Manipulation and Detection of a Trapped Yb+ Ion Hyperfine Qubit
我们展示了使用被捕获的镱离子作为量子比特的量子信息处理。我们实现了快速，有效的状态准备和状态检测的一阶磁场不敏感的超精细水平的171 Yb+，与测量的相干时间为2.5秒。这些操作的高效率和高保真度通过相关激光源的稳定和频率调制来实现。
2007-08-05 quant-ph
High fidelity entanglement of 43Ca+ hyperfine clock states
在使用奇数钙同位素43 Ca+的实验中，我们通过在这两个量子比特之间进行映射，将光学跃迁（光学量子比特）上的高保真纠缠操作的优点与超精细基态（超精细量子比特）中的两个“时钟”状态的长相干时间相结合。对于状态初始化，状态检测，全局量子比特旋转和映射操作，误差小于1%，而纠缠门增加了2.3%的误差。基于这些操作，我们在光学量子比特中创建了保真度为96.9（3）%的Bell态，并且在映射到超精细态时保真度为96.7（3）%。在后一种情况下，纠缠被保持96（3）ms，超过单个门操作的持续时间三个数量级。
2009-09-03 quant-ph
Control landscape for ultrafast manipulation by a qubit
在这项工作中，我们研究了量子比特超快操纵的目标泛函的极值。陷阱是目标泛函的极值，这些极值对于量子系统的操纵来说只是局部的而不是全局的。在先前的工作中，许多努力都致力于分析由足够长的激光脉冲控制的量子系统的陷阱，例如，通过具有长控制脉冲的量子比特的操纵被证明是无陷阱的。超快飞秒和阿秒控制现在变得广泛应用，激发了在超快时间尺度上分析陷阱的必要性。我们对量子比特进行了这样的分析，并表明量子比特中的超快状态转移在量子比特的初始和最终状态的大范围内保持无陷阱。我们证明，在这个范围内的初始和最终状态之间的过渡概率有一个鞍，但没有陷阱。
2019-09-19 quant-ph
Eliminating Leakage Errors in Hyperfine Qubits
量子比特子空间之外的粒子数泄漏是一个特别有害的错误源，无法通过标准纠错方法处理。利用囚禁的$^{171}$ Yb $+$离子，我们提出了一种抑制原子超精细量子比特泄漏误差的光抽运方案。利用四极跃迁的选择规则和窄线宽，有选择地将布居数从泄漏态抽回量子比特子空间。每个泵送循环将泄漏量减少$\sim3$的一个因子，从而允许循环次数的指数抑制。我们在量子比特子空间上使用交错随机基准测试来表明这种泵浦过程对未泄漏的量子比特具有可忽略的副作用，每个周期通过$\leq2.0(8)\times10^{-5}$限制诱导的量子比特存储器错误，并且每个周期量子比特种群衰减到$\leq1.4(3)\times10^{-7}$。这些结果为实现量子纠错和纠错协议扫清了一个主要障碍。
2020-05-03 quant-ph
Demonstrating experimentally the encoding and dynamics of an error-correctable logical qubit on a hyperfine-coupled nuclear spin qudit
本研究利用电子–核双共振在超精细耦合的 I=3/2 核自旋 qudit 上编码可纠错逻辑量子比特，并通过受控磁场涨落与自然退相干实验验证其容错量子存储潜力。
2025-01-09 quant-ph
High fidelity state preparation and measurement of ion hyperfine qubits with I > 1/2
我们提出了一种使用核自旋高于$I = 1/2$的俘获离子超精细量子位实现高保真状态制备和测量（SPAM）的方法。这些高自旋核同位素的基态不能提供简单的频率选择态制备方案。我们绕过这个限制，频闪驱动强和弱的过渡，混合快速光泵使用偶极跃迁和窄微波或光四极跃迁。我们用$I=3/2$同位素$^{137}\mbox{Ba}^+$证明了这种方法，以实现$\left(9.0 \pm 1.3\right) \times 10^{-5}$（$-40.5 \pm 0.6$ dB）的SPAM保真度，从而促进了具有有利波长和质量的更广泛离子同位素的使用。
2022-05-04 quant-ph
Hyperfine spin qubits in irradiated malonic acid: heat-bath algorithmic cooling
执行量子纠错的能力是可扩展的量子信息处理的显著障碍。多轮量子纠错的关键要求是从辅助量子比特动态提取熵的能力。热浴算法冷却是一种使用量子逻辑操作将熵从一个子系统移动到另一个子系统的方法，并允许将自旋量子位冷却到闭合系统（香农）界限以下。伽马辐照的、$^{13}$ C标记的丙二酸提供多达5个自旋量子位：1个自旋半电子和4个自旋半核。原子核是强烈的超精细耦合到电子，可以通过利用超精细相互作用的各向异性部分或通过使用脉冲电子-核双共振（ENDOR）技术来控制。电子将原子核连接到一个由电子的热自旋极化决定的更冷的有效温度的热浴中。通过准确地确定完整的自旋哈密顿量和进行现实的算法模拟，我们表明，实验演示的热浴算法冷却超过香农界是可行的，在这两个3量子比特和5量子比特的变体自旋系统。类似的技术可以用于极化分子或晶体系统中的原子核，其允许电子自旋的非平衡光学极化。
2015-05-13 quant-ph
Fully tunable hyperfine interactions of hole spin qubits in Si and Ge quantum dots
空穴自旋量子比特是可扩展量子计算机的前沿平台，但最先进的设备受到来自与核缺陷的超精细相互作用的噪声的影响。我们发现，这些相互作用具有高度可调的各向异性，这是由设备设计和外部电场控制。这种可调谐性使得超精细噪声被抑制了一个数量级并且与同位素纯化的材料相当的最佳点成为可能。我们确定了令人惊讶的简单设计，其中量子位是高度相干的，并且在很大程度上不受电荷和超精细噪声的影响。我们发现，细长量子点典型的大自旋轨道相互作用不仅加快了量子位操作，而且还显着地重新规范化超精细噪声，定性地改变了驱动量子位的动力学，提高了量子位门的保真度。我们的研究结果可以作为设计高性能量子比特以扩大量子计算机的指导方针。
2021-06-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Polarisation-insensitive state preparation for trapped-ion hyperfine qubits
针对囚禁离子量子比特态制备依赖圆偏振光的问题，提出并实现一种依赖频率选择性的混合光学/微波方案，实验验证其在线偏振和混合偏振下均实现高保真度，且在更重离子中具备更高潜力。
2024-06-20 quant-ph
Time-bin to Polarization Conversion of Ultrafast Photonic Qubits
量子信息在光子时间仓量子比特中的编码适合于长距离量子通信方案。在实践中，由于诸如检测器响应时间或共极化时间仓可以被切换的速度之类的技术约束，其他编码（例如极化）通常优选用于像状态检测这样的操作。在这里，我们提出了使用基于超快光学克尔快门的方法在偏振和时间仓编码之间进行量子比特转换，并在快门速度接近1 ps的情况下获得97%的效率和0.827+/-0.003的平均保真度。我们的演示描绘了混合和高速光量子网络的发展的基本要求。
2017-11-27 quant-ph
Silicon T centre hyperfine structure and memory protection schemes
Simon Fraser University（西蒙菲莎大学）；Photonic Inc.（Photonic公司）；Thayer School of Engineering, Dartmouth College（达特茅斯学院塔克工程学院）；Leibniz-Institut für Kris（莱布尼茨危机研究所）
本研究确定了硅T中心的氢超精细耦合张量，并提出保护其内存量子比特免受退相干的方案，为实现实用T中心量子网络提供关键支持。
2025-12-18 quant-ph
Leakage mitigation for quantum error correction using a mixed qubit scheme
泄漏错误将量子比特从计算子空间中取出，如果不解决，则会累积。泄漏的量子比特将降低量子纠错协议的有效性，这是由于实现泄漏减少电路的成本以及泄漏状态与量子比特状态相互作用所造成的危害。由拉曼门驱动的离子阱量子比特在编码在可以泄漏的磁不敏感超精细状态中的量子比特和编码在不能泄漏的电子自旋的磁敏感塞曼状态中的量子比特之间具有自然选择。在我们以前的工作中，我们比较了这两个量子比特的情况下的复曲面代码与去极化泄漏误差模型，并发现，对于磁场噪声的标准偏差小于32 $μ$ G的$^{174}$ Yb $^+$塞曼量子比特优于$^{171}$ Yb $^+$超精细量子比特。在这里，我们研究了一个物理动机的泄漏误差模型的基础上，通过Molmer-Sorenson门离子相互作用。我们发现，这大大提高了超精细量子比特的性能，但塞曼量子比特是更有效的磁场噪声的标准偏差小于10 $μ$ G。在这些低磁场下，我们发现最好的选择是混合量子位方案，其中超精细量子位是辅助，并且在不需要额外的泄漏减少电路的情况下处理泄漏。
2019-05-06 quant-ph
Qubit-environment entanglement outside of pure decoherence: hyperfine interaction
在基于自旋的量子器件架构中，电子自旋量子比特与核自旋环境之间的超精细相互作用仍然是退相干的主要来源之一。本文简要回顾了量子比特退相干动力学理论描述的最新进展。接下来，我们研究了量子比特环境纠缠，使用负性作为它的度量。对于初始最大混合态的环境，我们研究了负性动力学作为环境大小的函数，改变环境核的数量和核的总自旋。此外，我们还研究了磁场对量子位环境解纠缠时间尺度的影响。
2022-10-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Ultrafast deterministic generation of entanglement in a time-dependent asymmetric two-qubit-cavity system
我们提出了一个在两个腔QED系统（冷囚禁离子和飞行原子）中控制产生具有{ \em any}期望纠缠度和{ \em prescribed}对称性的纯两量子比特态的有效方案.这是通过共振离子/原子腔耦合，这是时间依赖性和不对称的，导致捕获真空状态的条件下，不会出现相同的耦合。耦合比的作用中的对偶性产生具有给定并发但相反对称性的状态。文中还讨论了该方案的实验可行性。
2003-11-17 quant-ph
Robust two-qubit gates for donors in silicon controlled by hyperfine interactions
我们提出了两种策略，用于对硅中磷供体的交换耦合对的电子自旋进行双量子比特操作，使用将供体核自旋设置在任意状态的能力。当$^{31}$ P核处于相反的自旋态时，超精细相互作用提供了两个电子量子比特的有效磁失谐。这可以被利用来开启和关闭SWAP操作，其中适度地调节电子交换相互作用。此外，超精细失谐实现了基于选择性共振激发的高保真条件旋转门。后者根本不需要动态调整交换相互作用，并且提供了一个非常有吸引力的方案来在现实的实验条件下实现两个量子位逻辑门。
2013-12-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Hyperfine-induced decoherence in triangular spin-cluster qubits
我们研究了三角形自旋团簇中不同量子比特编码的超精细诱导退相干。电可控自旋手征本征态（C_z）的退相干时间接近毫秒，比总自旋投影本征态（S_z）和部分自旋和本征态（S_{12}）的退相干时间长两个数量级。手性的鲁棒性是由于它与团簇中的总自旋分量和单个自旋分量解耦。这导致C_z与核自旋浴之间的有效相互作用被抑制。
2012-05-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
OH hyperfine ground state: from precision measurement to molecular qubits
我们使用精确的微波光谱--在斯塔克减速的辅助下--来揭示OH在其^2基态中的低磁场行为，确定了两个适合作为量子比特的场不敏感超精细跃迁，并确定了Λ-二重态的相反宇称分量之间的差分Lande g因子为1.267（5）\times 10^{-3}。我们成功地用一个有效的超精细塞曼哈密顿量对数据进行了建模，我们用它对磁敏感的、天体物理上重要的ΔF= \pm 1卫星线频率进行了十倍的改进，得到了1720529887（10）Hz和1612230825（15）Hz。
2006-08-18 physics.atom-ph quant-ph
Role of hyperfine interaction for cavity-mediated coupling between spin qubits
我们考虑两个量子比特通过光学腔相互作用，其中每个量子比特由限制在量子点中的单个电子自旋表示。众所周知，III-V族半导体量子点中的电子自旋受到由于与核自旋的超精细相互作用而引起的退相干的影响。在这里，我们表明两个量子比特之间的相互作用也受到Overhauser场的影响。从非极化核系综出发，研究了两量子比特门的量子数与Overhauser场的依赖关系。我们包括超精细相互作用微扰到二阶在我们的分析结果，并以任意精度数值。
2012-04-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.other quant-ph
High-fidelity indirect readout of trapped-ion hyperfine qubits
我们提出并证明了一个协议，用于高保真间接读出捕获离子超精细量子比特，其中的$^9\text{Be}^+$量子比特离子的状态被映射到一个$^{25}\text{Mg}^+$读出离子使用激光驱动的拉曼跃迁。通过将$^9\text{Be}^+$基态超精细流形划分为表示两个量子比特状态的两个子空间并选择适当的激光参数，可以使该协议对拉曼跃变上的自发光子散射误差具有鲁棒性，从而能够重复以提高读出保真度。我们证明了两个子空间的$1.2^{+1.1}_{-0.6} \times 10^{-4}$和$0^{+1.9}_{-0} \times 10^{-5}$与68%的置信度，同时避免观众量子位的退相干，由于杂散共振光，这是固有的直接荧光检测的组合读出和反向作用的错误。
2021-12-12 physics.atom-ph quant-ph
Ultrafast quantum gate operations in a Kramers-Henneberger atom Qubit
University College London（伦敦大学学院）；Department of Chemistry at the University of Warwick（华威大学化学系）
本研究提出以Kramers-Henneberger原子为量子比特平台，通过含时薛定谔方程模拟实现飞秒级超快单量子比特门，其速度远超超导量子比特门，且保真度受结构化泄漏限制，具备实现阿秒级操作的潜力。
2026-08-10 quant-ph
Hyperfine-induced dephasing in three-electron spin qubits
我们计算了三电子纯交换量子比特与核超精细场相互作用的纯退相时间。在$S=S_z=1/2$自旋子空间内，我们推导出了$(1,1,1)$电荷区和通过隧穿耦合的相邻电荷扇区中的退相时间的公式。在二阶近似下考虑了核场和隧穿效应。的解析解准确地再现了完整的问题的数值评估，并与现有的实验数据相比，我们发现，失相时间更长，但在相同的时间尺度为单自旋。我们的分析也适用于谐振交换（RX），始终在线交换（AEON）和混合量子比特。
2017-06-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Near-Perfect Simultaneous Measurement of a Qubit Register
利用增强型电荷耦合器件（CCD）成像仪实现了对111Cd+离子超精细能级中多个量子比特的同时测量。提出了超精细量子比特荧光检测的一般理论，并应用于实验数据。用于光子检测的成像器的使用允许具有大于98%的检测准确度的多量子位状态测量。在可扩展量子计算架构的背景下讨论了读出速度和保真度的改进。
2006-02-22 quant-ph
Experimental quantum state tomography of a solid state qubit
利用全量子态层析技术对掺杂在Y2 SiO 5晶体中的Pr 3+离子的两个超精细能级实现的基于系综的量子比特的状态进行了表征。我们通过实验验证了使用Roos-Moelmer暗态方案可以抑制由于系综不均匀性引起的单量子比特旋转误差。实现了> 90%以上的保真度，可能受到激发态退相干的限制。尽管在Roos-Moelmer方案中没有明确考虑，但由于超精细跃迁的不均匀加宽而导致的退相干似乎也在很大程度上受到抑制。
2007-08-06 quant-ph
Impact of measurement backaction on nuclear spin qubits in silicon
本文基于主方程方法研究了电子介导的测量反作用对硅中磷施主核自旋量子比特寿命的影响，发现多施主量子比特特有的核自旋翻转机制可通过超精细斯塔克位移有效抑制，从而实现比单施主更长的核自旋寿命。
2023-10-19 quant-ph
Ultrafast Gates for Single Atomic Qubits
我们利用锁模激光器产生的单个超快脉冲实现了对囚禁原子超精细量子比特的单量子比特操作。我们对激光脉冲进行整形，并在小于50 ps的时间内对量子位进行π旋转，其中布居转移超过99%，自发发射或交流斯塔克位移的影响可以忽略不计。门时间明显短于陷阱中原子运动的周期（拉比频率/陷阱频率> 10000），表明这种相互作用发生在强激发区的深处。
2010-05-22 physics.atom-ph quant-ph
Squeezed hole spin qubits in Ge quantum dots with ultrafast gates at low power
平面锗异质结构中的空穴自旋量子比特是可扩展量子计算机的前沿平台之一。在这些系统中，自旋轨道相互作用允许有效的全电量子位控制。我们提出了一个最小的设计修改的平面设备，增强这些相互作用的数量级，并使低功耗超快量子比特操作在GHz范围内。我们的方法是基于一个不对称的潜力，强烈挤压量子点在一个方向上。这种约束诱导的自旋轨道相互作用不依赖于器件的微观细节，如生长方向或应变，并且可以在最先进的量子位中按需打开和关闭。
2021-03-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Ultrafast Single-Qubit Gates in the Diabatic Regime
本文建立绝热与非绝热区域的单量子比特门模型，证明在RWA失效时使用超短脉冲仍可获得与标准条件相当的保真度。
2025-09-27 quant-ph
Ultrafast Hybrid Fermion-to-Qubit mapping
本研究提出一族保局域性费米子-量子比特映射，所需辅助量子比特少于现有方案，还提出结合Jordan-Wigner与Bravyi-Kitaev映射优势的非局域变体，大幅缩短电路长度。
2023-06-22 quant-ph
Decoherence induced by anisotropic hyperfine interaction in Si spin qubits
我们研究了Si：P施主电子自旋退相干由于各向异性超精细（AHF）与周围的核自旋浴相互作用。特别是，我们澄清了电子自旋回波包络调制（ESEEM）在Si：P系统和共振的贡献，从核自旋在各种壳层远离P原子。我们提出了一种方法，以尽量减少AHF引起的退相干，通过避免共振和定向施加磁场沿方向，可以定期消除占主导地位的最近邻原子的贡献。我们显着的协议与实验表明，几乎完全理解的电子自旋退相干Si：P结合ESEEM，光谱扩散，瞬时扩散，自旋晶格弛豫。
2007-08-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-fidelity ion-trap quantum computing with hyperfine clock states
我们提出了一个几何相位门的磁场不敏感量子比特与$\hatσ^z$依赖的力的捕获离子量子计算的实现。该力由拉曼配置中的两个激光束施加。量子位-状态依赖性通过从虚拟激发态的小频率失谐来实现。具有长辐射寿命的激发态的离子种类用于将自发光子发射的机会减少到小于10个$^{-8}$/门运行。这消除了先前实现的栅极失真的主要来源。利用该方案，似乎可以达到容错阈值。
2007-10-24 quant-ph
Predicted Ultrafast Single Qubit Operations in Semiconductor Quantum Dots
最近提出的几种可扩展量子计算的实现依赖于操纵半导体中单个电子的自旋极化的能力。迄今为止，最快速的单自旋操纵技术依赖于通过自旋敏感的光学斯塔克效应产生有效的磁场。这种方法已被用来分裂自旋态的胶体CdSe量子点和操纵合奏的自旋在ZnMnSe量子阱与飞秒光脉冲。本文报道了在含单电子的量子点中，这一过程将产生自旋的相干旋转，计算得到的有效磁场的大小取决于量子点的带隙和应变。我们预测，在InAs/InP点中，对于合理的实验参数，旋转的幅度是足够的，并且固有误差足够低，使它们能够作为基于量子点的量子计算机的元素。
2002-11-25 quant-ph
Ultrafast coherent control of a hole spin qubit in a germanium quantum dot
操作速度和相干时间是衡量量子比特生存能力的两个核心指标。强的自旋轨道相互作用（SOI）和相对较弱的超精细相互作用使锗（Ge）中的空穴成为具有快速、全电相干控制的自旋量子比特的有趣候选者。在这里，我们报告的超快单自旋操纵在一个基于空穴的双量子点在锗hut线（GHW）。在强SOI的介导下，在100 mT的磁场下观察到超过540 MHz的Rabi频率，创下了半导体系统中超快自旋量子比特控制的记录。我们证明了强SOI的重空穴（HH）在我们的GHW，其特征在于由一个非常短的自旋轨道长度为1.5纳米，使我们完成的快速栅极操作。我们的研究结果表明，空穴自旋量子比特的超快相干控制的潜力，以满足可扩展的量子信息处理器的Dijuenzo的标准的要求。
2022-01-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Ultrafast initialization and QND-readout of a spin qubit via control of nanodot-vacuum coupling
超快初始化使得能够对量子信息进行容错处理，而QND读出使得能够进行可扩展的量子计算。通过在n掺杂纳米点周围空间组装光子谐振器和波导并且通过在时间上设计光泵浦脉冲，可以建立从电子自旋到带电激子到腔光子并且最终到波导中的飞行光子的有效量子路径。真空纳米点耦合的这种控制可以用于自旋的超快初始化和QND读出，这与光学驱动的自旋量子计算机特别兼容。
2004-08-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Scalable hyperfine qubit state detection via electron shelving in the ${}^2$D$_{5/2}$ and ${}^2$F$_{7/2}$ manifolds in ${}^{171}$Yb$^{+}$
量子比特被编码在被困离子的超精细态中，由于它们的寿命长和对磁场的敏感性低，因此它们是量子计算的理想选择，但它们在检测过程中会受到非共振散射的影响，这往往限制了它们的测量保真度。在${}^{171}$ Yb $^{+}$中，这由于低荧光产率而加剧，这导致需要复杂且昂贵的硬件-特别是当按比例增加量子位数时，这是一个有问题的瓶颈。我们证明了一个检测程序的基础上电子搁置，以解决这个问题，在${}^{171}$ Yb $^{+}$和实现5.6 $\times$减少单离子检测误差的雪崩光电二极管$1.8(2)\times10^{-3}$在100 $μ$ s的检测周期，和4.3 $\times$误差减少电子倍增CCD相机，与$7.7(2)\times10^{-3}$错误在400 $μ$ s。我们进一步提高了在760 nm处的再泵浦跃迁的表征，以使搁置后填充的辅助$^2$ F $_{7/2}$状态能够更快速地重置。最后，我们使用长寿命的$^2$ F $_{7/2}$状态检查检测保真度极限，在相应的检测器上在1 ms内将误差进一步减少到$6(7)\times10^{-6}$和$6.3(3)\times10^{-4}$ 300 $\times$和12 $\times$。虽然搁置率限制在我们的设置，我们建议各种技术来实现这种检测方法的速度与量子信息处理兼容，提供了一种途径，超高保真度检测${}^{171…
2020-12-29 quant-ph
Hyperfine-assisted decoherence of a phosphorus nuclear-spin qubit in silicon
硅中磷原子的核自旋已被用作各种量子信息实验中的量子比特。有人提出，这种核自旋量子比特可以有效地控制由一个交流电场，当嵌入在一个两个电子点施主设置受到本征或人工自旋轨道相互作用。将量子位暴露于该设置中的控制电场也将其暴露于电噪声。在这项工作中，我们描述了电噪声机制（例如声子和$1/f$电荷噪声）的影响，并估计了核自旋量子比特相应的退相干时间尺度。我们确定了一个有前途的参数范围内的电单量子比特操作至少快一个数量级，然后退相干。在这种情况下，由于$1/f$电荷噪声，退相干由退相主导。我们的研究结果有利于纳米结构的优化设计，以证明电驱动的核自旋共振。
2019-03-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Ultrafast and deterministic generation of Bell states in the ultrastrong coupling regime
本文发现各向异性双量子比特量子 Rabi 模型的暗态解，并提出利用绝热演化沿暗态确定性生成贝尔态，借助斯塔克位移将生成时间缩短至亚纳秒尺度且保真度达99%。
2023-08-08 quant-ph
Ultrafast Superconducting Qubit Readout with the Quarton Coupler
本文提出利用 quarton 耦合器实现 transmon 量子比特与读出谐振器间大于 250 MHz 的交叉克尔耦合，将超导量子比特读出时间缩短至 5 ns，并保持超过 99% 的读出与 QND 保真度。
2024-02-24 quant-ph
Ultrafast QND measurements based on diamond-shape artificial atom
我们提出了一个量子非破坏（QND）读出方案的超导人工原子耦合到谐振腔中的电路QED架构，我们估计，没有Purcell效应的限制，一个非常高的测量保真度。该器件由两个通过大电感耦合的transmons组成，通过类交叉克尔项相互作用，产生一个菱形人工原子，一个逻辑量子比特和一个辅助量子比特。该辅助元件强耦合到传输线谐振器。根据量子比特状态，辅助物共振地或色散地耦合到谐振器，导致所传输的微波信号幅度的大对比度。这种原始的方法可以用最先进的约瑟夫森参量放大器来实现，从而在几十纳秒内实现QND测量，保真度高达99.9%。
2013-02-15 quant-ph
Ultrafast and Electrically Tunable Rabi Frequency in a Germanium Hut Wire Hole Spin Qubit
本研究报道了锗空穴自旋量子比特中拉比频率可通过失谐能量和栅极电压电调谐，并实现超过1.2 GHz的超快速度，证明了强自旋轨道相互作用，对半导体量子计算有重要意义。
2023-04-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-fidelity readout of trapped-ion qubits
我们证明了单次量子比特读出的保真度足以容错量子计算，两种类型的量子比特存储在单个捕获的钙离子。对于存储在40 Ca+的（4S_1/2，3D_5/2）能级上的光学量子比特，使用时间分辨光子计数，我们在一百万次试验中获得了99.991（1）%的平均读出保真度。自适应测量技术允许在145 us的平均检测时间内达到99.99%的保真度。对于43 Ca+长寿命4S_1/2（F=3，F=4）子能级中的超精细量子比特，我们提出并实现了一种简单而稳健的光抽运方案，将超精细量子比特转换为光学量子比特，在10 μ s内理论保真度达到99.95%。实验上，我们实现了99.77（3）%的净读出保真度，推断传输操作的保真度至少为99.87（4）%。
2008-04-22 quant-ph
Coherent control for qubit state readout
来自锁模激光器的短脉冲可以通过允许从随后的原子发射中暂时分离即时的附带散射来产生无背景的原子荧光。我们利用这一点将光频和电子搁置囚禁离子量子比特的量子态检测提高了2个数量级以上。然而，对于定义在原子超精细结构上的量子比特的直接检测，短脉冲的大带宽大于超精细分裂，并且重复激发不是量子比特状态选择性的。在这里，我们表明，所需的超精细量子比特的投影量子测量的状态分辨率可以通过应用相干控制的查询离子的轨道价电子的技术来恢复。我们证明了电子波包干涉，允许使用宽带脉冲读出原始量子比特状态，即使在存在大量的背景激光散射。
2019-11-22 physics.atom-ph quant-ph
Measurement-Free Ultrafast Quantum Error Correction by Using Multi-Controlled Gates in Higher-Dimensional State Space
量子纠错是超越现有中等噪声量子器件向容错量子计算迈进的关键一步。然而，大多数的错误纠正以往任何时候都依赖于后选择的事件或后校正的状态，在电路执行过程中重复记录的测量结果的基础上。另一方面，实时误差校正应该通过经典的测量结果到数据量子比特的前馈来执行。它提供了不可避免的延迟，这将限制下一代量子处理器的可扩展性。在这里，我们提出了一种新的方法来实时纠错，是免费的测量和实现基于高维状态空间的多控制门。具体来说，我们提供了一系列新的分解的Toffoli门通过使用最低的三个能级的transmon，显着减少了两个量子位门的数量，并讨论其基本特征，如可扩展到任意数量的控制量子位，专门控制非门的必要性，和有用的不完整的变体。结合最近演示的快速双量子比特门和全微波量子比特复位方案，与基于测量的方法相比，它将大大缩短纠错和复位辅助量子比特所需的时间，并提供$\gtrsim1$ ~MHz的纠错率，对于三量子比特比特和相位翻转错误具有高精度。
2021-09-06 quant-ph
Ultrafast switching of photonic entanglement
为了部署和运行利用现有电信基础设施的量子网络，必须能够以最小的损耗和信号带噪声高速路由纠缠光子，并且最重要的是-不干扰光子的量子态。在这里，我们提出了一个开关，满足这些要求，并在单光子水平上表征其性能;它表现出200 ps的开关窗口，120：1的对比度，1.5 dB的损失，并没有引起可测量的退化切换光子的纠缠态保真度（< 0.002）。此外，由于这种类型的开关耦合了时间和空间自由度，因此它提供了一种重要的新工具，可以在单个光子中编码多量子比特状态。作为这种能力的原理证明，我们从双通道时分复用纠缠光子流中解复用单个量子信道，有效地在五量子比特双光子态的两量子比特子空间上执行受控比特翻转。
2011-01-06 quant-ph
Enhanced-Fidelity Ultrafast Geometric Quantum Computation Using Strong Classical Drives
我们提出了一种通用的方法来实现非绝热几何单和双量子比特门超越旋转波近似（RWA）。该协议与以前的RWA协议中使用的最优控制方法兼容;因此，它与RWA协议一样鲁棒（甚至比RWA协议更鲁棒）。使用反向旋转效应使我们能够应用强大的驱动器。因此，与用于实现高保真（$\geq 99.99\%$）门的RWA对应物相比，我们可以将门速度提高5- 10倍。这样的超快演化（纳秒，甚至皮秒）显著地降低了退相干的影响（例如，量子位耗散和失相）。此外，由于反向旋转效应不再引起栅极不稳定性（在弱驱动和强驱动机制中），因此与RWA协议相比，我们可以实现更高的保真度。因此，在存在退相干的情况下，人们可以实现具有$\geq 99\%$并行性的超快几何量子门。
2022-12-21 quant-ph
Strain and Electric Field Control of Hyperfine Interactions for Donor Spin Qubits in Silicon
超精细相互作用的控制是基于硅中浅施主的量子计算架构方案的基本要求。然而，目前，缺乏一个原子的方法，包括关键的影响，中央电池的校正和非静态筛选的施主电位能够描述的超精细相互作用的应变和电场在现实尺寸的设备中的存在。我们建立并应用了一个基于原子紧束缚理论的理论框架，定量地确定了应变和电场依赖的施主超精细耦合。我们的方法可扩展到数百万个原子，但捕获的应变效应与DFT方法的精度水平。与现有实验数据集的良好一致性允许基于量子位的仅应变以及混合（应变+场）控制的多量子位架构的设计空间的可靠调查。应变的益处通过证明基于（001）压缩应变和面内（100或010）场的量子位的混合控制导致对于所考虑的所有四种供体物质（P、As、Sb和Bi）的更高的栅极结晶度和/或更快的栅极操作来揭示。在紧张的环境中不同的供体物种之间的比较进一步突出了超精细位移的趋势，提供预测，没有实验数据存在。虽然更快的门操作是可实现的P，As和Sb捐助者的平面内的字段，只有对于Bi捐助者，我们的计算预测更快的门响应在平面内和平面外的字段的存在下，真正受益于所提出的平面场控制机制的超精细相互作用。
2015-04-24 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph physics.comp-ph
Quantum communication with ultrafast time-bin qubits
光子时间自由度是光纤网络和自由空间信道上量子通信最有前途的平台之一。特别是，光子的时间仓状态对环境干扰具有鲁棒性，支持高速率通信，并且可以用于高维方案。然而，光子时间仓状态的检测仍然是一项具有挑战性的任务，特别是对于处于不同时间仓的叠加中的光子的情况。在这里，我们通过实验证明了皮秒时间仓状态的光，称为超快时间仓，在量子通信中的应用的可行性。由于能够测量具有良好相稳定性的时间仓叠加，我们能够在有效的量子密钥分发协议（如BB84协议）中使用时间状态。
2021-06-17 physics.optics quant-ph
Quantum control landscape for ultrafast generation of single-qubit phase shift quantum gates
在这项工作中，我们考虑了单量子位相移量子门的超快控制产生问题。全局最优控制是一种能使门具有最大可能保真度的控制。陷阱是一种仅局部最优而非全局最优的控制。之前已经表明，对于任意单量子位量子门的受控生成足够长的时间，以及对于除相移门之外的量子门的快速控制，不存在陷阱。在前面的分析中错过了相移门的超快生成。在这项工作中，我们表明，结合分析和数值优化方法，如梯度上升脉冲工程（GRAPE），差分进化，和双退火，控制景观超快产生的相移门也是免费的陷阱。量子控制景观的数学分析是量子控制中的一个重要课题，其目的是证明量子控制目标泛函中陷阱的存在或不存在。在这项工作中，我们提供了一个严格的分析的量子控制景观的超快生成的单量子位量子门和显示，结合分析方法的基础上的一个复杂的分析谱的海森，和数值优化方法，如梯度上升脉冲工程（GRAPE），差分进化，和双重退火，控制景观的超快生成的相移门是免费的陷阱。
2021-04-27 math-ph math.MP quant-ph
Ising interaction between two qubits composed of the highest magnetic quantum number states through magnetic dipole-dipole interaction
在量子信息处理中，量子比特之间最有用的相互作用之一是伊辛型相互作用。我们提出了一个通过磁偶极-偶极相互作用实现精确伊辛相互作用的方案。虽然磁偶极相互作用一般是海森堡型的，但如果量子位能级是从最高磁量子数态中选取的，那么这种相互作用就可以得到伊辛相互作用的精确数学形式.实际的物理系统，我们的计划可以应用到包括分子的旋转状态，原子的超精细状态，或在金刚石中的氮空位中心的电子状态。我们分析了这些系统的方案的可行性。例如，当超精细水平的铷87原子被选为量子位和两个原子的距离是0.1微米，控制Z门时间将是8.5毫秒。我们建议不同的搜索和研究，以实现最佳的实施方案。
2015-03-30 quant-ph
Cavity QED with an ultracold ensemble on a chip: prospects for strong magnetic coupling at finite temperatures
研究了超精细跃迁冷原子与微波谐振腔模磁耦合系综的非线性动力学。尽管存在微小的单原子耦合，但人们在集体超精细量子位和微波光子之间获得强耦合，使得能够在长寿命原子量子位状态和模式之间进行激发的相干转移。即使在有限的热光子数下，也可以从腔的透射谱中得到强耦合的证据。该系统使得有可能进一步研究突出的集体现象，如超辐射衰变的倒置合奏或锁定到原子超精细跃迁的窄带带状线微脉泽的建设。
2010-09-02 quant-ph
Ultrafast Hole Spin Qubit with Gate-Tunable Spin-Orbit Switch
量子计算中的一个关键挑战是实现快速和局部的量子比特控制，同时保持相干性。基于空穴自旋的量子比特通过其强自旋轨道相互作用提供了实现快速量子门的方法。引人注目的是，对于一维锗和硅器件中的空穴自旋，自旋-轨道相互作用已经被预测为非常强，但随着栅极电压的变化而高度可调。这种电气控制将使其能够根据需要在量子比特空闲和操纵模式之间切换。在这里，我们展示了锗/硅核/壳纳米线中空穴自旋量子比特的超快和通用量子控制，拉比频率为数百兆赫，对应于短至~1 ns的自旋翻转时间-单自旋量子比特的新记录。接下来，我们展示了对拉比频率、塞曼能量和相干时间的很大程度的电气控制-从而实现了从快速量子位操作模式到更相干的空闲模式的切换。我们确定了一个非常强大的，但门可调的自旋轨道相互作用的基本机制，与短的相关自旋轨道长度，可以在大范围内调整到3 nm的重空穴质量的空穴。我们的工作演示了自旋轨道量子比特开关，并建立了一个快速和高度可调的量子计算平台，在一维锗/硅纳米结构中定义的空穴自旋量子比特。
2021-03-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Ultrafast optical control of entanglement between two quantum dot spins
两个量子比特之间的相互作用使纠缠成为可能，这种两粒子相关性是量子信息科学的核心。在半导体量子点中，许多工作集中在使用光学技术演示单自旋量子比特控制。然而，两个自旋量子比特的纠缠的光学控制仍然是从单个量子比特扩展到成熟的量子信息平台的主要挑战。在这里，我们将垂直堆叠量子点的进展与超快激光技术相结合，以实现对两个电子自旋纠缠态的光学控制。每个电子都在一个单独的InAs量子点中，自旋通过隧穿相互作用，其中隧穿速率决定了纠缠操作的执行速度。这里实现的双量子位门速度比其他系统快一个数量级。这些结果证明了光控量子点自旋在多量子比特系统中的可行性和优势。
2010-07-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum Control of Qubits and Atomic Motion Using Ultrafast Laser Pulses
脉冲激光器在量子比特的相干控制方面比CW激光器具有显著的优势。本文综述了利用脉冲序列控制单个囚禁原子的内、外态的理论和实验研究进展。确定了两种不同的激光强度制度。当脉冲足够弱，拉比频率$Ω$远小于陷阱频率$\otrap$时，边带跃迁可以被解决，原子-原子纠缠可以以与CW激光器大致相同的方式完成。相比之下，如果脉冲非常强（$Ω\gg \otrap$），则可以组合脉冲自旋相关反冲以创建比陷阱周期快得多的纠缠门。这些快速纠缠门应该在Lamb-Dicke区域之外工作，并且对热原子运动不敏感。
2013-07-01 physics.atom-ph quant-ph
Spin-Phonon Relaxation in Molecular Qubits from First Principles Spin Dynamics
电子自旋和晶格振动之间的耦合是驱动磁性材料弛豫的基础。关于自旋-声子耦合性质的争论可以追溯到40年代，但自旋-自旋、自旋-轨道和超精细相互作用的作用从未完全确定。本文利用一阶微扰理论和第一性原理计算对钒基分子量子比特晶体的自旋动力学进行了全面的研究。我们定量地确定的塞曼，超精细和电子自旋偶极相互作用的自旋弛豫的直接机制中的作用。我们表明，在高磁场制度，塞曼哈密顿量的调制的声学声子的分子内成分占主导地位的弛豫机制。在低场，超精细耦合接管，自旋-自旋偶极相互作用的作用仍然是不太重要的自旋弛豫。
2019-03-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Ultrafast time-scale Berry-phase gates of atomic clock states
极快的量子比特控制可以大大减少量子计算的计算时间，并可能解决许多物理系统中的有限时间退相干问题。在这里，我们提出并实验证明皮秒的时间尺度控制的原子钟状态量子比特，使用贝里相位门实现了一对啁啾激光脉冲。虽然微波或拉曼跃迁的传统方法不允许在比超精细自由演化周期更快的时间内控制原子量子位，但我们的超快贝里相位门方法实现了快速时钟状态操作。我们还实现了对激光参数噪声的操作鲁棒性，因为几何相位仅由绝热演化路径确定，而不受任何动力学细节的影响。实验实现进行了两个线性偏振，啁啾超快光脉冲，与五个单一的铷原子的光镊偶极阱阵列相互作用，以证明建议的超快时钟状态门和它们的操作鲁棒性。
2019-07-23 physics.atom-ph quant-ph
