XiaoMi-AI文件搜索系统
World File Search System超导腔
超导腔双轨编码
设计能够减少和减轻错误的量子硬件对于实用的量子纠错 (QEC) 和有用的量子计算至关重要。为此，我们引入了电路量子电动力学 (QED) 双轨量子比特，其中我们的物理量子比特被编码在两个超导微波腔的单光子子空间 {| 01 ⟩ , | 10 ⟩} 中。主要的光子损失误差可以被检测到并转换成擦除误差，这通常更容易纠正。与线性光学相比，双轨代码的电路 QED 实现提供了独特的功能。每个双轨量子比特仅使用一个额外的 transmon ancilla，我们描述了如何执行一组基于门的通用操作，其中包括状态准备、逻辑读出以及可参数化的单量子比特和双量子比特门。此外，腔体和传输器中的一阶硬件错误可以在所有操作中被检测到并转换为擦除错误，留下数量级较小的背景泡利错误。因此，双轨腔量子比特表现出良好的错误率层次，预计在当今相干时间下的性能远低于相关的 QEC 阈值。
超导量子材料与系统中心
摘要 爱因斯坦经常用“光子盒”进行思想实验，无限次地存储场。但这还只是梦想。然而，我们可以在超导腔中存储数十亿个周期的量子微波场。使用圆形里德堡原子，可以非常详细地探测这些捕获场的量子态。腔量子电动力学工具可用于直接确定 Husimi Q 和 Wigner 准概率分布。它们提供了对场的经典或非经典性质的非常直接的洞察。
用于量子技术的混合超导-半导体系统
超导量子器件具有出色的连接性和可控性，而半导体自旋量子位则以其持久的量子相干性、快速控制以及小型化和微缩潜力而脱颖而出。近几年来，在将超导电路和半导体器件结合成混合量子系统方面取得了显著进展，该系统受益于两种成分的物理特性。超导腔可以介导电子自由度（例如半导体芯片上单个电子的自旋）之间长距离的量子相干耦合，从而为量子器件提供必要的连接性。半导体量子点中的电子自旋已经达到了非常长的相干时间，并允许快速量子门操作并提高保真度。我们总结了描述超导-半导体混合量子系统的最新进展和理论模型，解释了这些系统的局限性，并描述了未来实验和理论的不同发展方向。
玻色子量子处理器上量子启发式的数值门合成
最近，人们对量子最优控制和变分量子算法相互作用的兴趣和见解激增。我们在量子比特的背景下研究该框架，例如，量子比特可定义为与传输器耦合的超导腔系统的可控电磁模式。通过采用 (Petersson and Garcia, 2021) 中描述的最新量子最优控制方法，我们展示了对多达八个状态的单量子比特操作和两个量子比特操作的控制，分别映射到谐振器的单个模式和两个模式。我们讨论了对参数化门的封闭系统进行数值脉冲工程的结果，这些门可用于实现量子近似优化算法 (QAOA)。结果表明，对于大多数研究案例，在足够的计算努力下，可以实现高保真度 (> 0.99)，并且可以扩展到多种模式和开放的噪声系统。定制的脉冲可以被存储起来并用作电路量子电动力学 (cQED) 系统中未来编译器的校准原语。
量子比特和腔之间的色散非互易性
量子比特和腔之间的色散相互作用在电路和腔量子电动力学中无处不在。它描述了一个量子模式响应另一个量子模式的激发而发生的频率偏移，并且在封闭系统中必然是双向的，即互易的。在这里，我们展示了一项关于 transmon 量子比特和超导腔之间非互易色散型相互作用的实验研究，这种相互作用源于与具有破坏时间反转对称性的耗散中间模式的共同耦合。我们通过原位调整铁氧体元件的磁场偏置来表征不同程度的非互易性下的量子比特腔动力学，包括不对称频率牵引和光子散粒噪声失相。我们引入了一个用于色散状态下非互易相互作用的通用主方程模型，为与中间系统无关的观察到的量子比特腔动力学提供了紧凑的描述。我们的结果提供了一个超越非厄米汉密尔顿量和级联系统典型范式的量子非互易现象的例子。
利用超导电路对玻色子模式进行量子控制
玻色子模式在各种量子技术中有着广泛的应用，例如用于量子通信的光子、用于量子信息存储的自旋系综中的磁振子和用于可逆微波到光量子转导的机械模式。人们对利用玻色子模式进行量子信息处理的兴趣日益浓厚，其中电路量子电动力学（电路 QED）是其中的主要架构之一。量子信息可以编码到具有长相干时间的玻色子超导腔模式的子空间中。然而，标准的高斯运算（例如，光束分裂和双模压缩）不足以实现通用量子计算。主要的挑战是在高斯运算之外引入额外的非线性控制，而不会增加显著的玻色子损失或退相干。在这里，我们回顾了超导电路单个玻色子码通用控制的最新进展，包括幺正控制、量子反馈控制、驱动耗散控制和完整耗散控制。还讨论了纠缠不同玻色子模式的各种方法。2021 中国科学出版社。由 Elsevier BV 和中国科学出版社出版。保留所有权利。
具有噪声辅助单元的路径独立量子门
量子计算的一个突出挑战是构建具有出色相干性和可靠的通用控制的量子装置[1 – 3]。为了获得良好的相干性，我们可以选择低耗散的物理系统（例如超导腔[4 – 6]和核自旋[7 – 10]），或者通过主动量子纠错进一步增强相干性[11,12]。当我们通过将中央系统与噪声环境更好地隔离来提高相干性时，处理存储在中央系统中的信息变得更加困难。为了控制几乎孤立的中央系统，我们通常会引入相对容易控制的辅助系统（例如，transmon 量子比特[13 – 15]和电子自旋[8,9]），但辅助系统通常比中央系统遭受更多的退相干，从而限制了辅助量子操作的保真度。因此，开发能够容忍辅助错误的量子控制协议至关重要。对于具有时间或空间相关性的噪声，我们可以使用动态解耦[16 – 18]或无退相干编码[19,20]技术来实现中央系统的抗噪声控制。当噪声没有相关性（例如马尔可夫噪声）时，我们需要主动量子纠错（QEC）来提取熵。对于量子比特系统，抑制辅助误差的一种常用策略是使用横向方法[1,21 – 26]，但这可能需要花费大量的硬件开销并且不能提供通用控制[1]，因此希望有一种硬件高效的方法来实现对辅助误差的容错操作[27 – 32]。与量子比特系统不同，每个玻色子模式都有一个大的希尔伯特空间，可以使用各种玻色子量子码来编码量子信息，正如最近的实验所证明的那样[11,33 – 35]。然而，没有简单的方法来划分玻色子
按需量子态传输与纠缠...
通过传播光子耦合孤立量子系统是量子科学的中心主题 1、2，具有实现分布式容错量子计算 3 – 5 等突破性应用的潜力。到目前为止，光子已被广泛用于实现高保真远程纠缠 6 – 12 和状态转移 13 – 15，方法是用条件反射补偿效率低下，这是一种限制通信速率的概率性策略。与此相反，我们在这里通过实验实现了一个长期存在的确定性直接量子态转移的提议 16。利用高效的、参数控制的微波光子发射和吸收，我们展示了两个孤立超导腔量子存储器之间按需的高保真状态转移和纠缠。传输速率比任一存储器中光子的丢失速率更快，这是复杂网络的基本要求。通过以多光子编码传输状态，我们进一步表明，使用腔体存储器和状态独立传输创造了惊人的机会，可以通过量子误差校正确定性地减轻传输损耗。我们的研究结果为跨网络的确定性量子通信建立了一种引人注目的方法，并将实现超导量子电路的模块化扩展。直接量子态转移是一种快速、确定性的量子通信方案，用于在量子网络中传播光子 16 。在该协议中，发送节点以成形的光子波包形式发射量子态，然后被接收节点吸收。这需要光和物质之间强大的可调耦合，以及在共享通信频率上高效传输光子；到目前为止，由于光子耦合和传输效率低下，光网络中的状态转移具有高度概率性 8 。相比之下，超导微波电路可以将低损耗与强耦合相结合。该平台非常适合实现按需状态转移，从而以模块化方式扩展量子设备。为此，超导微波存储器和传播模式已成功对接，独立实现受控光子发射 17 – 20 和吸收 21 – 23。然而，由于高效、频率匹配的光子传输需求带来的困难，远距离确定性量子通信的目标至今仍未实现。
按需量子状态转移和远程微波炉记忆之间的纠缠
通过传播光子耦合孤立的量子系统是量子科学1，2中的一个中心主题，具有开创性应用的潜力，例如分布式，易于故障的量子计算3 - 5。迄今为止，光子已被广泛用于实现高保真远程纠缠6 - 12和州转移13 - 15，通过补偿效率低下的条件，这是一种从根本上概率的策略，对通信率限制了限制。相比之下，在这里，我们在实验上实现了确定性，直接量子状态转移的长期提议16。使用有效的，参数控制的发射和微波光子的吸收，我们显示了按需，高保真状态的转换和两个分离的超导腔量子记忆之间的纠缠。传输速率比任何一个内存中的光子损失率要快，这是复杂网络的基本要求。通过在多光子编码中转移状态，我们进一步表明，使用腔记忆和与状态无关的转移会产生引人注目的操作性，从而确定性地减轻传输损失，并纠正量子误差。我们的结果为跨网络确定性量子通信建立了令人信服的方法，并将实现超导量子电路的模块化缩放。直接量子状态转移是一种快速而确定性的方案，用于与量子网络中传播光子的量子通信16。在此协议中，发送节点以形状的光子波袋排放量子状态，然后被接收节点吸收。这需要在光与物质之间进行强，可调节的效果，以及在共享通信频率下的有效传递；到目前为止，由于光子耦合和传递8的效率低下，光网络中的状态转移已经高度概率。相比之下，超构型微波电路可以将低损耗与强耦合结合在一起。这个平台非常适合实现按需状态转移，因此可以以模块化的方式扩展量子设备。为此，成功接口的微波记忆和传播模式已成功实现受控的光子发射17 - 20和吸收21 - 23。由于需要高效，频率匹配的光子传输所带来的困难，因此，确定性量子在距离处的目标仍然难以捉摸。
费米实验室利用 SRF 腔进行基于 Qudit 的量子计算
规范场论是高能物理 (HEP) 领域的基础理论，在解决量子色动力学、电弱统一、希格斯机制甚至超标准模型物理等若干关键问题中发挥着至关重要的作用。在时空格子上离散化规范场论可得到格子场论，该理论能够对无法解析求解的复杂物理系统进行强大的数值模拟。因此，人们在开发经典硬件和算法方面取得了巨大进步，其中马尔可夫链蒙特卡罗 (MCMC) 技术是最受欢迎的技术之一。尽管经典数值方法取得了巨大成功，但由于所谓的符号问题，一些问题在某些重要参数范围内变得难以解决。最近的理论研究表明，可以通过利用量子算法来绕过这些障碍 [1,2]。例如，已经开发出几种针对 (1+1)、(2+1) 和 (3+1) 维规范场论的资源高效量子算法 [3-10]。然而，到目前为止，仅使用目前可用的噪声中型量子 (NISQ) 设备 [17] 对 (1+1) [11-15] 和 (2+1) [16] 的情况进行了原理验证演示。要实现使用量子计算机计算 (3+1) 维现象的宏伟目标，需要在量子硬件和控制方案上做出重大改进。由费米实验室领导的超导量子材料与系统 (SQMS) 中心致力于在量子计算和传感领域带来变革性进步。其核心目标是解决当前量子设备固有的退相干挑战，为增强型量子处理器和传感器铺平道路。该计划的核心是在 SQMS 中心内开发基于三维 (3D) 超导腔的数字量子计算系统，旨在解决重要的 HEP 问题。这些系统利用最初为加速器物理设计的 3D 超导射频 (SRF) 腔，与传统的 2D 超导设备相比具有明显的优势。首先，3D 腔的基本模式拥有超过两秒的寿命，使其非常适合存储和操纵量子信息 [18]。其次，高效的控制和读出方案显着降低了低温和室温硬件开销。最后，对大型希尔伯特空间的固有访问提供了直接编码“qudits”的潜力，与传统的两级（量子位）编码相比，在模拟中具有优势 [19]。本过程安排如下。在第 2 节中，我们简要回顾了超导电路，特别是用于 transmon 量子位的电路量子电动力学 (cQED) 架构。在第 3 节中，我们介绍了 3D SRF 量子计算系统，并在第 4 节中讨论了最近的实验进展，最后在第 5 部分进行总结性发言。