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基于电路的电子自旋量子比特紧凑模型
摘要：如今，硅片上的电子自旋量子比特似乎是制造未来量子微处理器的一个非常有前途的物理平台。为了打破量子霸权障碍，数千个量子比特应该被封装在一个硅片中。微电子工程师目前正在利用当前的 CMOS 技术将操控和读出电子设备设计为低温集成电路。这些电路中有几个是 RFIC，如 VCO、LNA 和混频器。因此，量子比特 CAD 模型的可用性对于正确设计这些低温 RFIC 起着核心作用。本文报告了一种用于 CAD 应用的基于电路的电子自旋量子比特紧凑模型。本文对所提出的模型进行了描述和测试，并强调和讨论了所面临的局限性。
自旋量子比特跨越表面代码阈值的量子逻辑
量子比特的高保真控制对于量子算法的可靠执行和实现容错（即在错误发生前更快地纠正错误的能力）至关重要 1 。容错的核心要求用错误阈值来表示。虽然实际阈值取决于许多细节，但一个共同的目标是众所周知的表面码的约 1% 的错误阈值 2,3 。达到 99% 以上的双量子比特门保真度一直是半导体自旋量子比特的长期主要目标。这些量子比特有望实现扩展，因为它们可以利用先进的半导体技术 4 。这里我们报告了一种基于自旋的硅量子处理器，具有从门集断层扫描中提取的单量子比特和双量子比特门保真度，所有保真度均超过 99.5%。当包括相邻量子比特上的串扰和空闲错误时，平均单量子比特门保真度仍保持在 99% 以上。利用这组高保真门，我们利用变分量子特征值求解算法 5 执行了计算分子基态能量的艰巨任务。半导体量子比特已经突破了双量子比特门保真度 99% 的障碍，在实现容错以及在嘈杂的中型量子设备时代可能的应用方面处于有利地位。
$^{87}$Sr 中十能级核自旋量子点的量子最优控制
我们研究了使用量子最优控制在 87 Sr、ad = 10 维（四进制）希尔伯特空间中实现 I = 9 / 2 核自旋状态的幺正映射的能力。通过核自旋共振和张量交流斯塔克位移的组合，仅通过调制射频磁场的相位，该系统即可实现量子可控。碱土金属原子（例如 87 Sr）由于复合线较窄且激发态的超精细分裂较大，因此具有非常有利的品质因数。我们用数字方式研究了量子速度极限、最优参数以及任意状态制备和完整 SU(10) 映射的保真度，包括由于光移激光引起的光泵浦而产生的退相干。我们还研究了使用稳健控制来减轻由于光移不均匀性而导致的一些失相。我们发现，当 rf Rabi 频率为 rf 且光移不均匀性为 0.5% 时，我们可以在时间 T = 4.5 π/ rf 内制备任意 Haar 随机状态，平均保真度 ⟨ F ψ ⟩= 0.9992，并在时间 T = 24 π/ rf 内制备任意 Haar 随机 SU(10) 映射，平均保真度 ⟨ FU ⟩= 0.9923。
单次自旋量子比特的稳健且快速的后处理......
建立低误差和快速的量子比特读出检测方法对于有效的量子误差校正至关重要。在这里，我们测试神经网络以对一组单次自旋检测事件进行分类，这些事件是我们的量子比特测量的读出信号。此读出信号包含一个随机峰值，对于该峰值，包括高斯噪声的贝叶斯推理滤波器在理论上是最佳的。因此，我们将通过各种策略训练的神经网络与后一种算法进行了基准测试。使用 10 6 个实验记录的单次读出轨迹训练网络不会提高后处理性能。与贝叶斯推理滤波器相比，由合成生成的测量轨迹训练的网络在检测误差和后处理速度方面表现相似。事实证明，这种神经网络对信号偏移、长度和延迟以及信噪比的波动更具鲁棒性。值得注意的是，当我们使用由合成读出轨迹结合我们设置的测量信号噪声训练的网络时，我们发现 Rabi 振荡的可见性增加了 7%。因此，我们的贡献代表了神经网络的软件和硬件实现在可扩展自旋量子比特处理器架构中可能发挥的有益作用的一个例子。
设计二维Si量子点阵列，带有自旋量子通讯性Masahiro Tadokoro 1,2，Takashi Nakajima 2，Takashi Kobayashi 3，
参考文献1。Divincenzo，D。P.量子计算的物理实施。Fortschritte der Physik：物理进展48，771（2000）。2。Ladd，T。D.等。量子计算机。自然464，45（2010）。3。Ito，T。等。四个四倍量子点中的四个单旋rabi振荡。应用物理信函113，093102（2018）。4。Mills，A。R.等。将单个电荷穿过一维硅量子点。自然传播10，1063（2019）。5。Mortemousque，P.A。等。在二维量子点阵列中对单个电子旋转的相干控制。自然纳米技术（2020）。6。损失，D。，Divincenzo，D。P.用量子点进行量子计算。物理评论A 57，120（1998）。7。Veldhorst，M。等。具有容忍控制的可寻址量子点量子量子。自然纳米技术9，981（2014）。8。Veldhorst，M。等。硅中的两分逻辑门。自然526，410（2015）。9。Takeda，K。等。 天然硅量子点中的易耐故障可寻址自旋值。 科学进步2，E1600694（2016）。 10。 Watson，T。F.等。 硅中可编程的两分量子处理器。 自然555，633（2018）。 11。 Zajac，D。M.等。 电子旋转的共同驱动的CNOT门。Takeda，K。等。天然硅量子点中的易耐故障可寻址自旋值。科学进步2，E1600694（2016）。10。Watson，T。F.等。 硅中可编程的两分量子处理器。 自然555，633（2018）。 11。 Zajac，D。M.等。 电子旋转的共同驱动的CNOT门。Watson，T。F.等。硅中可编程的两分量子处理器。自然555，633（2018）。11。Zajac，D。M.等。电子旋转的共同驱动的CNOT门。科学359，439（2018）。12。Yoneda，J。等。 一个量子点旋转量子置量量子，一致性限制了电荷噪声，而忠诚度则高于99.9％。 自然纳米技术13，102（2018）。 13。 Takeda，K。等。 在诱导频移的存在下，对Si/Sige自旋量子置量置量的优化电控制。 NPJ量子信息4，1（2018）。 14。 Huang，W。等。 硅在硅中的两倍大门的保真基准。 自然569，532（2019）。 15。 Zheng，G。等。 使用芯片谐振器在硅中快速基于门的自旋读出。 自然纳米技术14，742（2019）。 16。 Volk，C。等。 通过高频累积门对Si/Sige量子点的快速电荷传感。 Nano Letters 19，5628（2019）。Yoneda，J。等。一个量子点旋转量子置量量子，一致性限制了电荷噪声，而忠诚度则高于99.9％。自然纳米技术13，102（2018）。13。Takeda，K。等。 在诱导频移的存在下，对Si/Sige自旋量子置量置量的优化电控制。 NPJ量子信息4，1（2018）。 14。 Huang，W。等。 硅在硅中的两倍大门的保真基准。 自然569，532（2019）。 15。 Zheng，G。等。 使用芯片谐振器在硅中快速基于门的自旋读出。 自然纳米技术14，742（2019）。 16。 Volk，C。等。 通过高频累积门对Si/Sige量子点的快速电荷传感。 Nano Letters 19，5628（2019）。Takeda，K。等。在诱导频移的存在下，对Si/Sige自旋量子置量置量的优化电控制。NPJ量子信息4，1（2018）。14。Huang，W。等。 硅在硅中的两倍大门的保真基准。 自然569，532（2019）。 15。 Zheng，G。等。 使用芯片谐振器在硅中快速基于门的自旋读出。 自然纳米技术14，742（2019）。 16。 Volk，C。等。 通过高频累积门对Si/Sige量子点的快速电荷传感。 Nano Letters 19，5628（2019）。Huang，W。等。硅在硅中的两倍大门的保真基准。自然569，532（2019）。15。Zheng，G。等。 使用芯片谐振器在硅中快速基于门的自旋读出。 自然纳米技术14，742（2019）。 16。 Volk，C。等。 通过高频累积门对Si/Sige量子点的快速电荷传感。 Nano Letters 19，5628（2019）。Zheng，G。等。使用芯片谐振器在硅中快速基于门的自旋读出。自然纳米技术14，742（2019）。16。Volk，C。等。 通过高频累积门对Si/Sige量子点的快速电荷传感。 Nano Letters 19，5628（2019）。Volk，C。等。通过高频累积门对Si/Sige量子点的快速电荷传感。Nano Letters 19，5628（2019）。
克利福德代数、代数旋量、量子信息……
在相对论量子力学中，1、2 Cliifford 代数自然地出现在狄拉克矩阵中。协变双线性、手性、CPT 对称性是一些在该理论中发挥基本作用的数学对象，它们以狄拉克代数的旋量和生成器的形式建立。Cliifford 代数的普遍性表明，它们有可能成为量子计算 3、4 和高能物理之间的纽带。事实上，最近 Martinez 等人 5 使用低 q 捕获量子离子计算机对网络规范理论进行了模拟实验演示。还观察到了粒子-反粒子产生机制与系统纠缠之间的关系，通过对数负性来衡量。此外，还有几篇论文将 Cliifford 代数技术用于量子计算。6 – 14
主动与准静态噪声解耦的驱动电子自旋量子比特的相干性
半导体量子点中电子自旋量子比特的相干性主要受到低频噪声的影响。在过去十年中，人们一直致力于通过材料工程来减轻这种噪声，从而大大延长了空闲量子比特的自旋失相时间。然而，人们对自旋操纵过程中环境噪声的作用（决定控制保真度）了解甚少。我们展示了一个电子自旋量子比特，其驱动演化中的相干性受到高频电荷噪声的限制，而不是任何半导体器件固有的准静态噪声。我们采用反馈控制技术来主动抑制后者，证明了砷化镓量子点中 π 翻转门保真度高达 99 . 04 0 . 23%。我们表明，驱动演化的相干性受到 Rabi 频率下的纵向噪声的限制，其频谱类似于同位素纯化硅量子比特中观察到的 1 =f 噪声。
分子电子自旋量子比特的退相干
图 1：四种钒基配合物的电子-质子超精细耦合与 V- 1 H 分离的关系，包括 B3LYP 计算的各向同性费米接触 (FC) 相互作用和各向异性空间自旋偶极 (SD) 贡献。[VO(C 3 H 6 S 2 ) 2 ] 2– 和 [VO(C 7 H 6 S 6 ) 2 ] 2– 的分子结构显示在数据上方：V - 粉色；O - 红色；S - 黄色；C - 灰色；H - 白色。
通过噪声谱评估硅量子点自旋量子比特环境
保持足够长时间的相干性以执行有意义的计算是实现大规模量子计算机的主要挑战之一。从环境中耦合的噪声是导致退相干的主要因素，但可以通过工程设计和控制解决方案来缓解。然而，这只有在彻底了解主要噪声源及其频谱后才有可能。在本文报告的工作中，我们使用硅量子点自旋量子位作为计量设备来研究量子位所经历的噪声环境。我们将此量子位对电噪声的敏感度与相同环境和测量设置中植入的硅供体量子位的敏感度进行比较。我们的结果表明，正如预期的那样，由于斯塔克位移较大，量子点自旋量子位对电噪声的敏感度高于供体自旋量子位，噪声光谱数据显示中频（2-20 kHz）的电荷噪声贡献明显。