Benchmarking Coherent Errors in Controlled-Phase Gates due to Spectator Qubits
操作多量子比特量子处理器的主要挑战是减轻多量子比特相干错误。对于超导电路，除了由控制线的不完全隔离引起的串扰之外，量子位之间的色散耦合是多量子位相干误差的主要来源。我们基准相位误差在受控相位门由于色散耦合的任一量子比特参与一个或多个旁观者量子比特的门。我们使用量子过程层析术测量相关的门不保真度。此外，我们指出，由于门量子位在门期间耦合到非计算状态，两量子位条件相位误差会增强。我们的工作是重要的理解限制的保真度的两个量子比特门有限的开/关比在多量子比特设置。
2020-05-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Crosstalk analysis for single-qubit and two-qubit gates in spin qubit arrays
按比例放大自旋量子位系统需要高保真的单量子位和双量子位门。已经在基于硅的单量子点和双量子点中证明了超过$98\%$的栅极异质性，而为了实现更大的量子位阵列，必须考虑对相邻量子位的串扰效应。我们利用一个简单的海森堡模型分析了在相邻量子比特上进行单量子比特和双量子比特操作时，串扰对量子比特质量的影响。此外，我们提出了驱动领域的条件，以鲁棒同步拉比振荡，避免串扰效应。在我们的分析中，我们还考虑了下一个最近邻串扰，并表明双同步导致的驱动场强度，交换相互作用，从而门时间的限制性选择。考虑到现实的实验条件，我们提出了一组参数值来执行几乎无串扰的CNOT门，从而打开了可扩展的量子计算设备的途径。
2021-09-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Robust Two-Qubit Gates for Exchange-Coupled Qubits
我们提出了复合脉冲序列，执行容错的两个量子比特门操作的交换只量子点自旋量子比特在各种实验相关的几何形状。我们展示了如何在仅交换系统中执行动态校正的双量子比特门，并取消了超精细误差项。这些脉冲序列被构造成符合严格非负耦合的现实实验约束。我们建立，我们提出的脉冲序列导致几个数量级的改善，在门保真度相比，他们的未校正的同行。结合单量子位动态校正门，我们的结果使抗噪声的通用量子操作与交换只量子位。
2014-02-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-fidelity and robust two-qubit gates for quantum-dot spin qubits in silicon
最近，在同位素富集硅中实现了一种双量子位控制非门（CNOT），该门由控制相位门和单量子位门组成，用于量子点自旋量子位。在实验中，单量子比特门已经被证明具有容错控制保真度，但是双量子比特C相门的不保真度主要是由于电噪声，仍然高于容错量子计算（FTQC）所需的错误阈值。在这里，考虑到现实的系统参数和实验上的限制的控制脉冲，我们构建实验可实现的高保真CNOT门强大的抗电噪声与实验测得的$1/f^{1.01}$噪声谱，也对点间隧道耦合幅度的不确定性。我们的最佳CNOT门有大约两个数量级的改善，在不考虑任何噪声影响的情况下构造的理想C相门的门失真。此外，在相同的控制框架内，还可以构建高保真和鲁棒的单量子比特门，为大规模FTQC铺平道路。
2018-06-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Process verification of two-qubit quantum gates by randomized benchmarking
我们实现了一个完整的随机基准协议上的两个超导量子比特的系统。该协议由Clifford群中的门随机化组成，这些门是通过改进的双量子位交叉共振门实现和单量子位幺正实验产生的。由此，我们提取出Clifford的最佳平均误差为0.0936。我们还进行了一个交错实验，交替我们的最佳两个量子比特门与随机两个量子比特克利福德门，以获得0.0653的两个量子比特门误差。我们将这些值与从量子过程层析成像获得的~0.12的两量子比特门误差进行比较，这可能受到状态准备和测量误差的限制。
2012-11-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-Fidelity Entangling Gates for Quantum-Dot Hybrid Qubits Based on Exchange Interactions
量子点混合量子比特利用了扩展的电荷噪声最佳点，该最佳点抑制了失相，并且使得高保真单量子比特门的实验实现成为可能。然而，目前提出的双量子比特门需要将量子比特从它们的最佳点调出来。在这里，我们提出了一种基于交换相互作用的双混合量子比特耦合方案，该方案允许量子比特始终保持在其最佳点。通过量子比特间的隧道耦合来控制相互作用。通过模拟这种门在现实的准静态和$1\!/\!f$电荷噪声的存在下，我们表明，我们的方案应使长度为$\sim$ 5~ns的受控$Z$门，和长度为$\sim$ 7~ns的Z-CNOT门，两者都具有$>$ 99.9\%。
2020-01-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Three-qubit entangling gates with simultaneous exchange controls in spin qubit systems
本研究提出通过同时驱动多个自旋量子比特对的交换耦合，实现三量子比特纠缠门，以减少操作数量并提高量子电路效率。
2025-12-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
Characterisation of an exchange-based two-qubit gate for resonant exchange qubits
共振交换量子位是一个有前途的家庭除了实验实现的编码的单量子位使用半导体量子点。我们之前已经表明，用单个交换脉冲在两个共振交换量子位之间执行CPHASE门应该是简单的。这种方法使用能隙来抑制泄漏，而不是传统的脉冲序列。在本文中，我们提出的分析和模拟我们提出的两个量子比特门的电荷和Overhauser场噪声在目前的实验中观察到的水平。我们的主要结果是，我们期望实现我们的双量子位门，以实现高精度，在百分比水平的错误和门时间可比的单量子位操作。因此，交换耦合共振交换量子比特仍然是量子计算的有吸引力的方法。
2015-09-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
A diverse set of two-qubit gates for spin qubits in semiconductor quantum dots
针对半导体量子点自旋量子比特，提出一种基于海森堡相互作用的快速复合双量子比特门方案，扩展了可用门类型并降低器件要求，实验验证与模拟高度吻合，助力NISQ计算。
2024-04-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-fidelity entangling gate for double-quantum-dot spin qubits
半导体中的电子自旋是有希望的量子比特，因为它们的长相干时间使近10^9相干量子门操作成为可能。然而，开发可扩展的高保真双量子比特门仍然具有挑战性。在这里，我们展示了一个纠缠门之间的两个双量子点自旋量子位在GaAs中，通过使用磁场梯度之间的两个量子点在每个量子位，以抑制退相干由于电荷噪声。当磁梯度主导电子之间的电压控制交换相互作用时，量子比特相干时间增加一个数量级。使用随机基准测试和自洽的量子测量，状态和过程断层扫描，我们测量单量子位门的保真度约为99%和纠缠门保真度为90%。在未来，在无核自旋材料（如Si）中操作具有大梯度的双量子点自旋量子比特，应该能够实现超过容错量子信息处理阈值的双量子比特门保真度。
2016-08-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
Replacement-Type Quantum Gates
Parity Quantum Computing Germany GmbH（Parity量子计算德国有限公司）；Parity Quantum Computing GmbH（Parity量子计算有限公司）；Parity Quantum Computing France SAS（Parity量子计算法国SAS公司）；Institute for Theoretical Physics, University of Innsbruck（因斯布鲁克大学理论物理研究所）
本文提出了一种替代型量子门，通过候选量子比特替代输入量子比特来实现X和CNOT门，利用扩展的希尔伯特空间保持量子比特的噪声偏置，接近表面码阈值。
2026-02-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
Benchmarking Gate Fidelities in a Si/SiGe Two-Qubit Device
我们报告了硅基自旋量子位中单量子位和双量子位门的首次完整表征，包括两个量子位之间的串扰和错误相关性。为此，我们使用标准随机基准测试和最近引入的称为字符随机基准测试的方法的组合，该方法允许更可靠地估计该系统中的双量子比特保真度。有趣的是，通过字符随机化基准测试，可以通过研究仅在单量子位门的参考序列中交错CPhase门引起的额外衰减来获得双量子位CPhase门保真度。这项工作为硅自旋量子比特中所有相关门的性能进一步提高奠定了基础，这些性能超过了容错量子计算的错误阈值。
2018-11-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Microwave-activated conditional-phase gate for superconducting qubits
我们引入了一个新的纠缠门之间的两个固定频率的量子位静态耦合通过微波谐振器总线，它结合了以下理想的品质：全微波控制，可观的量子位分离，减少串扰和泄漏错误，并能够作为一个两个量子位条件相位门。在两个transmon量子比特的较高能量（非计算）状态之间明确设计了一个固定的、始终开启的相互作用，然后通过微波驱动器在未受扰动的量子比特子空间上“激活”一个条件相位门。我们实现这种微波激活的条件相位门的保真度从量子过程层析成像的87%。
2013-07-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Gate fidelity comparison in semiconducting spin qubit implementations affected by control noises
报道了在不同控制误差下，量子点和施主中不同自旋量子比特类型的门的量子效率的比较。我们研究了五种量子比特类型，即量子点自旋量子比特、双量子点单重态-三重态量子比特、双量子点混合量子比特、施主量子比特和量子点自旋施主量子比特。对于每一个，我们推导出解析的时间序列，实现单量子比特旋转沿主轴的布洛赫球。利用高斯噪声模型估计了控制误差对门保真度的影响。然后，我们通过使用一组实际的控制幅度的误差参数值，比较了由于脉冲定时误差而导致的量子比特实现之间的门延迟。
2018-10-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-fidelity gates in quantum dot spin qubits
已经提出了几种逻辑量子比特和量子门用于由施加到顶栅的电压控制的半导体量子点。不同的计划可能很难进行有意义的比较。在这里，我们开发了一个理论框架，以平等地评估不同的量子比特门控方案。我们将该方法应用于两种类型的双点量子比特：单重态-三重态（ST）和半导体量子点混合量子比特。我们研究了三种翻转量子比特状态的量子门：DC脉冲门，基于逻辑量子比特共振（LQR）的AC门，以及被称为受激拉曼绝热通道（STIRAP）的类似门的过程。这些门都是由交换相互作用介导的，该交换相互作用是使用点间隧道耦合$g$和失谐$ε$实验控制的，失谐设置了点之间的能量差。我们的程序有两个步骤。首先，我们优化门保真度（$f$）固定$g$作为其他控制参数的函数，这产生了一个$f^\text{opt}(g)$，是通用的不同类型的门。接下来，我们确定对控制参数的物理约束;这产生了特定于量子位门组合的上限$f^\text{max}$。我们表明，类似的门结晶度（$ \sim 99.5$ %）应可达到ST量子位在同位素纯化的硅，和混合量子位在天然硅。由于核自旋产生的波动磁场$ΔB$，GaAs器件获得了相当低的结晶度。
2013-12-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Achieving High-Fidelity Single-Qubit Gates in a Strongly Driven Charge Qubit with $1\!/\!f$ Charge Noise
在双量子点中形成的电荷量子比特代表了典型的两能级系统，它们既易于控制又具有高效的读出。不幸的是，电荷噪声会导致快速的退相干，典型的单量子位门的量子数会低于$90\%$。在这里，我们开发的分析方法来研究强驱动的电荷量子比特的演化，一般和$1\!/\!f$电荷噪声谱。我们表明，特殊的脉冲技术可以同时抑制由于强驱动和电荷噪声的错误，产生单量子比特门与以上$99.9\%$的结晶度。这些结果表明，量子点电荷量子比特提供了一个潜在的路线，高保真量子计算。
2019-03-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Controlled-Z gate for transmon qubits coupled by semiconductor junctions
我们分析了两个量子位通过外延半导体结的耦合。特别是，我们考虑三种配置，包括对transmons或gatemons，以及gatemon一样的两个量子位形成的外延四端结。这三种配置通过向半导体结附近的金属栅极施加电压来提供量子位之间的相互作用的电控制，并且可以用于自然地实现受控Z栅极（CZ）。我们计算了这种CZ门的保真度和定时。我们证明了在没有退相干的情况下，CZ门可以在$50\ {\rm ns}$下进行，门误差低于$10^{-4}$。
2018-01-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-fidelity CNOT gate for spin qubits with asymmetric driving using virtual gates
最近的实验已经证明了两个量子比特的保真度超过99%，然而，理论上，CNOT操作的保真度受到系统哈密顿量中非对角项所描述的非共振驱动的限制。在这里，我们调查这些非对角的贡献，我们提出了几个数量级的保真度改善使用非对称驱动。因此，我们提供了一个简单的电容模型的基础上的交流虚拟门的描述，它不仅能够高保真CNOT，但也串扰减少时，按比例放大自旋量子位器件到更大的阵列。
2021-12-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optimized cavity-mediated dispersive two-qubit gates between spin qubits
硅量子点中的单个电子和超导腔中捕获的单个光子之间的相干界面的最近实现为实现光子介导的双量子比特纠缠门开辟了道路。为了将自旋耦合到腔电场，需要某种类型的自旋-电荷杂交，这会影响自旋控制和相干性。在这项工作中，我们提出了一个腔介导的双量子比特门和计算腔介导的纠缠门的色散制度，占由于自旋-电荷杂化的错误，以及光子和声子诱导的衰变。通过优化自旋-电荷杂化的程度，我们表明，由腔光子介导的双量子比特门能够在当今的器件架构中达到超过90%的量子效率。即使存在$2\,μ\text{eV}$电平的电荷噪声，也可实现高iSWAP栅极结晶度。
2019-02-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Resonant two-qubit gates for fermionic simulations with spin qubits
本文提出用单脉冲结合基带与共振交换驱动在自旋量子比特中实现 fSim 门集，并在锗空穴自旋上实现保真度 93.8(5)% 的共振 iSWAP 门，为自旋量子处理器提供了通用高效的双量子比特门方案。
2025-07-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Exchange-based two-qubit gate for singlet-triplet qubits
我们分析了一个简单的基于交换的两量子比特门，用于门定义的半导体量子点中的单重态-三重态量子比特，可以在单个交换脉冲中实现。来自逻辑子空间的激发被磁场梯度抑制，该磁场梯度导致自旋翻转转变为非能量守恒的。我们表明，绝热脉冲的使用大大减少了泄漏过程相比，方脉冲。我们还分析和模拟了电荷噪声对门的纠缠保真度的影响，证明了物理上真实的实验参数的高纠缠保真度。具体来说，我们发现，它是可能的，以实现可比较的单量子比特状态使用现实的磁场梯度的双折射率和门时间。
2014-07-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fast Two-Qubit Gates in Semiconductor Quantum Dots using a Photonic Microcavity
量子计算的实现需要快速的单量子位和多量子位量子门操作。在光控量子点量子比特的情况下，满足量子计算中所有要求的远程两个或多个量子比特操作的理论设计还不可用。我们已经开发了一种快速，远程两量子比特门的设计，通过使用量子点腔系统的激发态的光子微腔模式介导，以满足这些需求。这种设计不需要相同的量子位，它与可用的光诱导单量子位操作兼容，并且它为可扩展的架构提供了机会。我们表明，门保真度可以超过90%的实验访问系统。
2013-01-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
A simple all-microwave entangling gate for fixed-frequency superconducting qubits
我们在超导量子比特上实现了一个全微波双量子比特门，量子比特的频率固定在最佳偏置点上。该门不需要额外的子电路，并且可以通过一个量子位在另一个量子位的跃迁频率上的微波辐射幅度来调谐。我们使用该门产生纠缠态，最大提取并发度为0.88，量子过程层析成像显示门保真度为81%。
2011-06-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Realizing flexible two-qubit controlled phase gate with a hybrid solid-state system
提出了一种实现灵活的双量子比特控制相位门的理论方案。利用传输线谐振器诱导金刚石中的氮空位与超导量子比特之间的耦合。N-V中心作为控制量子位，超导量子位作为目标量子位。通过调节外磁通，我们获得了随机超导量子比特与传输线谐振器之间理想的耦合。此外，我们的协议可以通过目前的实验技术来实现。
2011-10-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Modulated longitudinal gates on encoded spin-qubits via curvature couplings to a superconducting cavity
我们提出了基于编码自旋量子比特到超导腔的能量曲率耦合的纠缠操作，探索了量子比特对栅极电压变化的非线性响应。对于两个量子位（$n$ -量子位）纠缠门，我们探索通过时间调制纵向$σ_z$耦合获得的几何相位，即使当量子位和腔远失谐时，也提供10 ns的门时间。不需要偶极矩：在感兴趣的编码自旋量子位（三重量子点仅三电子交换量子位或双量子点单线态-三线态量子位）的全最佳点处，与谐振器的量子位横向$σ_x$耦合为零。例如，这种方法允许始终开启的仅交换量子位在栅极操作期间保持在其“甜蜜点”上，从而最小化电荷噪声并消除始终开启的静态纵向量子位-量子位耦合。我们计算了由于（1）扩散（约翰逊）噪声和（2）谐振器阻尼引起的主要门误差，（3）$1/f$ -电荷噪声量子比特门退相和纵向耦合上的$1/f$ -噪声，（4）量子比特退相和通过谐振器中光子涨落引起的ac-斯塔克频率偏移，以及（5）自旋相关的谐振器频率偏移（经由“类色散”静态曲率耦合），它们中的大多数与非零量子位能量曲率（量子电容）相关联。在最佳状态下使用自旋回波类误差抑制，$10^{-2}-10^{-3}$的门不稳定性可以用实验上现有的参数来实现。所提出的方案似乎适合于两个自旋量子比特或一群自旋量子比特的远程自旋-自旋纠缠：这是量子计算的重要资源。
2020-10-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Implementation of three-qubit Toffoli gate in a single step
多量子位门的单步实现通常被认为提供更简单的设计、更快的操作和更低的退相干。研究了三个耦合量子比特与光子场相互作用的单步Toffoli门的实现方案。我们发现，在两个控制量子比特的状态下，三量子比特系统可以用四个有效的修正Jaynes-Cummings模型来描述。在旋转波近似下，修正的Jaynes-Cummings模型被简化为传统的Jaynes-Cummings模型，其中量子比特和光子场之间存在重整化耦合。一个单步Toffoli门被证明是可实现的调谐的四个特征振荡周期，满足相称的条件。估计了单步Toffli门系统参数的可能值。通过数值计算，进一步讨论了由于系统参数的不完善而引起的单步Toffoli门的操作误差，结果表明，通过调节光子-量子比特对和量子比特-量子比特对的耦合强度，可以得到高保真度的Toffoli门。此外，Toffoli门操作上的退相干效应进行了讨论，由于热库。
2012-03-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Efficient C-Phase gate for single-spin qubits in quantum dots
双量子比特相互作用是量子信息处理的核心。对于半导体量子点中的单自旋量子比特，交换门一直被认为是自然的双量子比特门。最近在耦合的量子点系统中集成磁场或g因子梯度允许控制相位（C相）门的一步鲁棒实现。我们分析了在现实条件下可以获得的C相门持续时间和精度，包括电荷和核场波动的影响，并发现门错误概率低于10-4，可能允许容错量子计算。
2011-05-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Improving the gate fidelity of capacitively coupled spin qubits
电容耦合的半导体自旋量子位有望成为可扩展的量子计算架构的构建块，其中远程量子位之间具有长距离耦合。然而，迄今为止，在实验中实现的两量子位门的性能受到来自电荷噪声和与核自旋的超精细相互作用的退相干的严重限制，并且目前对于任何可想象的多量子位门操作都是不可接受的低。在这里，我们提出了控制协议，实现两个量子比特纠缠门，同时大大抑制由于这两种类型的噪声的错误。这些协议是通过对实验室中已经使用的控制序列进行简单修改而获得的，因此应该很容易立即进行实验实现。与现有的鲁棒单量子位门控制协议一起，我们的结果构成了在半导体平台中使用自旋量子位进行可扩展量子计算的重要一步。
2015-05-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Demonstration of an All-Microwave Controlled-Phase Gate between Far Detuned Qubits
构建大规模超导量子处理器的一个挑战是在相干性、量子位可寻址性、量子位-量子位耦合强度、电路复杂性和所需控制线数量之间找到正确的平衡。用于耦合两个量子比特的领先的全微波方法需要相对较少的控制线，并且受益于高相干性，但在多量子比特设置中遭受频率拥挤和有限的可寻址性。在这里，我们通过在两个横向耦合的transmon量子比特之间实现全微波受控相位门来克服这些限制，与量子比特非谐性相比，transmon量子比特远失谐。通过向其中一个量子位施加单个强微波音来激活门，从而诱导双量子位$|f,g\rangle$和$|g,e\rangle$状态之间的耦合，其中$|g\rangle$、$|e\rangle$和$|f\rangle$表示transmon量子位的最低能量状态。交错随机基准测试在门控持续时间为$126\,\rm{ns}$时产生门控保真度为$97.5\pm 0.3 \%$，主要误差源为去相干。我们使用Floquet理论在强驱动场的存在下对栅极进行建模，并与我们的数据吻合得很好。我们的门构成了目前两个量子位门的一个有前途的替代方案，并且可以在大规模量子处理器中具有硬件缩放优势，因为它既不需要额外的驱动线，也不需要可调谐耦合器。
2020-06-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Single-qubit gates in two steps with rotation axes in a single plane
任何单量子比特幺正操作或量子门都可以被认为是旋转。单量子比特门的典型实验实现涉及两个或三个固定的旋转轴，以及多达三个旋转步骤。在这里，我们表明，如果旋转轴可以在一个固定的平面内任意调谐，那么两个旋转步骤就足以实现单量子比特门，一个旋转步骤就足以实现状态变换。这些结果与编码在三自旋块中的“仅交换”逻辑量子比特有关，这对于无退相干子系统和子空间中的通用量子计算是重要的。
2013-03-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Stroboscopically Robust Gates For Capacitively Coupled Singlet-Triplet Qubits
最近在GaAs中具有电压控制交换相互作用的伊辛耦合双量子点自旋量子比特的工作已经显示出从振荡交换以及相邻点之间的强磁场梯度的应用中改进的双量子比特栅极结晶度。通过研究噪声如何在系统的时间演化算子中传播，我们找到了一组最佳参数，这些参数提供了一阶双量子比特门中的被动频闪规避错误。我们预测在准静态和1/ $\textit{f}$噪声的存在下，超过99%的两量子比特门的量子数，这是一个数量级的改进，在典型的未优化的实现。
2019-01-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Multi-qubit DC gates over an inhomogeneous array of quantum dots
本研究提出在非均匀量子点阵列上通过直流演化实现多量子比特门，发展了基于微扰处理的门分解与误差优化形式体系，展示了其在量子纠错和算法中的加速潜力。
2025-11-05 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fidelity benchmarks for two-qubit gates in silicon
通用量子计算将需要基于可扩展平台的量子比特技术，以及对单量子比特和双量子比特门操作的最大不一致性进行严格限制的量子纠错协议。虽然各种量子位系统在单量子位水平上显示出高的量子位，但超导体技术是唯一通过标准光刻技术制造的固态量子位，其已经证明了接近容错阈值的双量子位量子位。基于硅的量子点量子位也适合于大规模制造，并且可以使用同位素富集的硅实现高的单量子位栅极结晶度（超过99.9%）。然而，虽然已经在硅中展示了双量子位门，但还不可能使用随机基准测试来严格评估它们的可靠性，因为这需要以非零保真度完成大量量子位操作（$\gtrsim 20$）的序列。在这里，对于在门定义的量子点的电子自旋状态上编码的量子比特，我们展示了贝尔状态断层扫描，其精确度范围从80%到89%，以及两个量子比特随机基准测试，平均Clifford门保真度为94.7%，平均受控ROT（CROT）保真度为98.0%。发现与量子位的退相干时间$T_2^*$相比，这些量子度受到这里采用的相对慢的门时间的限制。因此，采用基于高拉比频率的快速门操作的硅量子比特设计，以及先进的脉冲技术，应该在不久的将来实现显着更高的量子效率。
2018-07-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Robust entangling gate for capacitively coupled few-electron singlet-triplet qubits
寻找最佳点是实现高保真量子门的关键。在传统的双量子点单重态-三重态量子比特中寻找这样的最佳点的努力，其中每个点承载一个电子（“双电子单重态-三重态量子比特”），特别是对于双量子比特操作，一直是不成功的。在这里，我们考虑单重态-三重态量子比特，允许每个量子点拥有一个以上的电子，双量子点中总共有四个电子（“四电子单重态-三重态量子比特”）。我们从理论上证明，使用组态相互作用计算，甜蜜点出现在这个耦合量子比特系统。我们进一步证明，在现实的电荷噪声和超精细噪声下，在建议的甜蜜点处的两个量子比特操作可以提供比传统的两个电子单重态-三重态量子比特系统（$\sim90\%$）更高的栅极电阻率（$\sim99\%$）。我们的结果将有助于在单重态-三重态量子比特系统中实现高保真双量子比特门。
2022-08-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Universal set of quantum gates for double-dot spin qubits with fixed interdot coupling
在非均匀磁场作用下，我们提出了一套适用于双量子点中由两个电子自旋实现的单重态-三重态量子比特的通用门操作。所有的栅极操作都是通过利用电偏置切换两个点之间的电位偏移来实现的，并且不需要对点之间的隧道耦合进行时间依赖性控制。我们分析了双电子动力学，并计算了作为所施加的电偏压的函数的有效量子比特旋转角。我们提出了明确的门序列的单量子比特旋转两个正交轴，和CNOT门序列，完成通用门集。
2007-02-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Gatemon Benchmarking and Two-Qubit Operation
最近的实验已经证明了半导体纳米线约瑟夫森结的超导transmon量子比特。这些混合门激子量子比特利用半导体的场效应可调谐性特性，以允许使用栅极电压进行完全的量子比特控制，这可能是优于传统通量控制的transmons的技术优势。在这里，我们提出了一个双量子比特门电路的实验。我们描述了量子比特的一致性和稳定性，并使用随机基准测试来证明所有门的单量子比特门误差低于0.7%，包括电压控制的$Z$旋转。我们展示了两个栅振子之间的相干电容耦合和相干交换操作。最后，我们完成了一个双量子比特控制相位门，估计保真度为91%，证明了门子量子比特用于构建可扩展量子处理器的潜力。
2015-12-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Super controlled gates and controlled gates in two-qubit gate simulations
在双量子比特门模拟中，纠缠门与单量子比特门一起使用多次来模拟另一个双量子比特门。我们展示了双量子比特门的模拟功率与其镜像门的模拟功率之间的关系。我们证明了任意的双量子比特门可以通过三个超级受控门和单量子比特门的应用来模拟。我们还给出了门的集合，可以模拟的n个应用程序的受控门在一个建设性的方式。此外，我们给出了一些门，可以使用四次来模拟一个任意的两个量子比特门。
2004-07-15 quant-ph
Decomposition of orthogonal matrix and synthesis of two-qubit and three-qubit orthogonal gates
研究了两量子比特和三量子比特正交门的矩阵分解，并在此基础上研究了两量子比特和三量子比特正交门的综合。给出了一般两量子比特正交门的最优综合方法。对于双模正交门，最多需要2个CNOT门和6个单量子Ry门。对于一般的三量子位单模正交门，在最坏的情况下，它可以由16个CNOT门和36个单量子位Ry和Rz门合成。
2012-03-04 quant-ph
Optimal control for fast and high-fidelity quantum gates in coupled superconducting flux qubits
我们应用基于Krotov方法的量子最优控制理论，实现了单量子位$X$和$Z$门以及两量子位CNOT门，用于固定量子位跃迁频率和固定非对角量子位-量子位耦合的感应耦合超导磁通量子位.我们的方案具有其他直接耦合方案的相同优点，不需要额外的耦合器支路和控制线。所需的控制线仅用于操纵各个量子位（例如，施加在每个量子位上的时间相关的磁通量或场）。量子位在最佳相干点处操作，并且门操作时间（单量子位门$< 1$ ns; CNOT门$\sim 2$ ns）比对应的量子位退相干时间短得多。CNOT门或其他一般的量子门可以在脉冲序列的单次运行中实现，而不是通过复合脉冲序列被分解成串联的若干单量子比特和一些纠缠的双量子比特操作。通过我们的方案构建的量子门都具有非常高的保真度（非常低的误差），因为我们的最优控制方案考虑了固定的量子比特失谐和固定的两量子比特相互作用以及所有其他时间依赖的磁场诱导的单量子比特相互作用和两量子比特耦合。讨论了高能级态泄漏和量子比特退相干对量子门操作的影响。
2014-06-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Using hybrid topological-spin qubit systems for two-qubit-spin gates
我们研究了一个混合量子系统，包括自旋量子比特，基于量子点中电子的自旋，和拓扑量子比特，基于马约拉纳费米子。在这样的系统中，量子点上的电荷的门控控制允许在自旋量子位和拓扑量子位之间转移量子信息，并且拓扑系统可以用于促进在空间上分离的量子点之间转移自旋量子位并且初始化纠缠的自旋量子位对。在这里，我们表明，耦合到拓扑系统也使得有可能在空间上分离的自旋量子比特上执行纠缠双量子比特门。双量子位门基于拓扑保护的编织操作、点和边缘马约拉纳模式之间的门控电荷转移以及拓扑量子位状态的测量的组合。
2012-10-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Fast multi-qubit gates through simultaneous two-qubit gates
近期量子计算机受到量子比特退相干的限制，只能以可接受的保真度运行低深度量子线路。这严重限制了量子算法可以在这些设备上编译和实现。克服这些限制的一种方法是将可用的门集合从单量子位和双量子位门扩展到多量子位门，其在单个步骤中纠缠三个或更多个量子位。在这里，我们表明，这样的多量子比特门可以实现多个两个量子比特门的同时应用到一组量子比特，其中至少一个量子比特涉及两个或更多的两个量子比特门。以这种方式实现的多量子位门与组成的两量子位门一样快，或者有时甚至更快。此外，这些多量子比特门不需要对量子处理器进行任何修改，但可以用于当前的量子计算平台。我们证明了这一想法的两个具体情况下：同时控制Z门和同时iSWAP门。我们展示了由此产生的多量子比特门与其他知名的多量子比特门的关系，并通过数值模拟证明它们在可用的量子硬件中工作良好，门的稳定性远高于99%。我们还提出了使用这些同步双量子比特门快速创建大型纠缠态的方案，如Dicke和Greenberg-Horne-Zeilinger态。
2021-08-25 quant-ph
Single qubit, two qubit gates and no signalling principle
在本工作中，我们研究了是否可以从无信号原理出发构造任意量子态的单比特和双比特量子门。我们考虑了泡利门，阿达玛门，C-Not门的问题。
2009-01-31 quant-ph
SWAP gate between a Majorana qubit and a parity-protected superconducting qubit
高保真度的量子信息处理需要快速门和长寿命量子存储器的组合。在这项工作中，我们提出了一种混合架构，其中奇偶保护的超导量子位直接耦合到马约拉纳量子位，它扮演着量子存储器的角色。超导量子位是基于一个$π$ -周期性约瑟夫森结实现与栅极可调半导体线，其中个别库珀对的隧穿被抑制。其中一条线还包含四个定义量子位的马约拉纳零模式。我们证明，这使得实现的SWAP门，允许之间的拓扑和常规量子比特的量子信息的转导。这种架构结合了快速门，这可以实现与超导量子位，与拓扑保护马约拉纳内存。
2022-05-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Realization of quantum gates with multiple control qubits or multiple target qubits in a cavity
本文提出了一种利用腔中的四能级量子系统实现三量子比特受控相位门和一个量子比特同时控制n个目标量子比特的多量子比特受控非门的方案。不需要在栅极实施期间调整电平间距。多量子比特控制的非门的实现时间与量子比特的数量无关。将三比特相位门推广到多控制比特的n比特相位门，与传统的门分解方法相比，其计算步骤（复杂度）线性减少。我们的方案可以应用于各种类型的物理系统，如超导量子比特耦合到谐振腔和囚禁在一个腔中的原子。实验的可能性，我们的方法也提出。
2015-03-02 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
Phase gate of one superconducting qubit simultaneously controlling n qubits in a cavity
我们提出了如何实现一个超导量子比特同时控制N个量子比特的三步相位控制门（1<n<N）。该门的操作时间与门操作中涉及的量子位数n无关。这种相位门同时控制n个量子位对腔模的初始状态不敏感，并且可以用于产生同时作用于n个量子位的类似CNOT门。
2013-03-18 quant-ph
Phase gate of one qubit simultaneously controlling $n$ qubits in a cavity
我们提出了如何实现一个量子比特的三步控制相位门，同时控制腔中或耦合到谐振器的$n$量子比特。形成该多量子位相位门的$n$双量子位受控相位门可以同时执行。该相位门的操作时间与量子位的数量$n$无关。这种相位门同时控制$n$量子位对腔模的初始状态不敏感，并且可以用于产生同时作用于$n$量子位的类似CNOT门。我们提出了两种替代方法来实现这个门。一种方法是基于调谐量子比特频率，而另一种方法是调谐谐振器频率。以超导量子位耦合到谐振器为例，我们展示了如何实现一个超导量子位同时控制从耦合到谐振器的$N$量子位（$1<n<N$）中选择的$n$量子位的门.我们还讨论了利用一个初始处于任意态的腔来实现原子门的问题。
2010-11-08 quant-ph
Electronically-controlled one- and two-qubit gates for transmon quasicharge qubits
University of Queensland（昆士兰大学）；University of Sydney（悉尼大学）；Concordia University（康考迪亚大学）
本研究提出利用拓扑超导体形成的隧道结实现单量子比特和双量子比特门，通过动态4π周期约瑟夫森效应，展示了一种基于最小Kitaev链量子点结的准电荷量子比特门实现策略。
2026-01-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Efficient construction of three- and four-qubit quantum gates by global entangling gates
我们提出了改进的电路的控制-控制-相位（Toffoli）门和控制-交换（Fredkin）门，分别使用三个和四个全局两量子位门。与传统电路相比，这几乎是两倍的速度，传统电路需要五个（对于Toffoli）和七个（对于Fredkin）条件双量子位门。我们采用相同的方法，通过七个全局两量子比特门来构造条件四量子比特相位门。我们还提出了建设的Toffoli和Fredkin门与五个最近邻的相互作用。我们的构造不采用辅助量子位或辅助内部状态，并且特别适合于离子量子位和电路QED系统，其中纠缠操作可以通过全局寻址来实现。
2015-03-09 quant-ph
Two-qubit gates for decoherence-free qubits using a ring exchange interaction
众所周知，可以在许多物理量子比特上编码逻辑量子比特，使得它不受集体退相干的影响，并且可以使用这些“无退相干”量子比特来执行通用量子计算。然而，目前提出的对这些编码量子位执行门的方法可能难以实现，或者可能需要太多时间来执行。在这里，我们调查是否利用环交换的相互作用，这可能是自然存在的，可以简化这些门的实现以任何方式。利用环交换相互作用，我们发现了一种方法，使用5个脉冲序列在4量子比特无消相干子空间和3量子比特无消相干子系统上创建受控Z门。这在简单性很重要或环交换相互作用突出的情况下可能很有用。我们还研究了定时误差和磁场波动如何影响这个门的保真度。
2013-09-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el quant-ph
Single Shot i-Toffoli Gate in Dispersively Coupled Superconducting Qubits
量子算法通常受益于执行多量子位（>2）门的能力。到目前为止，这种多量子位门通常被分解为单量子位门和双量子位门，特别是在超导量子位架构中。在一个步骤中执行多量子位操作的能力可以大大提高许多算法的保真度和执行时间。在这里，我们提出了一个Single Shot方法来执行一个i-Toffoli门，一个三量子比特门门，两个控制和一个目标量子比特，使用目前现有的超导硬件。我们展示了数值证据的过程保真度超过98%和500纳秒的门时间的超导量子比特通过可调谐耦合器相互作用。我们的方法可以直接向前扩展，以实现具有两个以上控制量子位的门。
2021-11-10 quant-ph
Programmable two-qubit gates in capacitively coupled flopping-mode spin qubits
在门定义的半导体量子点领域中的最新成就加强了基于自旋的量子计算机的概念，该基于自旋的量子计算机由经由超导电路谐振器光子彼此通信的局部连接的量子比特的节点组成。在这项工作中，我们从理论上证明了一个通用的一套量子门之间的相邻自旋量子位定义在半导体量子点位于同一节点的这样一个基于自旋的量子计算机。通过在磁场梯度中移动穿过双量子点势的电子的自旋获得的电偶极子已经实现了与谐振器光子的强耦合和低功率自旋控制。在这里，我们表明，这种触发模式的自旋量子位也提供了可调性，以编程多个双量子位门。由于这些量子位之间的电容耦合带来了额外的失相，我们计算了最直接的实验实现中不同的两个量子位门的估计失真。
2020-05-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Randomized benchmarking and process tomography for gate errors in a solid-state qubit
我们提出了测量单量子比特的超导量子比特门误差。从量子过程断层扫描和随机基准的结果进行比较，从双π脉冲实验获得的门误差。随机基准测试揭示了1.1+/-0.3%的最小平均门误差和保真度对门数量的简单指数依赖。它表明，门保真度的限制主要是由量子比特退相干，与理论一致。
2008-11-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Modifying $n$-qubit controlled-$ZX$ gate to be $n$-qubit Toffoli gate
本文修改受控-$ZX$门的分解方法，仅用$2n-3$个附加单量子比特门实现$n$-量子比特Toffoli门，保持原电路深度$8n-20$且无需辅助比特，并证明其在现有物理系统中易于构建。
2023-05-24 quant-ph
