我们考虑时钟游戏——一项在量子信息论框架下制定的任务——它可用于改进现有的量子增强望远镜方案。了解恒星光子何时到达望远镜的问题被转化为一个抽象的游戏,我们称之为时钟游戏。提供了一种制胜策略,即执行量子非拆除测量,以验证光子占据了哪些恒星时空模式而不干扰相位信息。我们证明了赢得时钟游戏所需纠缠成本的严格下限,其中所需纠缠比特的数量等于被区分的时间段数量。这个纠缠成本下限适用于任何旨在通过局部测量非破坏性地提取入射光子时间段信息的望远镜协议,我们的结果意味着 Khabiboulline 等人的协议 [Phys. Rev. Lett. 123, 070504 (2019) ] 在纠缠消耗方面是最佳的。我们还考虑了相位提取的全部任务,并表明恒星相位的量子 Fisher 信息可以通过局部测量和共享纠缠来实现,而无需非线性光学操作。随着辅助量子比特数量的增加,可以渐近地实现最佳相位测量,而如果允许非线性操作,则需要单个量子比特对。
在量子处理器中,在所需量子比特之间设计并行、可编程操作的能力是构建可扩展量子信息系统的关键 1,2 。在大多数最先进的方法中,量子比特在本地交互,受与其固定空间布局相关的连接的限制。在这里,我们展示了一种具有动态、非局部连接的量子处理器,其中纠缠的量子比特在两个空间维度上以高度并行的方式在单量子比特和双量子比特操作层之间相干传输。我们的方法利用光镊捕获和传输的中性原子阵列;超精细态用于稳健的量子信息存储,激发到里德堡态用于纠缠生成 3–5 。我们使用这种架构来实现纠缠图状态的可编程生成,例如簇状态和七量子比特 Steane 码状态 6,7 。此外,我们穿梭纠缠辅助阵列,以实现具有十三个数据和六个辅助量子比特的表面代码状态 8 以及具有十六个数据和八个辅助量子比特 9 的环面上的环面代码状态。最后,我们利用这种架构实现了混合模拟 - 数字演化 2 ,并将其用于测量量子模拟中的纠缠熵 10-12 ,通过实验观察与量子多体疤痕相关的非单调纠缠动力学 13,14 。这些结果实现了长期目标,为可扩展量子处理提供了一条途径,并实现了从模拟到计量的各种应用。
我们需要知道实现 Shor 算法所需的量子计算资源。有了这些知识,量子计算机开发人员就可以设定目标,确定哪些领域值得进一步关注,而加密行业可以估计多久可以开发出能够抵御量子计算攻击的加密系统。实际大规模量子计算所需的量子资源和预期性能已经得到研究 [5-8]。然而,由于这些分析的结果因基本假设的不同而有很大差异,因此有必要分析不同条件下所需的资源。我们按照图 1 所示进行资源分析;其结构类似于典型的资源分析结构,但也有一些不同。与其他研究的相似之处如下。为了实现低门错误率,使用了 QEC 代码。因此,该算法被分解为通用门。为了确定要使用的距离,我们分析了算法中基本门步骤的数量 Q,并且由于使用了 T 门,我们确认了用于魔态蒸馏的额外量子比特的数量。此外,通过获取同时使用的 T 门数量,可以确定要准备多少个 T 门工厂。不同之处在于:我们假设逻辑量子比特之间存在全对全连接。为了减少物理量子比特的数量,我们使用旋转平面代码。由于此代码在执行 CNOT 操作时需要进行晶格手术,因此我们对 CNOT 门使用了额外的辅助量子比特。我们还使用了 Fowler 和 Gidney 的魔法状态蒸馏协议 [ 9 ]。
随着量子硬件的不断改进,越来越多的应用科学家进入了量子计算领域。然而,即使在过去几年中取得了快速的进步,量子设备,尤其是用于量子化学应用的量子设备,仍然难以执行传统计算机无法计算的计算。除了能够执行特定的计算之外,重要的是要有一个系统的方法来估计解决特定问题所需的资源。关于计算复杂性的标准论点让人们希望量子计算机能够解决量子化学问题,但却掩盖了许多算法开销的真正影响。这些开销最终将决定量子计算机性能优于传统计算机的精确点。我们开发了 QREChem,通过基于 Trotter 的量子相位估计方法为量子化学中的基态能量估计提供逻辑资源估计。QREChem 提供的资源估计包括量子化学问题固有的特定开销,包括 Trotter 步骤数和必要辅助设备数的启发式估计,从而可以更准确地估计门的总数。我们利用 QREChem 为各种基组的各种小分子提供逻辑资源估计,获得 T 门总数在 10 7 – 10 15 范围内的估计值。我们还确定了 FeMoco 分子的估计值,并将所有估计值与其他资源估计工具进行比较。最后,我们比较了总资源,包括硬件和纠错开销,表明需要快速纠错周期时间。
将位上的函数映射到作用于量子位上的汉密尔顿量在量子计算中有许多应用。特别是,表示布尔函数的汉密尔顿量对于将量子退火或量子近似优化算法应用于组合优化问题是必不可少的。我们展示了这些函数如何自然地用汉密尔顿量来表示,这些汉密尔顿量是泡利 Z 算子(伊辛自旋算子)的和,和的项对应于函数的傅里叶展开。对于许多由紧凑描述给出的布尔函数类,例如给出可满足性问题实例的合取范式布尔公式,计算其汉密尔顿量表示是 #P 难,即与计算其满足分配的数量一样难。另一方面,构造表示实函数的汉密尔顿量(例如每个作用于固定数量的位的局部布尔子句之和)通常不存在这种困难,这在约束满足问题中很常见。我们展示了组合规则,通过将表示更简单子句的汉密尔顿算子组合为构建块,明确构造表示各种布尔函数和实函数的汉密尔顿算子,这些规则特别适合直接实现为经典软件。我们进一步将结果应用于受控酉算子的构造,以及在辅助量子比特寄存器中计算函数值的算子的特殊情况。最后,我们概述了我们的结果在量子优化算法中的几个其他应用和扩展。这项工作的目标是提供一个量子优化设计工具包,专家和从业者都可以使用它来构建和分析新的量子算法,同时为文献中出现的各种构造提供一个统一的框架。
我们回顾了从理论上处理宇称时间 (PT) 对称非厄米量子多体系统的方法。它们被实现为具有 PT 对称性并与环境相容的耦合的开放量子系统。PT 对称非厄米量子系统表现出各种迷人的特性,使它们在一般的开放系统中脱颖而出。后者的研究在量子理论中有着悠久的历史。这些研究基于组合系统-储层装置的厄米性,由原子、分子和光学物理学以及凝聚态物理学界开发。数学物理学界对 PT 对称非厄米系统的兴趣导致了新的视角和 PT 对称和双正交量子力学优雅数学形式主义的发展,这些形式主义不涉及环境。在数学物理研究中,重点主要放在哈密顿量的显着光谱特性和相应单粒子本征态的特征上。尽管哈密顿量不是厄米量的,但它们可以显示所有特征值都是实数的参数区域。然而,为了研究凝聚态物理中出现的量子多体现象并与实验取得联系,人们需要研究可观测量和关联函数的期望值。此外,人们必须研究统计集合而不仅仅是特征态。凝聚态界部分人士采用 PT 对称和双正交量子力学的概念,导致该方法论处于争议之中。对于一些基本问题,例如,什么是适当的可观测量,如何计算期望值,什么是充分的平衡统计集合及其相应的密度矩阵,人们并没有达成共识。随着工程和控制开放量子多体系统的技术进步,现在是时候将厄米量与 PT 对称和双正交观点相协调了。我们全面回顾了不同的方法,包括伪厄米性的过度思想。为了激发我们在这里宣传的厄米观点,我们主要关注辅助方法。它允许将非厄米系统嵌入到更大的厄米系统中。与其他技术(例如主方程)相比,它不依赖于任何近似值。我们讨论了 PT 对称和双正交量子力学的特性。在这些中,被认为是可观测量的东西取决于哈密顿量或选定的(双正交)基。此外,至关重要的是,被称为“期望值”的东西缺乏直接的概率解释,而被视为正则密度矩阵的东西是非平稳和非厄米的。此外,时间演化的非幺正性隐藏在形式主义中。我们选取了几个模型哈密顿量,到目前为止,这些模型要么是从厄米角度研究的,要么是从 PT 对称和双正交角度研究的,并在各自的替代框架内研究它们。这包括一个简单的两级单粒子问题,但也包括显示量子临界行为的多体晶格模型。比较这两种计算的结果,可以发现厄米方法虽然在某些方面很笨拙,但总能得出物理上合理的结果。在极少数情况下,如果可以与实验数据进行比较,它们还会一致。相比之下,数学上优雅的 PT 对称和双正交方法得出的结果在一定程度上难以物理解释。因此,我们得出结论,厄米方法应该是
拓扑量子计算 (TQC) 是一种量子计算方法,旨在通过利用由非阿贝尔任意子组成的非局部自由度的拓扑属性来最小化硬件层面的退相干 [1-3]。后者是奇异的准粒子激发,具有非平凡的交换统计数据,用辫子群的多维表示来描述。非阿贝尔任意子集合嵌入在退化基态流形中,这允许非局部存储量子信息并通过编织实现幺正变换来处理它。在所有非阿贝尔任意子中,马约拉纳零能量模式 (MZM) 是最有希望用于 TQC 开发的模式 [4-8],因为它们是凝聚态系统中最可行的模式。过去十年,开创性的实验确实在多个不同平台上为它们的存在提供了强有力的证据,如近邻半导体纳米线[9-12]、磁性吸附原子链[13,14]、拓扑超导体内的涡旋[15,16]、平面约瑟夫森结[17,18]和近邻量子自旋霍尔边缘[19,20]。基于马约拉纳量子计算机的构建块是马约拉纳量子比特,由四个马约拉纳零点模型组成。通过物理编织这些马约拉纳零点模型,可以实现所有单量子比特 Clifford 门 [21-23]。这些门受到拓扑保护,因为它们的结果完全取决于 2+1 维空间中任意子绝热遵循的轨迹的拓扑。重要的是,一对 MZM 的编织可以通过多种方式实现,这些方式都等同于两个非阿贝尔任意子的物理交换 [ 24 – 30 ] 。事实上,通过考虑额外的 (混合的) 辅助马约拉纳粒子的存在,我们可以通过适当调整不同 MZM 之间的成对耦合 [ 31 , 32 ] 或通过执行顺序射影宇称测量 [ 8 , 33 – 38 ] 来进行编织。非 Clifford 操作(如 T 门)无法通过马约拉纳编织实现,并且必然依赖于没有拓扑保护的实现,并且需要额外的纠错方案(如魔法态蒸馏)[ 23 , 39 ] 。为了实现通用量子计算,单量子比特门必须补充纠缠门,如 CNOT 门。遗憾的是,这种两量子比特 Clifford 门无法在可扩展架构中仅通过马约拉纳编织操作实现 [22, 40]。基于测量的方法使我们能够克服这个问题,通过对(联合)马约拉纳奇偶性进行高保真投影测量来实现 CNOT 门 [8, 35, 41 – 44]。然而,尽管基于测量的 TQC 已被证明对未来开发完全可扩展的拓扑量子计算机非常有价值,但所需的测量协议仍然是一项艰巨的挑战 [35,45,46]。因此,目前,最好设计和描述替代方案,这些方案不依赖于高保真测量,但仍允许稳健地纠缠不同的拓扑量子位。在这项工作中,我们提出了一种基于完整方法的 CNOT 门的无测量实现。完整量子计算的关键思想是利用非阿贝尔几何相在底层哈密顿量的退化特征空间上实现幺正运算 [47]。当系统参数沿着参数空间中保持退化的闭环进行调整时,就会出现这些规范不变相。这种方法相当通用,已经在非拓扑量子计算方案中成功运用 [47-49]。因此,在 TQC 中使用完整技术也很有意义。事实上,马约拉纳粒子的编织过程本身可以解释为一个完整的过程,其中系统遵循成对马约拉纳粒子耦合的三维参数空间中特定的、拓扑保护的环路 [8, 31]。完整的编织描述的优点是它可以很容易地推广,既可以通过考虑具有不同拓扑结构的环路来实现,也可以通过考虑具有不同拓扑结构的环路来实现。
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