，大规模量子应用所需的能量预算很少被考虑。解决这两个问题都需要仔细研究最有效的基本量子操作的实现。在目前的分析中，我们表明，这个最优控制问题可以在量子速度限制的强大框架内解决。为此，我们推导出与状态无关的能量成本的下限，从中我们找到了普遍最佳的实现酉量子门，为单和$N$ -量子位操作。
2022-02-03 quant-ph
Almost-Optimal Computational Basis State Transpositions
本文提出一种显式构造，用Θ(n)个门实现任意n量子比特计算基态置换，并证明使用d元素门集时最坏与平均情况门复杂度下界为Ω(n/log(nd))，表明该构造几乎最优。
2024-08-08 quant-ph
Fidelity bounds for adiabatic gates and other quantum operations with time-dependent dissipation
Chalmers University of Technology（查尔姆斯理工大学）
针对含时耗散噪声，推广了平均门保真度公式，应用于绝热操作得到保真度界限，并揭示超导量子计算机中绝热CZ门保真度受磁通噪声和量子比特-耦合器杂化显著降低。
2026-06-19 quant-ph
Complete characterization of the directly implementable quantum gates used in the IBM quantum processors
对IBM量子处理器中使用的每个可直接实现的量子门进行量子过程层析成像以计算门误差，以便检查IBM引入的基于超导性的量子计算机中的复杂量子操作的可行性，并将这些门的质量与使用其他技术实现的相应门进行比较。对IBM QX 4处理器中的三种配置进行了C-NOT门的量子过程层析成像（QPT）。对于所有其他允许的门，已经针对每个允许的位置执行了QPT（即，通过将门放置在不同的量子位线中），并且因此，对于单量子位和2量子位门两者，都获得了门的量子数。观察到栅极结晶度低于在其他技术（如NMR）中获得的相应值。此外，通过将栅极放置在第三量子位线（$q[2]$）中，获得了IBM QX 2架构的所有单量子位栅极的栅极集成度。据观察，IBM QX 4架构在所有情况下都产生比IBM QX 2更好的栅极保真度，除了$\operatorname{Y}$栅极的情况，就对应于第三量子位线的栅极保真度而言。总的来说，这里进行的分析得出的结论是，相当大的技术改进将是不可避免的，以实现复杂的量子操作所需的可扩展性。
2018-07-25 quant-ph
