Experimental implementation of heat-bath algorithmic cooling using solid-state nuclear magnetic resonance
我们在这里报告的实验实现的多步冷却的量子系统通过热浴算法冷却。该实验使用固态系综三量子比特系统的核磁共振（NMR）进行。
2005-12-02 quant-ph
Quantum algorithms for cooling: a simple case study
本研究针对低能量量子多体态制备问题，在简单可解费米子模型中探究冷却算法，推导弱耦合极限下的解析表达式，发现多频率和随机循环策略可提升性能，还提出抗噪优化协议，且冷却相比耗散态制备能量更低、更抗噪。
2025-07-25 quant-ph
The Asymptotic Cooling of Heat-Bath Algorithmic Cooling
量子态的纯度是许多量子应用的关键要求。提高纯度受到热力学基本热力学定律的限制。在这里，我们正在探索解决这个问题的自然方法的基本限制，即热浴算法冷却（HBAC）。Schulman等人在中证明了HBAC技术存在冷却极限，但在过去十年中，该极限仍然未知。在这里我们第一次发现了这个极限。在量子热力学的背景下，这对应于量子系统的最大可提取功。
2014-12-02 quant-ph
Novel Technique for Robust Optimal Algorithmic Cooling
热浴算法冷却（HBAC）提供了提高量子态纯度的算法方法。这些技术是复杂的迭代过程，从每次迭代到下一次迭代都会发生变化，这对实现这些算法构成了重大挑战。在这里，我们介绍了一种新技术，在基本层面上，表明可以在没有任何状态知识的情况下进行算法冷却甚至达到冷却极限，并且只使用单个固定操作，并且在实际层面上，为实现HBAC提供了一种更可行和更强大的替代方案。我们还表明，我们的新技术收敛到HBAC的渐近状态，冷却算法可以有效地实现，但是，饱和可能需要指数多次迭代，仍然不切实际。这使HBAC进入了可行性领域，并使其成为量子技术实际应用的可行选择。
2019-06-09 quant-ph
Cooling algorithms based on the 3-bit majority
核磁共振冷却是一种潜在的重要技术，使可扩展的NMR量子计算在实践中可行。考虑到这种方法对量子计算施加的约束，最有可能实用的冷却算法是那些基于简单的可逆极化压缩（RPC）操作的算法，这些操作局部作用于少量比特。文献中出现了几种使用2位和3位RPC操作的不同算法，这些是我在本说明中考虑的算法。具体来说，我表明，在所有这些算法中使用的RPC操作基本上是一个3位的多数表决，并证明了最佳算法的最优性。我继续推导出一些理论界的性能，这些算法在一些特定的假设错误。
2007-05-15 quant-ph
A spin based heat engine: demonstration of multiple rounds of algorithmic cooling
我们展示了在3量子位固态核磁共振量子信息处理器中演示多轮热浴算法冷却的实验结果。通过动态地将熵从感兴趣的系统中泵出并进入热浴，我们能够将单个量子比特纯化为热浴的1.69倍的偏振，从而超出了封闭系统冷却的香农界限。所实现的冷却算法需要高保真度相干控制和与环境的有意控制的交互。我们讨论了改进的控制，允许这种演示。这项实验工作表明，在具有足够大偏振的系统中，如果量子控制达到这种水平，那么应该可以实现几乎纯的量子比特。
2008-04-23 quant-ph
Thermalization of finite complexity and its application to heat bath algorithmic cooling
本文提出基于碰撞模型的有限复杂度热操作，通过迭代协议实现亚浴温冷却，并通过引入量子比特机器提升冷却效率。
2025-05-15 quant-ph
Heat-Bath Algorithmic Cooling with correlated qubit-environment interactions
高纯量子态的受控制备是量子信息科学实际应用的核心，从大多数量子算法的状态初始化到满足量子纠错容错阈值的辅助量子比特的可靠供应。热浴算法冷却已被证明可以通过熵的受控再分配和与浴的多次接触来纯化量子位，不仅适用于整体实现，而且适用于具有强但不完美测量的技术。然而，在以前的工作中已经假设了与浴的相互作用的隐含限制。在本文中，我们表明，更好的净化，可以通过消除限制。更具体地说，我们包括系统和浴之间的相关性，我们利用这些相关性将熵从系统泵入浴中。我们介绍了一种工具，冷却算法，我们称之为“状态重置”，当耦合到环境是广义的从个人量子位弛豫相关量子位弛豫。我们提出了改进的冷却算法，导致纯度的增加超出了所有以前的工作，并将我们的结果与核Overhauser效应。
2017-03-08 quant-ph
Heat Bath Algorithmic Cooled Quantum Otto Engines
我们建议替代量子奥托发动机，使用热浴算法冷却与伙伴配对算法，而不是等容冷却。将处于一个熵阱中的液态核磁共振系统视为工作流体。然后，详细分析了四冲程和二冲程量子奥托发动机的可提取功和热效率。在这些循环中，热浴算法冷却的作用是使用单个熵阱而不是两个。此外，这种冷却算法增加了发动机的功率，减少了一个循环所需的时间。
2019-01-04 quant-ph
Experimental Heat-Bath Cooling of Spins
原子冷却（AC）是一种净化量子系统的方法，例如核自旋的集合，或光晶格中的冷原子。当应用于自旋时，AC产生高度极化的自旋的集合，这增强了核磁共振（NMR）中的信号强度。根据这种冷却方法，在恒定磁场中的自旋半核被认为是比特，或者更准确地说，量子比特，在已知的概率分布。然后使用普通的NMR量子计算工具将这些比特上的数学步骤翻译成专门设计的NMR脉冲序列。自旋的$algorithmic$冷却是通过交替地将可逆的、熵保持的操作（从数据压缩算法借用）与$selective$ $reset$（将熵从所选自旋转移到环境）相结合来实现的。理论上，将算法冷却应用于足够大的自旋系统可能会产生远远超出香农熵守恒极限的极化。在这里，只执行选择性重置步骤，因此我们更喜欢将此过程称为“热浴”冷却，而不是算法冷却。我们在这里实验性地实现了两个连续的选择性重置步骤，将熵从两个选定的自旋转移到环境中。我们用市售的标记分子在标准液态NMR光谱仪上进行了这样的冷却实验。我们的实验产生了$bypass$ $Shannon's$ $entropy$ - $conservation$ $bound$的极化，因此整个自旋系统被冷却。这篇论文最初于2005年提交，首先提交给《科学》杂志，然后提交给《美国国家科学院院刊》，并包括随后几年的其他结果（例如，2007年重新提交）。Postscriptum包含更多细节。
2014-04-28 quant-ph
Breaking the limits of purification: Postselection enhances heat-bath algorithmic cooling
量子技术需要纯态，而这通常是由极端制冷产生的。热浴算法冷却是理论上最佳的制冷技术：它将熵从多粒子系统运送到热浴中，从而产生高纯度的量子态。在这里，我们展示了如何利用一个单一的二进制结果测量，超越这种迄今为止最佳的技术。我们的协议可以创建任意数量的纯量子态没有任何残余的混合使用最近发现的设备称为量子开关，把两个操作叠加，后选择证明完全纯化。
2023-02-09 quant-ph
State-independent robust heat-bath algorithmic cooling of nuclear spins
本研究在NMR量子处理器上实验实现了不依赖初始态、仅用单一固定操作的鲁棒热浴算法冷却，完成13C和15N自旋的高效冷却，首次在15N自旋上验证最优HBAC并探究退相干影响。
2023-03-16 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
Quantum computational algorithm for hidden symmetry subgroup problems on semi-direct product of cyclic groups
刻画了循环群的半直积$\Z_{N}\rtimes\Z_{p}$的代数结构，其中$p$是对$N$的任何素因子$q$都不能整除$q-1$的奇素数，并给出了求解该类群的隐对称子群问题的多项式时间量子计算算法.
2013-07-04 math.GR quant-ph
Experimental Saturation of the Heat-Bath Algorithmic Cooling bound
热浴制冷（HBAC）技术提供了选择性地增强目标量子子系统的偏振的方法。然而，这些技术中的冷却是有限的。在这里，我们报告的HBAC冷却边界的第一个实验观察。我们使用HBAC来超分辨金刚石中的核自旋。使用两个碳核自旋作为极化源（复位）和14 N核自旋作为计算位，我们证明，重复一个单一的冷却步骤增加了超过初始复位极化的极化，并达到HBAC的冷却极限。我们基准的性能，我们的实验在一个范围内的可变复位极化。由于能够将重置自旋转换为不同的初始极化，我们设想所提出的模型可以作为量子热力学研究的测试平台。
2018-12-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
Improving Quantum Machine Learning via Heat-Bath Algorithmic Cooling
Atominstitut, Technische Universität Wien（维也纳技术大学原子研究所）；Miller Institute for Basic Research in Science, University of California Berkeley（加州大学伯克利分校米勒基础科学研究所）；Yonsei University（延世大学）
本文将量子监督学习建模为热力学冷却过程，提出受热浴算法冷却启发的量子制冷机协议，通过熵压缩与热化交替提升 QML 采样效率并降低分类分数及梯度估计开销。
2025-01-05 cs.LG quant-ph
Semi-optimal Practicable Algorithmic Cooling
自旋的热力学冷却（AC）在开放的自旋系统中应用熵操纵算法，以便冷却远远超过香农熵界限的自旋。核自旋的交流被实验证实，并可能有助于核磁共振（NMR）光谱。近年来提出了几种冷却算法，包括实用算法冷却（PAC）和穷举AC。实用的算法实现简单，但它们的冷却水平远不是最佳的;另一方面，穷举算法冷却得更好，有些甚至达到（渐近）最佳冷却水平，但它们并不实用。我们在这里介绍半最优可行AC（SOPAC），其中在每个递归级别执行几个周期（通常为2-6）。提出并分析了两类SOPAC算法。两者都比PAC更好地达到冷却水平，并且比穷举算法更有效。新的算法，以弥合PAC和穷举AC之间的差距。此外，我们计算了SOPAC为了纯化量子计算所需的自旋数。在理想情况下，只需12个和7个自旋就可以分别从1%和10%的初始极化产生适度纯的自旋（60%极化）。在后一种情况下，大约五个以上的自旋足以产生高纯度的自旋（99.99%极化），这可能与容错量子计算有关。
2011-10-26 cs.ET cs.IT math.IT
Model-agnostic cooling algorithms for strongly interacting fermions
Department of Physics, Harvard University（哈佛大学物理学系）
本文提出一种无需谱信息的随机对称保持冷却算法，通过局部耦合操作符和随机采样的能量分裂驱动费米子系统向低能态演化，验证了其在多种超导相关模型中的通用性。
2026-05-01 cond-mat.str-el quant-ph
Efficient Quantum Cooling Algorithm for Fermionic Systems
针对费米子系统基态制备问题，提出基于系统-辅助冰箱耦合模拟、共振能隙调控及光谱扫描的高效量子冷却算法，多项式运行时间优于绝热算法，还可推广至热态并在费米-哈伯德模型验证。
2025-02-10 cond-mat.str-el quant-ph
Projected Cooling Algorithm for Quantum Computation
在当前的噪声量子设备时代，需要对噪声有效且鲁棒的量子算法。为此，我们介绍了量子计算的投影冷却算法。投影冷却算法能够构造任何哈密顿量的局部基态，具有恒定的动能和在大距离处消失的相互作用。术语“局部化”是指位置空间中的局部化。该方法可以看作是蒸发冷却的量子模拟。我们从一个初始状态开始，支持一个大体积的紧凑区域。然后，我们驱动激发的量子态分散并测量留下的波函数的剩余部分。对于我们在这里考虑的非平凡的例子，比其他方法的改进是实质性的。所需的唯一额外资源是在远大于本地化状态大小的卷中执行操作。这些特性使得投影冷却算法成为计算原子核等自约束系统的一个很有前途的工具。
2020-06-01 cond-mat.quant-gas hep-lat nucl-th
