Heralded linear optical quantum Fredkin gate based on one auxiliary qubit and one single photon detector
线性光量子Fredkin门可应用于量子计算和量子多用户通信网络。在现有的线性光学方案中，两个单光子探测器（SPD）被用来预示量子Fredkin门的成功，而它们没有光子计数。但分析结果表明，对于非理想SPD，探测器效率越低，该方案的成功率越高。提出了一种改进的线性光量子Fredkin门，设计了一种新的具有辅助量子比特和一个SPD的预言方案，预言探测器的探测效率越高，门的成功率越高.新的预报方案在非理想单光子源下也能有效地工作。基于这种量子Fredkin门，可以构建大规模的量子开关网络。作为示例，示出了仅使用一个SPD的量子Benes网络。
2014-01-21 quant-ph
Linear optics quantum Toffoli and Fredkin gates
我们设计了线性光学多量子位量子逻辑门。我们假设量子位以两种模式（例如空间或偏振）传统编码到单个光子的状态上。我们建议的计划，允许直接概率实现的基本Toffoli和Fredkin门，而不诉诸于一系列的单和两个量子比特门。这产生了更紧凑的方案，并潜在地减少了辅助光子的数量。拟议的设置涉及被动线性光学，辅助单光子源或最大纠缠光子对，和单光子探测器。特别是，我们提出了一种干涉实现的Toffoli门的重合的基础上，这不需要任何辅助光子，是实验上可行的与当前的技术。
2006-02-27 quant-ph
One-step implementation of the genuine Fredkin gate in high-$Q$ coupled three-cavity arrays
我们提出了两种有效的方法来实现Fredkin门与原子分别被困在一个阵列的三个高- $Q$耦合腔。第一种方案是基于共振动力学，在保持其他子空间不变的情况下，在特定子空间中产生快速共振相互作用;第二种方案利用色散相互作用，通过虚拟激发过程实现两个分布式目标量子比特之间的有效长距离偶极-偶极相互作用。这两种方案都可以在一个步骤中实现Fredkin门的标准形式，而无需任何后续的单量子位操作。利用主方程分析了退相干效应对门性能的影响，严格的数值模拟表明该量子门具有较高的平均保真度。
2014-03-07 quant-ph
Implementations of two-photon four-qubit Toffoli and Fredkin gates assisted by nitrogen-vacancy centers
期望实现需要较少量子资源的高效量子信息处理。我们设计了两个紧凑的量子线路，用于在单光子系统中通过金刚石氮空位（NV）中心在偏振和空间自由度（DoF）上确定性地实现四量子比特Toffoli和Fredkin门。这些门由与金刚石NV中心相关的电子自旋预示。与具有一个自由度的实现相比，我们的实现减少了量子资源，并且对退相干具有鲁棒性。我们的门的性能和效率的评估表明，我们的计划可以实现与当前的技术。
2017-03-01 quant-ph
Fredkin Gates for Finite-valued Reversible and Conservative Logics
Fredkin和Toffoli在Landauer的一篇开创性论文的基础上介绍了保守逻辑的基本原理和结果，并将其推广到d值逻辑，特别是三值逻辑。不同的方法，d值逻辑检查，以确定一些可能的通用集的逻辑原语。特别地，我们考虑了Lukasiewicz和Godel逻辑的典型连接词，以及Chang的MV-代数。因此，一些可能的三值和d值通用门的描述，实现了一个功能完整的基本连接。
2002-05-22 quant-ph
One-step implementation of the Fredkin gate via quantum Zeno dynamics
基于量子Zeno动力学，研究了共振和大失谐条件下双模腔中Fredkin门的一步实现，降低了实验操作的复杂性.通过数值计算讨论了腔衰减和原子自发发射的影响。结果表明，两种模型的保真度和成功概率均对腔衰减具有鲁棒性，而在大失谐模型中，保真度和成功概率对原子自发发射不敏感.此外，相互作用的时间是相当短的共振模型相比，大失谐模型。
2012-01-06 quant-ph
Fusing multiple W states simultaneously with a Fredkin gate
我们提出了一种制备大规模W态纠缠网络的光学方案。该方案的工作原理是通过仅访问每个W态的一个量子位来同时融合三个任意大小的偏振编码W态。它由Fredkin门（受控交换门），两个融合门[如New J. Phys. 13，103003（2011）中提出的]和H偏振辅助光子组成。从三个$n$ -量子位W态开始，如果两个融合门都成功操作，即在检测器处的四重重合，则该方案在后选择之后准备具有$3(n-1)$ -量子位的新W态。与以前报道的方案相比，该方案大大降低了创建任意大W态的成本。
2014-02-14 quant-ph
A quantum Fredkin gate
实现量子计算机的关键是将逻辑门构建成有用的处理电路所需的资源最小化。虽然量子计算机的显着特征已经在原理验证实验中得到了展示，但量子系统的缩放困难使得更复杂的操作变得棘手。这在经典的Fredkin（受控SWAP）门中得到了证明，尽管有理论上的建议，但没有量子模拟已经实现。通过对SWAP幺正进行控制，我们利用光子量子比特逻辑实现了第一个量子Fredkin门，它在量子信息和测量中有着广泛的应用前景。我们实现了示例算法，并生成了迄今为止保真度最高的三光子GHZ态。我们使用的技术允许一个控制操作添加到一个黑箱酉，在标准电路模型中是不可能的。我们的实验代表了首次使用这种技术来控制双量子位操作，并为有效实现更大的受控电路铺平了道路。
2016-03-26 quant-ph
Self-stabilized Quantum Optical Fredkin Gate
量子光学Fredkin门是实现量子网络化应用不可缺少的资源。然而，它在实际应用中的性能从根本上受到泵浦波固有量子涨落的限制。我们展示了一种方法来克服这个缺点，利用受激拉曼散射在光纤为基础的实现。使用Sagnac光纤环路开关作为一个具体的例子，我们表明，即使在存在显着的泵浦波动，可以保持高的开关对比度。这种独特的自稳定特性，以及这种器件的高速和低损耗性能，为实际的量子通信指明了一种可行的技术。
2012-11-01 physics.optics quant-ph
One-step implementation of a hybrid Fredkin gate with quantum memories and single superconducting qubit in circuit QED and its applications
在最近的一次实验中[R。B. Patel等人，Science Advances 2，e1501531（2016）]，3-qubit量子Fredkin（即，控制SWAP）门的演示，通过使用线性光学。利用超导量子线路中的色散相互作用，提出了一种简单的实验方案，以超导磁通量子位为控制量子位，以两个分离的量子存储器为目标量子位，实现混合Fredkin门.本文所研究的量子存储器是用超导共面波导谐振器或氮空位中心系综制备的。特别是，它示出，该Fredkin门可以实现使用一个单步操作，更重要的是，每个目标qudit可以在任意状态与任意自由度。此外，该实验方案在量子计算和量子信息处理中具有潜在的应用价值，如产生两个存储器的任意纠缠态（离散变量态或连续变量态），测量两个存储器的保真度和纠缠度等.利用电路QED技术，数值模拟证明了双记忆NOON态、纠缠相干态和纠缠猫态的有效合成。
2018-02-28 quant-ph
Enhancing the W State Quantum Network Fusion Process with A Single Fredkin Gate
将单个Fredkin（受控交换）门集成到先前引入的W状态融合机制（Ozdemir等人，N. 13，103003，2011）和使用辅助光子，我们增加了融合W态的大小，并且本质上，我们以一种有希望的方式提高了融合过程的成功概率，用于可能的确定性W态融合机制。除了融合任意大小的W态外，我们的装置还可以融合Bell态，以3/4的成功概率创建W态，这比以前的工作高得多。因此，仅使用这种设置，现在可以从Bell对开始创建和扩展任意大小的W态。由于更高的成功概率意味着在实现目标大小所花费的状态数量方面的资源成本更低，因此我们的设置产生了更具成本效益的场景。
2013-03-16 quant-ph
Experimental Demonstration of a Quantum Controlled-SWAP Gate with Multiple Degrees of Freedom of a Single Photon
优化量子门的物理实现对于构建量子计算机具有重要意义。受控SWAP门又称Fredkin门，可广泛应用于各种量子信息处理方案中。在本研究中，我们提出并实验实现了单光子混合自由度系统中的量子Fredkin门。利用偏振态作为控制量子比特，在光子轨道角动量所张成的四维希尔伯特空间中实现SWAP操作。在我们的实验中，量子Fredkin门的有效转换率$\mathcal{P}$是$(95.4\pm 2.6)\%$。此外，我们还发现利用我们的量子Fredkin门可以制备出一类Greenberger-Horne-Zeilinger类态，并且这些非分离态可以通过破坏Mermin不等式来表现其量子上下文特性.我们的实验设计和编码方法对高维混合编码量子系统的量子计算和量子基础研究具有重要意义。
2021-04-20 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
Reducing T-Count in quantum string matching algorithm using relative-phase Fredkin gate
针对容错量子计算中T门成本高的问题，提出用相对相位Fredkin门降低量子字符串匹配算法的T计数，同时优化其他电路成本，推动该算法发展。
2024-11-02 quant-ph
Shallow unitary decompositions of quantum Fredkin and Toffoli gates for connectivity-aware equivalent circuit averaging
本文针对 Toffoli 门和 Fredkin 门提出多种逻辑等价的浅层分解电路，在不同连接性下实现最低 CNOT 计数，并通过等价电路平均有效抑制相干错误，还提出节省 CNOT 的量子比特重排方案。
2024-02-27 quant-ph
Efficient and deterministic high-dimensional controlled-swap gates on hybrid linear optical systems with high fidelity
University of Science and Technology Beijing（北京科技大学）；Beijing Institute of Technology（北京理工大学）
本文提出利用混合线性光系统高效实现高维受控交换门，通过优化光学元件减少数量并提高保真度。
2026-02-10 quant-ph
Implementation of a quantum controlled-SWAP gate with photonic circuits
量子信息科学研究信息的处理和传输如何受到独特的量子力学现象的影响。双量子比特门的组合已经被用来实现量子线路，然而，可扩展性成为一个关键问题。三量子比特门的使用可以极大地简化量子线路的结构。其中，受控交换（Fredkin）门是必不可少的，因为它们可以直接应用于重要的协议，例如，纠错、指纹识别和最佳克隆。在这里，我们报告的光子量子比特的Fredkin门的实现。对于3光子Greenberger-Horne-Zeilinger态，我们在计算基础上实现了0.85的保真度和0.81的输出态保真度。估计的过程保真度为0.77，表明我们的Fredkin门可以应用于各种量子任务。
2017-04-05 quant-ph
Reversible Logic Synthesis with Minimal Usage of Ancilla Bits
在过去的几十年里，可逆逻辑吸引了许多研究兴趣，特别是由于它在量子计算中的应用。在从基本门构造可逆门时，辅助位通常用于消除对特定基本门集合生成的门类型的限制。由于有无限的辅助位，许多门（如Toffoli和Fredkin）成为通用可逆门。然而，辅助钻头的实现可能是昂贵的，因此使最小化必要的辅助钻头的问题成为一个实际的主题。本论文探讨使用单一基底闸及少量辅助位元之可逆逻辑综合问题。两个基地门进行了讨论：3位Toffoli门和原始的3位Fredkin门的变化。有三个主要结果与这两个门相关联：i）可变Toffoli门可以使用1个辅助位生成所有n位可逆门，ii）可变Toffoli门可以不使用辅助位生成所有n位可逆门，这些n位可逆门是偶数排列，iii）Fredkin门可以使用1个辅助位生成所有n位保守可逆门。在本文之前，一般普遍性的最佳已知结果需要三个基本门，保守普遍性的最佳已知结果需要5个辅助位。第二个结果是平凡最优的。对于第一个和第三个结果，我们明确证明了它们的最优性：变化的Toffoli不能生成所有n位可逆门，而不使用任何额外的输入线，和Fredkin门不能生成所有n位保守可逆门，而不使用额外的输入线。我们还探讨了一个更强的版本的第二个逆引入一个新的概念，称为借来的位，并证明了Fredkin门不能生成所有n位保守可逆门没有辅助位，即使有无限数量的借来的位。
2015-06-10 cs.ET quant-ph
Fredkin Spin Chain
我们引入了一个新的相互作用自旋1/2模型。它描述了三个最近邻的相互作用。哈密顿量可以用Fredkin门来表示。Fredkin门（也称为CSWAP门）是一种适用于可逆计算的计算电路。我们的建筑概括了Ramis Movassagh和Peter Shor的工作。我们的模型可以通过加泰罗尼亚组合数学的形式解决随机游走上半个正方形格子[戴克散步]。每个Dyck路径可以被映射到自旋的波函数。基态是Dyck行走的等权叠加[而不是Motzkin行走]。我们也可以将其表示为矩阵乘积态。我们进一步构造了3/2和更大半整数自旋的相互作用模型。具有更高自旋的模型需要对Dyck行走进行着色。我们构造SU（k）对称模型[这里k是颜色的数量]。然后，纠缠熵的首项与晶格长度的平方根成比例（如Shor-Movassagh模型）。间隙以晶格长度的高次幂闭合。
2016-05-12 cond-mat.stat-mech hep-th quant-ph
A quantum-inspired Fredkin gate based on spatial modes of light
区分数据串或波形串是信息技术中多种应用的核心。在量子语言中，任务是设计区分量子态的协议。基于量子的技术有望超越基于经典原理的技术所提供的能力。然而，作为这些系统核心的逻辑门的实现是具有挑战性的，因为它们应该克服量子退相干，成功概率低并且容易出错。考虑量子世界中的想法的一个意想不到的贡献是激发经典世界中的类似解决方案（量子启发技术），旨在模仿量子算法的特定功能的协议。这是基于量子物理学的特征，经典世界中的波也具有这些特征，例如单个粒子的自由度之间的干涉或纠缠。在这里，我们在概念验证实验中展示了一种基于量子指纹（Phys. Rev. Lett. 87，167902，2001）。信息被编码在具有轨道角动量（OAM）的光束上。这些光束允许实现我们系统的一个关键元素，一种新型的Fredkin门或偏振控制SWAP操作，在OAM光束之间交换数据。该协议可以评估波形对和比特串和夸脱串之间的相似性，而不揭示数据的信息内容。
2020-04-29 physics.optics 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
Intermediate-qudit assisted Improved quantum algorithm for string matching with an Advanced Decomposition of Fredkin gate
本文提出一种借助高维中间qudit改进的量子字符串匹配电路，通过Fredkin门和多控Toffoli门的新型分解，首次同时降低了查询复杂度、深度复杂度和辅助比特数，并经误差分析验证了其有效性。
2023-04-06 cs.ET quant-ph
Strong equivalence of reversible circuits is coNP-complete
逻辑电路的等价判定是一个cNP完全问题。作为推论，判定可逆电路的弱等价问题，即忽略辅助位，也是coNP完全的。决定强等价（包括辅助位）的复杂性不太明显，可能取决于门设置。在这里，我们使用巴林顿定理来证明，决定强等价的可逆电路建立从弗雷德金门是coNP完全的。这意味着决定其他常用的通用可逆门集合的强等价性的coNP完全性，包括任何包含Toffoli或Fredkin门的门集合。
2013-07-02 cs.CC quant-ph
Quantum simulation of a three-mode optomechanical system based on the Fredkin-type interaction
实现单光子强耦合区的多模光机相互作用是腔光力学中的一项重要任务，但在实际物理系统中仍然是一个挑战。在这项工作中，我们提出了一个可靠的方案来模拟工作在单光子强耦合制度的基础上的Fredkin型相互作用的三模光机系统。这是通过在涉及一个光学模式和两个类机械模式的Fredkin型耦合中利用对两个交换耦合模式的两个强驱动来实现的。作为这种增强的三模非线性光机耦合的应用，我们展示了如何使用条件位移机制产生类机械模式的纠缠猫态。通过计算双模联合维格纳函数和量子纠缠，研究了生成态中的量子相干性效应。在开放系统的情况下，考虑了耗散效应对态产生的影响。
2021-11-27 quant-ph
Efficient experimental design of high-fidelity three-qubit quantum gates via genetic programming
我们已经设计了有效的量子线路的三量子比特Toffoli（控制-控制非）和Fredkin（控制-交换）门，通过遗传编程方法优化。由此获得的门实验上实现的三量子位NMR量子信息处理器，具有高保真度。Toffoli和Fredkin门与单量子位Hadamard门一起形成了量子计算的通用门集，并且是几种量子算法的重要组成部分。遗传算法是一种基于自然选择和生物遗传学逻辑的随机搜索算法，已广泛应用于量子信息处理应用中。数值优化的三量子位量子门的射频脉冲轮廓实现了$> 99\%$保真度。在实验实现的脉冲具有短持续时间并且可以以高保真度实现的约束下进行优化。因此，门的实现不会遭受射频偏移误差或门动作期间的退相干的削弱效应的缺点。我们证明了我们的脉冲序列的优势，通过比较我们的结果与现有的实验方案。
2017-07-02 quant-ph
Constructing Quantum Logic Gates Using q-Deformed Harmonic Oscillator Algebras
我们研究了二能级q变形角动量态，并利用q变形谐振子，为构造量子比特和量子门提供了一个框架。我们还介绍了几种基本的量子门的结构，包括CNOT，SWAP，Toffoli和Fredkin。
2015-04-23 quant-ph
Single-photon logic gates using minimal resources
我们提出了一个简单的结构，用于单光子量子比特上的确定性量子线路。实现两个基本门所需的资源很少，并且可以回收用于大量量子位的计算。这种方法大大简化了Fredkin和Toffoli门等关键多比特量子门的确定性实现。
2009-09-21 quant-ph
Cavity QED Photons for Quantum Information Processing
基于多模多能级Jaynes-Cummings模型和多光子共振理论，在腔中编码双轨量子比特，实现了一组通用的两量子比特和三量子比特门，即iSWAP门和Fredkin门.用这种方法，信息被存储在腔中，非共振原子能级被有效二能级哈密顿量的半经典理论消除。另一个半经典模型，即自旋- $J$模型，已被引入，使一个完整的人口反转水平的利益已经实现和周期性的多级多光子模型已经执行。这两个半经典模型的结合已经被用来处理二能级、三能级、四能级甚至五能级结构。已经研究了退相干过程对iSWAP和Fredkin门的保真度的影响。
2014-07-02 quant-ph
Feasibility of single-shot realizations of conditional three-qubit gates in exchange-coupled qubit arrays with local control
我们研究了在相邻量子位之间具有海森堡型交换相互作用的量子位阵列中实现单次Toffoli门和Fredkin门的可行性。根据可控性的李代数标准，这样的阵列是完全可控的-相当于允许通用量子计算-通过具有两个正交分量作用于单个“致动器”量子比特的塞曼控制场。采用这种本地控制设置，我们开始我们的分析与分段恒定的控制领域，并确定全局最大值的相关品质因数（目标门保真度）相结合的多启动为基础的聚类算法和拟牛顿型局部优化。随后，我们介绍了重要的实际考虑，如有限的频率带宽的现实领域和他们的泄漏远离致动器。我们找到了高保真度Toffoli门和Fredkin门实现所需的最短时间，并将其与各自的双量子位对应物-受控非和指数交换进行了比较。特别是，Toffoli门的时间相比，更有利的控制非比在标准的基于分解的方法。这项研究表明，使用单次激发方法可以减轻控制生成硬件在未来的实验实现的多量子比特门的负担。
2019-01-29 quant-ph
Multipartite entangling power by von Neumann entropy
LMIB(Beihang University), Ministry of Education, and School of Mathematical Sciences, Beihang University（北京航空航天大学）
本文提出多体纠缠、辅助纠缠和解纠缠能力的概念，通过最小凸和计算多体单元操作的纠缠能力，并分析了多体门的纠缠能力。
2024-10-20 quant-ph
Quantum gates on hybrid qudits
我们引入量子混合门，作用于不同维度的量子点。特别是，我们开发了两个代表性的两量子混合门（SUM和SWAP）和多量子混合Toffoli和Fredkin门。我们将混合SUM门应用于产生纠缠，发现对于一定的初态，SUM门的算符纠缠等于它所产生的纠缠。我们还证明了在一定条件下，对于两个不同维数的量子点，混合和门在泡利群上充当自同构。最后，我们描述了一个物理实现的自旋系统的混合门。
2002-11-28 quant-ph
Quantum control gates with weak cross-Kerr nonlinearity
在弱交叉克尔非线性条件下，我们首先提出了一种特殊的实验方案--C-路径门，利用它可以更简单地实现所有可能的双光子偏振态的二分POVM，并且几乎是确定性的。基于同样的技术，人们提出了量子控制门的实现方案，包括CNOT门（1/2）、Fredkin门（1/8）、Toffoli门（2/23）、CU门甚至MCU门。所有这些门都是可缩放的，具有一定的概率，这些概率大于线性光学中的那些门。这些门所需资源少，结构简单，在现有技术条件下是可行的，对实现光学普适计算有一定的意义。
2008-12-16 quant-ph
Compact quantum gates on electron-spin qubits assisted by diamond nitrogen-vacancy centers inside cavities
在固态系统上构造紧凑的通用量子门量子线路是量子计算的关键。我们提出了一些紧凑的量子电路的确定性固态量子计算，包括CNOT，Toffoli，和Fredkin门的金刚石氮空位中心限制在腔中，通过一些单光子的输入-输出过程实现。我们为这些通用量子门设计的量子线路简单而经济。此外，没有使用额外的电子量子比特，而只是使用单光子介质。这些门有很长的相干时间。我们讨论了这些通用的固态量子门的可行性，得出结论，他们是可行的，以目前的技术。
2013-10-21 quant-ph
Constructing three-qubit unitary gates in terms of Schmidt rank and CNOT gates
本文构造了Schmidt秩从一到七的三量子比特酉门，发现Toffoli和Fredkin门秩分别为二和四，并利用CNOT及局域门实现，揭示了CNOT门数量与Schmidt秩的联系。
2020-07-06 quant-ph
Variational quantum compiling for three-qubit gates design in quantum dots
针对可扩展量子计算中量子逻辑门设计需求，本工作利用变分量子编译算法，基于纯物理相互作用项的时间无关哈密顿量设计出对多种噪声鲁棒的高保真三量子比特门，且方法适用于多类量子系统，助力构建更优量子计算架构。
2024-12-09 quant-ph
Protocol for a resonantly-driven three-qubit Toffoli gate with silicon spin qubits
三量子比特Toffoli门在量子纠错和复杂的量子算法（如Shor的因子分解算法）中起着重要的作用，激发了对这种门的有效实现的搜索。本文介绍了一种适用于硅量子点阵列中交换耦合电子自旋量子比特的Toffoli门。我们的协议是一个自然的延伸，以前证明了硅自旋量子位的共振驱动CNOT门。它是基于一个单一的交换脉冲与谐振微波驱动相结合，与操作时间的顺序为100纳秒和保真度超过99%。我们分析了校准误差和1/f噪声对门保真度的影响，并将门性能与由双量子位门合成的Toffoli门进行了比较。我们的方法很容易推广到其他受控的三量子比特门，如Deutsch和Fredkin门。
2019-05-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
Statistical distribution of the reversible gates: what percentage of them are self-inverse?
众所周知，大多数经常使用的可逆逻辑门（例如，NOT、CNOT、SWAP、Toffoli、Fredkin）是自逆的，并且由酉和埃尔米特的方阵表示。然而，用一个简单的论证，可以确定大多数允许的可逆门本质上是非自逆的（酉但非厄米特）。它还表明，非厄米门的百分比增加的尺寸。例如，58.33%的2位门、98.10%的3位门和99.99%的4位门是非厄米特门。由于经典可逆门本质上是置换门，因此上述统计对于经典可逆门是严格有效的，但该论点可以容易地扩展到包括量子门，并建立大多数量子门也是非自逆的。此外，真正的2位可逆门（即，2-不能分解为两个位门乘积的位门）占所有可能门的83.3%，并讨论了这种分析在电路成本优化中的适用性。
2017-02-20 quant-ph
Universal quantum gates on electron-spin qubits with quantum dots inside single-side optical microcavities
我们提出了一些紧凑的量子线路的确定性量子计算的电子自旋量子比特的辅助量子点内的单面光学微腔，包括CNOT，Toffoli，和Fredkin门。它们是利用腔量子电动力学的结果，在单侧光学微腔中的量子点中，单电子自旋引起的巨大的光学法拉第旋转而构造的。我们的通用量子门有一些优势。首先，原则上所有的门都以100%的成功概率完成。其次，我们的方案不需要额外的电子自旋量子比特，它们是通过单个光子的一些输入-输出过程来实现的。第三，这些门的电路简单而经济。此外，我们的器件在弱耦合和强耦合两种情况下都能工作，并且在实验上是可行的。
2015-03-01 quant-ph
Universal quantum gates for hybrid systems assisted by quantum dots inside double-sided optical microcavities
本文提出了在双面光学微腔中利用量子点辅助，在飞行光子量子比特和静止电子自旋量子比特之间构造通用量子门，即受控非门、三量子比特Toffoli门和Fredkin门的确定性方案.我们的门的控制量子比特被编码在运动的单光子的偏振上，目标量子比特被编码在光学微腔中的量子点中的受限电子自旋上。我们在混合系统上设计的这些通用量子门方案具有一些优点。首先，原则上所有的门都以100%的成功概率完成。其次，我们的方案不需要额外的量子比特。第三，门的控制量子位很容易操纵，目标量子位非常适合存储和处理。第四，为了获得高保真度，门不要求非耦合腔的透射与耦合腔的反射可平衡。第五，三个通用门的器件工作在弱耦合和强耦合两种情况下，在实验上是可行的。
2013-02-08 quant-ph
Designing High-Fidelity Single-Shot Three-Qubit Gates: A Machine Learning Approach
University of Calgary（卡尔加里大学）；University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；California Institute of Technology（加州理工学院）
三比特量子门是量子纠错和量子信息处理的关键器件。我们生成量子控制程序来设计三种类型的三量子比特门，即Toffoli，Controlled-Not-Not和Fredkin门。该设计方法适用于三个最近邻耦合超导人工原子系统。对于每个三比特量子门，该方案的数值模拟达到了99.9%的保真度，这是容错量子计算可接受的阈值保真度。我们测试我们的程序中存在的消相干引起的噪声，以及显示其对随机外部噪声产生的控制电子的鲁棒性。三量子比特门是通过称为子空间选择自适应差分进化（SuSSADE）的机器学习算法设计的。
2016-10-23 cs.LG quant-ph
CALA-$n$: A Quantum Library for Realizing Cost-Effective 2-, 3-, 4-, and 5-bit Gates on IBM Quantum Computers using Bloch Sphere Approach, Clifford+T Gates, and Layouts
本文提出基于布洛赫球和Clifford+T门的量子布局感知方法，构造2至5量子比特的高成本效益n位门，并证明其转译后量子成本始终低于标准n位门，可用于构建IBM量子计算机量子库。
2024-08-02 quant-ph
Classical Computation by Quantum Bits
原子级逻辑和最小化发热（耗散）都是未来计算硬件的重要议程。实现这些目标的一种方法是用经典的可逆逻辑门直接取代晶体管网络，这种逻辑门是由几个相互作用的原子的相干动力学建立的。由于在每个这样的门之前和之后的叠加是不必要的（输入和输出是比特），移相时间仅需要超过单个门操作时间，而容错应该通过经典编码以低开销实现。因此，这种门可能是量子技术的副产品，远远早于全面的量子计算。因此，出于动机，我们提出的方法来实现3位Toffoli和Fredkin门通用的经典可逆逻辑使用一个单一的时间无关的3-qubit哈密顿与现实的最近邻两体相互作用。我们还讨论了如何这些门可以组成一个更大的电路。我们发现，被困离子可能很快就可扩展的模拟器，这样的架构，并探讨与硅掺杂剂的前景。
2015-09-11 quant-ph
Kerr-effect-based quantum logical gates in decoherence-free subspace
针对消相干效应影响量子逻辑门高效实现的问题，提出在无消相干子空间中利用交叉克尔非线性构建CNOT、Toffoli、Fredkin量子控制门的方案，无需复杂电路与辅助光子，成功概率近1且抗光子损耗，具备实用可行性。
2024-05-09 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
Effective generation of entangled states and realization of quantum gate operations in cavity QED
由于一些问题，本文已被作者撤回。
2008-04-01 quant-ph
Realization of Arbitrary Gates in Holonomic Quantum Computation
在实现量子计算机的许多建议中，完整量子计算（HQC）与其他方法的区别在于它本质上是几何的，因此预计对退相干具有鲁棒性。在这里，我们分析了实现各种量子门通过解决逆问题：给定一个酉矩阵，我们开发了一种形式主义，我们发现循环的参数空间生成这个矩阵作为一个holonomy。我们首次证明，这样的一个量子比特门的Hadamard门和这样的两个量子比特门的CNOT门，SWAP门和离散傅立叶变换可以得到一个单一的循环。
2002-09-02 quant-ph
Atomic Interferometer Gates Realization via Quantum Optimal Control
原子干涉仪具有两个量子幺正门，必须实现原子重力仪和原子干涉仪陀螺仪的量子传感目的。定义了一个定义两个幺正算子之间距离的最优代价函数，并在此基础上推导了一种基于脉冲的随机梯度下降算法，用于实现原子镜和原子分束器门。通过对这些门的实现采用数值优化控制，我们分别实现了反射镜门和分束器门的0.995和0.998的门保真度。在这项研究中，采用了二能级原子钟跃迁。
2021-12-26 quant-ph
Gate Fidelities, Quantum Broadcasting, and Assessing Experimental Realization
我们将实验实现的量子操作的门的量子数与它们的理想操作的广播性质联系起来，并且表明，给定的量子操作可以广播到的参与方越多，其实验实现的门的量子数一般就越高。这是通过建立两个操作量之间的对应关系，量子态共享性和量子广播。这表明，为了评估使用门的性能的实验实现，实现的最坏情况，如噪声操作应考虑在内，然后比较获得的门的性能。此外，基于这种对应关系，我们还将量子态可共享性的结果转化为量子运算中的对应结果。
2011-06-29 quant-ph
Three-Qubit Gate Realization Using Single Quantum Particle
利用虚自旋理论证明了一个具有八个能级的量子粒子可以存储三个量子比特。该形式允许实现一组通用的量子门。本文提出了一种可行的形式化实现方法，它以自旋7/2的核为存储介质，以射频脉冲为门。所有通用门的一个脉冲实现已经被发现，包括三量子比特Toffoli门。
2000-02-04 quant-ph
Fault Tolerant Synthesis of Reversible Circuits
可逆计算在速度、功耗和计算能力方面已经成为传统计算的可能的低成本替代方案。为了在可逆计算中实现可靠的电路，提供容错是必要的。文献中提出了许多故障模型，容错技术（如奇偶保持）和测试方法。本文利用两个可逆门的奇偶保持特性，提供低成本的基于奇偶保持的容错。为了扩展可逆电路的在线可测性，提出了用Peres门代替的方法。并对MCF的Swap门和Fredkin门的在线测试能力进行了验证。最后，开发了一个工具，实现了上述所有替换，并将任意可逆电路转换为基于奇偶保持的容错电路。
2015-01-16 cs.ET quant-ph
Stesso: A reconfigurable decomposition of $n$-bit Toffoli gates using symmetrical logical structures and adjustable support qubits
针对当代量子计算机对称结构下$(n+1)$位Toffoli门分解难以重构且辅助量子比特消耗多的问题，提出名为Stesso的分解方法，利用可调辅助量子比特构建不同极性算子，显著降低了量子成本。
2025-10-31 quant-ph
Quantum Cryptography Using Various Reversible Quantum Logic Gates in WSNs
由于传感器节点部署在无线传感器网络的任何地方，因此它们的通信可以很容易地被监控。在这些网络中，消息保护和节点识别是非常重要的问题。因此，大规模网络的安全性需要有效的密钥分配和管理机制。量子密码学，特别是量子密钥分发是这样一种技术，它只在短距离内分配安全密钥。虽然不完全安全，但它通过使用纠缠交换和量子隐形传态提供了比传统方法更大的优势。可逆逻辑门，如CNOT，Toffoli，Fredkin等，在量子计算中具有基本的重要性。在我们的研究中，我们采用了EPR对分配方案的量子门，以克服恶意节点造成的敏感性。由于存储在传感器节点中的量子比特只能使用一次并且不能复制，因此即使节点受到损害，信息泄漏的风险也会降低。
2013-04-03 cs.CR cs.NI quant-ph
Optimal Realizations of Controlled Unitary Gates
受控非门和单量子比特门被认为是量子计算中的基本门。人们自然会问，要实现更复杂的门或电路，需要多少这样的基本门。回想一下，受控U门可以用两个受控非门和四个单量子位门来实现。我们证明了这种实现是最优的，当且仅当矩阵U满足条件tr U！= 0，tr UX！= 0，det U！= 1.我们还得到了最佳的实现在非通用的情况下。
2002-07-27 quant-ph
Realization of efficient quantum gates with a superconducting qubit-qutrit circuit
建造量子计算机是一项艰巨的挑战，因为它需要良好的控制，但也需要与环境良好的隔离，以最大限度地减少退相干。因此，重要的是使用尽可能少的操作来有效地实现量子门，以减少所需的控制和操作时间的量，从而提高量子态相干性。在这里，我们提出了一个超导电路，用于实现一个可调系统组成的qutrit耦合到两个量子位。该系统可以有效地完成各种量子信息任务，包括产生两个量子比特的纠缠和条件三量子比特量子门，如Toffoli和Fredkin门。此外，该系统实现了一个条件几何门，可用于完整（非绝热）量子计算。所提出的电路的效率，鲁棒性和通用性使其成为一个有希望的候选者，作为一个更大的网络，能够执行涉及的量子计算任务的构建块。
2019-10-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
