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![arXiv:2306.00874v1 [quant-ph] 2023 年 6 月 1 日](/simg/g:\will\search\icon\source\2\2d576741a2d913b2121e103ed9dfffd495c1e7e4.webp)
arXiv:2306.00874v1 [quant-ph] 2023 年 6 月 1 日
量子计算旨在利用量子现象来高效地执行即使对于最强大的传统超级计算机来说也不可行的计算。在众多有前途的技术方法中，光子量子计算具有低退相干、信息处理对低温要求适中以及与传统和量子网络本地集成的优势。迄今为止，光量子计算演示已经使用专用硬件实现了特定任务，特别是高斯玻色子采样，这使得量子计算优势得以实现。在这里，我们报告了第一个基于单光子的用户就绪通用量子计算原型。该设备包括一个高效量子点单光子源，为可重构芯片上的通用线性光网络供电，该芯片的硬件错误由机器学习的转译过程补偿。我们的完整软件堆栈允许远程控制设备通过逻辑门或直接光子操作执行计算。对于基于门的计算，我们对具有 99.6 ± 0.6 的最先进保真度的一、二和三量子比特门进行了基准测试。 1%、93.8±0.6% 和 86±1.2%。我们还实现了变分量子本征解法，用它来高精度地计算氢分子的能级。对于光子原生计算，我们使用基于 3 光子的量子神经网络实现了分类器算法，并报告了通用可重构集成电路上的第一个 6 光子玻色子采样演示。最后，我们报告了首次预示的 3 光子纠缠生成，这是基于测量的量子计算的一个重要里程碑。
光学离散偏振与连续正交变量之间的混合纠缠
量子纠缠是实现光量子信息处理 (QIP) 不可或缺的资源 [1-7]。传统上，通过利用符合波粒二象性的光的两个不相容方面之一来实现纠缠，两类方法同时发展起来。因此，这些发展导致了信息编码的两个不同方向，即使用有限维的离散变量 (DV) 状态（如光子数、时间箱和光偏振）[1-4] 或无限维希尔伯特空间的连续变量 (CV) 状态（如场正交分量）[5-7]。在实践中，这两种编码都展示了各自的优势，但也暴露了各自的弱点。由于不太担心光子丢失，涉及单光子的 DV 协议通常享有几乎单位保真度，但依赖于概率实现和高效的单光子探测器。相比之下，CV 替代方案使用电磁场的正交分量，具有明确的状态鉴别、无条件操作和完美的同差检测效率，但由于与真空耦合，存在光子损失和固有的低状态保真度。最近，人们做出了显著的努力 [8-22]，利用这两种方法的优点来克服固有的个体局限性。在统一的混合架构中集成 DV 和 CV 技术方面取得的进展表明，我们能够分配和互连光学 DV 和 CV 量子态（或量子比特）。我们可以设想一个异构量子网络，要求在两种编码之间进行匹配的信息传输。因此，这些混合技术为实现可扩展的 QIP 和量子通信提供了新的思路。虽然将 DV 工具箱与 CV 框架相结合的努力早在二十年前就已开始用于生成非高斯状态，但它
挤压和纠缠光 - ediss.sub.hamburg
压缩态和纠缠态已被证明是光量子传感和提高测量灵敏度的宝贵资源。然而，它们的潜力尚未得到充分挖掘。在我的论文的第一部分，我展示了压缩光操作的马赫曾德干涉仪的实验量子增强。我测量了超过十倍的非经典灵敏度改进，相当于 (10.5 ± 0.1) dB，这相当于相干光功率增加了 11.2 倍。此外，我的论文提出了一个关于马赫曾德拓扑内直接吸收（损耗）测量的新概念。该技术使用量子相关的二分压缩光束来测量放置在马赫曾德干涉仪一个臂中的样品的透射率。我的原理验证实验表明，损耗与所用光电二极管的量子效率无关。除此之外，该概念可能成为集成量子光子器件生物传感光学测量的有力工具。感光样品在强光照射下特别容易受到高功率的影响，而这种测量将受益于压缩光的极低强度。在我的论文的第二部分，我展示了如何克服传感动态系统中的量子不确定性。首次实现了相对于纠缠量子参考具有亚海森堡不确定性的相空间轨迹。时间演化得到无条件监测，其精度比任何没有关联的量子力学系统高十倍。我同时测量了相位和振幅正交，剩余不确定性为 ∆ X ( t ) ∆ Y ( t ) ≈ 0.1 Å h / 2 。结果支持纠缠增强传感器的量子技术，并证实了量子不确定性关系的增强物理描述。从这个角度来看，我重新审视了海森堡的不确定性关系，并得出结论，它为两个共轭可观测量相对于已耦合到环境的参考系统的不确定性设置了下限。
使用费米子到量子比特编码的线性光学量子电路模拟
量子模拟模仿一个量子系统与另一个人工组织的量子系统（即量子模拟器）的演化[1]。具有量子比特的数字量子模拟器可以对由各种粒子（如自旋、费米子和玻色子）组成的任意量子系统进行精确或近似编码，具体取决于粒子的性质。量子比特可以通过多种物理系统实现，如捕获离子[2,3]、核磁共振（NMR）[4,5]、超导电路[6,7]、量子点[8]和光子[9]。因此，无论模拟器的物理性质如何，我们都可以使用适当的量子比特编码协议用数字量子模拟器模拟任何量子系统。在各种多粒子量子系统中，玻色子系统被认为从数字量子模拟中受益匪浅。 Knill、Laflamme 和 Milburn (KLM) 证明后选择线性光学能够进行通用量子计算 [10]。此外，Aaronson 和 Arkhipov [11] 提出的玻色子采样也是证明量子器件计算优越性的有力候选者。玻色子采样问题被认为属于经典的难采样问题。受非相互作用玻色子系统计算能力的启发，提出了几种玻色子到量子比特编码 (B2QE) 协议，以使用数字量子计算机模拟玻色子问题 [12-18]。大多数研究直接使用 Fock 态的一元或二元量子比特表示作为量子比特编码协议，将玻色子产生和湮灭算子离散化。参考文献 [15] 提出了一种用于线性和非线性光学元件的数字量子模拟方法。参考文献[ 17 ] 基于文献 [ 19 ] 开发的玻色子-量子比特映射，使用 IBM Quantum 模拟了束分裂和压缩算子。所需资源（例如量子比特和门的数量）因编码协议而异。文献 [ 18 ] 比较了不同编码协议之间的资源效率。在本文中，我们结合 Shchesnovich [ 20 ] 分析的玻色子-费米子对应关系和费米子到量子比特编码 (F2QE) 协议 [ 21 , 22 ]，提出了一种替代的多玻色子数字模拟方法。具体而言，我们的协议将玻色子态转换为具有内部自由度的费米子态，然后通过 F2QE 协议（Jordan-Wigner (JW) 变换）将其转换为量子比特态。在我们的模拟模型中，具有 M 个 N 量子比特束的量子电路可以模拟 M 模式下 N 个玻色子的数量守恒散射过程。我们的协议总结如图 1 所示。我们的协议最显著的优势是，它可以使用量子比特数的直接扩展来有效地模拟非理想的部分可区分玻色子，即具有内部自由度的玻色子。作为概念证明，我们使用我们的协议生成了 Hong-Ou-Mandel (HOM) 倾角 [ 23 ]。HOM 效应在光量子系统中非常重要，它为线性光量子计算系统中的逻辑门提供基本资源。参考文献 [ 24 ] 讨论了 HOM 效应与基于量子比特的 SWAP 测试之间的正式联系。为了模拟 HOM 倾角，我们需要一种方法来为光子添加内部自由度。在我们的例子中，通过将量子比特数增加两倍就可以轻松实现，这表明我们的协议适合模拟部分可区分的玻色子。我们使用 IBM Quantum 和 IonQ 云服务验证了电路的有效性。本文结构如下：第 2 部分介绍我们的数字玻色子模拟协议。在回顾了玻色子-费米子变换协议之后，我们展示了如何将此变换与 JW 变换相结合进行数字玻色子模拟。在第 3 部分中，我们将模型应用于 HOM 倾角实验。我们用一个八量子比特电路模拟双光子部分区分性。最后，第 4 部分总结我们目前的工作并讨论其未来可能的扩展。
göttingen和量子力学1简介
在这次演讲中，阐明了Gottingen在制定量子力学中所起的核心作用。首先要简短的历史记录，对二十世纪的二十年来实现这一目标的早期步骤[1]。量子理论制定的第一步发生在1900年，马克斯·普朗克（Max Planck）通过将墙壁作为谐波振荡器的系统来解释黑体辐射的光谱。他假设发出和吸收的能量是Hν的整数倍数，其中ν是振荡器的频率，H是普朗克的常数，他使用热力学参数提前引入了Planck的常数。在1905年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）假设存在光量子（仅在后来被称为光子）。这使他得出了光电效果的理论解释。卢瑟福（Rutherford）对金箔（1911）的α颗粒的散射实验提出了一种原子的行星模型，并具有沉重的带电核由电子表现出来。由于电子执行加速运动，它们会根据麦克斯韦的方程式辐射，因此这些原子在经典物理学的描述中不能稳定。这与提出的J.J.的李子布丁模型相反。汤姆森（Thomson）在1904年。在此模型中，假定电子在连续的正电荷背景和固定配置中自由频道，其中没有发射辐射[2]。该模型是由卢瑟福的实验伪造的。此假设导致离散的能量值e n w（n）= - e r /n 2 < /div> < /div>尽管这一事实是类似的“ Jellium模型”，但在固态物理学的后面引入了与模仿简单金属的特性。为了了解原子的稳定性并提出了高温下氢发出的光谱线的理论描述，NILS BOHR（1885-1962）在1913年推测，该电子不会辐射电子在integer of Integer of integer of integer of integer of integer fy的值中，该值不在integer of integul of integul上。
![arXiv:2501.06839v1 [quant-ph] 2025 年 1 月 12 日](/simg/g:\will\search\icon\source\6\67a26e408a97ed2e61c90258e8d43cb0767f7820.webp)
arXiv:2501.06839v1 [quant-ph] 2025 年 1 月 12 日
量子通信理论专注于研究传输量子信息的量子信道，其中传输速率由量子信道容量来衡量。这个量表现出几个有趣的特性，例如非可加性、超激活等等。在这项工作中，我们表明，一种被称为抗降解单模高斯信道的量子信道（其容量被认为为零）可以通过引入量子纠缠来“激活”以传输量子信息。虽然信道的输出本身不能用于检索输入信号，但将其与额外的纠缠相结合可以实现这一点。除了理论意义之外，这种激活还可以在实际系统中实现。例如，在双模压缩相互作用机制中用于量子转导的电光系统中，转导通道是抗降解的。我们证明该系统可以在与辅助模式的纠缠的帮助下传输微波光量子信息。这样就产生了一种新型的量子换能器，它在很宽的参数空间上表现出正的量子容量。引言——量子通道模拟了量子信息在时间或空间中的传输。研究各种噪声量子通道及其潜在的信息传输速率——量子通道容量——是量子通信理论的核心。与经典量子通道容量不同，量子通道容量没有简单的公式，其评估通常涉及计算困难的所谓双字母优化[1,2]。因此，量子容量表现出一系列不寻常的行为，如活化和超活化[3-6]，这反映了量子信息在通道中传播的非平凡方式。只有少数特定类型的量子通道的量子容量的确切值才是已知的。有一种这样的信道被称为抗降解信道，它已被证明具有零量子容量 [ 7 , 8 ]，这意味着没有量子信息能够以零误差通过该信道。在本文中，我们表明，如果将一种抗降解玻色子高斯信道与辅助信道相结合，则可以实现非零量子信息传输速率
一个量子点的量子量源多光子纠缠
多个纠结光子的量子状态构成了基于测量的量子计算和全光量子量子中心中继器的重要资源。然而，这种状态的产生具有挑战性，到目前为止，概率方案一直是崇拜的规模。在这里，我们使用自旋光子界面研究了确定性的灌注生成，通过反复的光学操纵，可以发出较长的纠缠光子。特定的，我们采用了带有单个孔自旋的固态INAS量子点。此外，我们将量子点嵌入光子晶体波导中，从而将发射极强烈耦合到单个光学模式并修改光 - 反物的相互作用。与量子点遇到的常见限制是相干自旋控制和光循环跃迁的不兼容。通过应用平面内磁性ELD并选择性地将线性光学偶极子与波导模式耦合，我们测量了光学环境的宽带增加到×14。7，同时还具有驱动光学拉曼过渡的能力。波导几何形状还允许选择性泵送光学转变，导致98％的旋转初始化熟食。我们演示了t ∗ 2 = 23。2 ns自旋去向时间，它超过了使用可比纳米结构的大多数实验。这些功能允许实现一个时态纠缠协议，我们对此进行了详细的分析。由于内置的自旋回波过程，该方案对T ∗ 2不敏感，并且与高磁性ELDS和波导兼容。1％Pr。1％Pr。通过结合谐振光脉冲和拉曼脉冲，该协议可以生成GHz状态和包含QD旋转和N光子的线性簇状态，其中每个光子都以两个时间模式的叠加发射。我们计算2个错误率。光子在考虑逼真的参数和波导的最佳使用时。该协议是通过实验实施的，我们实现了一个旋转铃声状态，其熟食度为66.6％和124 Hz检测率。通过使用自动稳定的双通用干涉仪，我们能够构建精确的GHz和Bell State Delity估计。延伸到三个量子位，我们观察到清晰的连贯性签名，但是，这缺乏能够证明能够纠缠的幅度。通过构建详尽的蒙特卡洛模拟，我们能够包括几乎所有相关的错误，并确定我们的88.5％的旋转旋转熟食作为主要误差机制。其他实验证明了更好的自旋对照，我们讨论了获得更高的善良并扩展到更多量子的几个可能的途径。
此手稿先前已在另一项自然研究杂志上进行了审查。本文档仅包含审阅者评论和反驳信件
审稿人的评论：审稿人＃1（对作者的备注）：作者显示了可调LED发射电信波长纠缠光子及其在城市中安装的光纤网络中的使用。我发现这项工作很有趣，尤其是由于对实验实验所需的条件进行了详尽的描述。手稿写得很好，数据仔细分析。我很高兴看到它在通信物理学中发表。在此之前，我想提出一些更改，可以帮助读者更多地欣赏这项研究：1）我认为添加文本的LED制造产量将是有益的。的确，由于手稿是面向设备的，因此要陈述可重复性以进行将来参考很重要，以便知道有多少个设备和点需要在找到合适的一个设备和点之前检查2）遵循的方法以意识到这种发射二极管非常有趣。在我看来，光子发射是由电气注射载体的直接重组引起的，或者像这里一样，是由于点通过外部二极管在同一芯片上的圆点的光学泵送而言。尽管如此，重要的是要指出，激发过程仍然是光学的，因此将这些性能与光学兴奋进行比较会很有趣。3）我非常感谢示例描述中的细节级别。作者可以添加掺杂级别和配置文件吗？4）对于研究，已经使用了大约5微电EV的FSS值。作者没有使用较小的FSS值的原因？被出版。这可能会影响选择后窗口宽度5）在类似的音符上，作者对光子相干有想法吗？截面后的48 ps窗口足以实现复杂网络的现实实现？澄清了这几点后，我将非常乐意支持出版。审稿人＃2（向作者发表评论）：令我惊讶的是，手稿几乎没有改变审稿人提出的许多观点。因此，大多数批评仍然是相关的，作者仍有待处理。例如（例如，我的意思是），尽管作者在回复信中给出了良好而有价值的回应，但在手稿中尚未阐明产量和可重复性。因此，在不提供手稿中的收益和可重复性的数据的情况下，工作不应（！）另一个“例如”：在引言中，作者说：“对多光子发射的良好抑制是下一个高速量子网络应用程序的基石之一，超出了传统的量子密钥分布（QKD）。这句话的第二部分是值得注意的，正如作者以矛盾的方式在其回应中所说的：“光子不可区分性是光子量子信息处理和全光量子量子中继器方案的重要参数”，但“对于更简单的量子
通过设计 TLS 耗散来提高量子比特相干性
B41.002：高 Q 值超导谐振器高电阻率硅晶片低温损耗角正切测量 B57.002：超导 Nb 薄膜中亚间隙准粒子散射和耗散 B57.008：Nb 超导射频腔的电磁响应 B57.010：用于高 Q 值谐振腔的高纯铌超导态氢化物的非平凡行为 B57.012：轴子搜索的可行性研究：Nb SRF 腔中的非线性研究 D37.002：基于三维微波腔的微波光量子转导 D39.013：带有级联低温固态热泵的量子阱子带简并制冷 D40.008：基准测试方八边形晶格 Kitaev 模型的 VQE D41.003：用于量子计算的 Nb 谐振器中氧化铌退火的原位透射电子显微镜研究 F36.005：识别超导量子比特系统中缺陷和界面处的退相干源 F36.006：使用双音光谱理解和减轻超导射频 (SRF) 腔中的损耗 F36.007：通过 HT 相界分析优化用于量子器件的 Nb 超导薄膜 F36.008：循环：超导量子比特的多机构表征 F36.010：铌射频腔的 Nb/空气界面的原子尺度研究 K29.002：超导量子材料与系统 (SQMS) – 新的 DOE 国家量子信息科学研究中心M41.009：可调谐 transmon 量子比特的长期能量弛豫动力学作为损耗计量工具 N27.006：超导量子材料与系统 (SQMS) 研究中心的量子信息科学生态系统工作 Q71.007：高磁场中的超导材料在高能物理量子传感中的应用 Q37.005：多模玻色子系统量子启发式的数值门合成 S38.003：基于微米级约瑟夫森结的约瑟夫森参量放大器的制造和特性 S72.009：探究低温真空烘烤对超导铌 3-D 谐振器光子寿命的作用 T00.106：铌硅化物纳米膜的稳定性、金属性和磁性 T00.119：不同 RRR 值的铌膜的特性低温 T72.005：单个纳米结处异质偶极场和电荷散射的太赫兹纳米成像 W40.006：量子芝诺效应对两能级系统的动态解耦 W34.013：3D SRF QPU 的潜在多模架构探索 Y34.008：高相干性 3D SRF 量子比特架构的进展 Y40.009：理解和减轻超导量子比特中 TLS 引起的高阶退相干
单光子源和探测器书：第 1 章
太初有光。光是美好的。此后不久，人们开始寻求对光的全面理解。虽然出版记录一开始有些零散，但公元前五世纪，希腊哲学家恩培多克勒得出结论，光由从眼睛发出的光线组成。欧几里得在其关于光传播的经典著作《光学》中，使用今天可能被称为局部现实主义的论证对这一观点提出了质疑。欧几里得假设光线是由外部光源发出的。但直到公元 1000 年伊本·海赛姆 (Ibn al-Haytham) 提出这一观点后，这一观点才被确立为科学依据。17 世纪的笛卡尔将光本身的特性描述为“压力”，它通过空间从光源传输到眼睛（探测器）。这个想法后来由惠更斯和胡克发展成为光的波动理论。大约在同一时间，伽森狄提出了相反的观点，即光是一种粒子，牛顿接受了这一观点并进一步发展了这一观点。杨氏 1803 年的双缝实验和菲涅尔的衍射实验普遍认为，光作为粒子和波的不同视角已经得到解决，有利于波动图像。在 19 世纪 60 年代，麦克斯韦方程以一种优雅而令人满意的方式进一步证实了这一结论：预测以光速传播的偏振电磁波。1897 年，J.J. Thomson 发现离散粒子携带负电荷在真空中移动，电磁学的波与流体观由此出现问题。随后在 1900 年，普朗克在“绝望之举”中援引了量化的电磁能量束来推导黑体辐射定律 [2, 3]，这一步不仅包含了玻尔兹曼在统计力学中的先前猜想，而且与传统理解背道而驰。它最初被认为是推导的产物，后来得到纠正，但爱因斯坦在 1905 年对光电效应的描述 [4] 中更加认真地对待光量子理论。随后在 1913 年，玻尔援引了能量和角动量的量化来解释在氢-巴尔末系列中观察到的离散光谱发射线。1924 年，德布罗意基于这些想法假设不仅光，而且物质粒子也具有波状特性，这一假设彻底失败了。随后出现了量子光，这真是太棒了。随后，海森堡、玻恩、薛定谔、泡利和狄拉克等一系列发现和进步建立了量子力学的框架。就本书而言，1927 年，狄拉克将电磁场量化，有效地发展了光理论，涵盖了引发整个革命的物理现象。20 世纪 30 年代，首次在单光子水平上直接探测到光。20 世纪 50 年代原子级联光子对源 [5] 的出现及其在 20 世纪 70 年代和 80 年代的使用 [6–9] 使第一个单光子源问世。