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来自深度量子电路的抗噪基态能量估计
在容错方面，量子计算的实用性将取决于量子算法中噪声影响的可避免程度。混合量子-经典算法（如变分量子特征值求解器 (VQE)）是为短期方案设计的。然而，随着问题规模的扩大，VQE 结果通常会因当今硬件上的噪声而变得杂乱。虽然错误缓解技术在一定程度上缓解了这些问题，但迫切需要开发对噪声具有更高鲁棒性的算法方法。在这里，我们探索了最近引入的量子计算矩 (QCM) 方法对基态能量问题的鲁棒性，并通过分析示例展示了底层能量估计如何明确地滤除非相干噪声。受此观察的启发，我们在 IBM Quantum 硬件上为量子磁性模型实现了 QCM，以检查随着电路深度的增加噪声过滤效果。我们发现 QCM 保持了极高程度的误差稳健性，而 VQE 则完全失效。在量子磁性模型中，对于多达 20 个量子比特的超深试验态电路（最多 500 个 CNOT），QCM 仍然能够提取合理的能量估计值。大量实验结果支持了这一观察结果。要达到这些结果，VQE 需要在错误率上将硬件改进大约 2 个数量级。
一个统治它们的门方案：引入量子计算的复杂但减少的指令集
量子指令集的设计和体系结构对于量子计算机的性能至关重要。这项工作引入了一个带有XX + y y耦合的Qubit的GATE方案，该方案直接有效地实现了到单量门门的任何两个Qubit Gate。首先，此方案可以高保真执行量子操作，并实现最小可能的门时间。第二，由于该方案跨越了整个SU（4）组的两倍大门，因此我们可以使用它来实现算法实现的最佳两倍栅极计数。协同作用的这两个优点产生了量子复合物但减少的指令集计算机（CRISC）。尽管门方案是紧凑的，但它支持一系列量子操作。这似乎是自相矛盾的，但由于量子和经典计算机体系结构之间的根本差异而可以实现。使用我们的栅极方案，我们观察到各种应用程序的明显改进，包括通用n Qubit Gate合成，量子体积和量子路由。此外，所提出的方案还实现了一个与常用的cnot栅极局部等效的栅极，栅极时间为π2g，其中g是两小子的耦合。ASHN方案也完全不受ZZ错误，这是横向耦合系统中的主要相干误差，因为实现大门的控制参数可以轻松调整以考虑ZZ项。
观察被困的离子量子计算机中测量引起的量子相
图1：模型和纯化动力学（a）具有L = 6个系统Qubits的电路的示意图，N G = 6个两倍的门，2个Z-测量和1 x测量。第一个xx门用系统量子串将引用缠绕。接下来，我们扰乱了系统。统一测量动力学的时间演变始于红色虚线。概率测量将推迟到电路结束，并使用系统量子和测量值之间的cnot门结束。在第三个XX门之后显示X-BASIS测量。最后，应用反馈操作U f（请参阅补充材料）（b）两个L = 6个电路的参考量子熵，其中参考Qubit保持混合（上图）和纯净（下图）。x轴显示了拼凑完成后施加的两倍门（n g）单位的时间的演变（再次由红色虚线表示）。在此示例中，熵是通过在X，Y和Z -BASIS中进行测量来测量参考的单Qubit断层扫描来测量的。误差线（1σ）小于标记，分别具有4000和10000的实验和仿真照片。缺少实验数据是由于离子丢失事件引起的，这与所采集的数据无关。
使用...构建容错量子计算机
我们对一种基于 cat 码与外部量子纠错码连接的容错量子计算机进行了全面的架构分析。对于物理硬件，我们提出了一种耦合到二维布局的超导电路的声学谐振器系统。使用硬件的估计物理参数，我们对测量和门（包括 CNOT 和 Toffili 门）进行了详细的错误分析。在建立了一个真实的噪声模型后，我们用数字模拟了当外部代码是重复码或薄矩形表面码时的量子纠错。我们迈向通用容错量子计算的下一步是容错 Toffili 魔法状态准备协议，该协议以非常低的量子比特成本显著提高了物理 Toffili 门的保真度。为了实现更低的开销，我们为 Toffili 状态设计了一种新的魔法状态蒸馏协议。结合这些结果，我们获得了运行有用的容错量子算法所需的物理错误率和开销的实际全资源估计。我们发现，使用大约 1000 个超导电路元件，就可以构建一台容错量子计算机，该计算机可以运行目前传统计算机无法处理的电路。反过来，具有 18,000 个超导电路元件的硬件可以在传统计算无法企及的范围内模拟哈伯德模型。
受计算机启发的高维多部分量子门概念
量子光学研究的共同目标之一是找到控制复杂量子系统的方法，这既可用于研究量子力学的基本问题，也可用于量子技术的潜在应用 [1,2]。量子系统的复杂性随着所涉及部分的数量和各个部分的维数的增加而增加。对于单光子量子系统，25 年来，人们一直知道如何进行任意幺正变换 [3]，这已成为集成光子学的基础 [4 – 7]。同样，在光子的其他自由度中，单量子门也已得到很好的理解，例如，使用离散化时间步骤 [8] 或光子的空间模式 [9 – 12] 和对单光子进行高维多自由度操作 [13]。多光子操作更加复杂，因为光子之间不相互作用。为了克服这一困难并实现两个光子之间的有效相互作用，辅助状态用于预示概率变换，例如受控非门 (CNOT) [14-16]。这些变换的质量已大大提高，使得任意二维双光子门的片上演示以及任意光子量子比特变换的理论概念成为可能 [17]。总而言之，多光子量子比特变换和单光子任意高维变换的特殊情况已得到充分理解。然而，d 维中 n 个光子的变换的一般情况仍未得到解决。
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）。
QuCloud+：用于单/双量子比特的整体量子比特映射方案...
对于NISQ超导量子计算机来说，量子比特映射对于保真度和资源利用率至关重要。现有的量子比特映射方案面临诸如串扰、SWAP开销、设备拓扑多样等挑战，导致量子比特资源利用不足和计算结果保真度较低。本文介绍了一种解决这些挑战的新型量子比特映射方案QuCloud+。QuCloud+有几项新的设计。（1）QuCloud+支持2D/3D拓扑量子芯片上的单/多程序量子计算。（2）QuCloud+利用串扰感知社区检测技术对并发量子程序的物理量子比特进行分区，并进一步根据量子比特度数分配量子比特，提高保真度和资源利用率。（3）QuCloud+包含X-SWAP机制，可避免串扰误差较大的SWAP，并支持程序间SWAP以降低SWAP开销。 (4) QuCloud+根据最佳实践的保真度估计来调度要映射和执行的并发量子程序。实验结果表明，与现有的典型多道程序研究[12]相比，QuCloud+可实现高达9.03%的保真度提升，并节省映射过程中所需的SWAP，减少插入的CNOT门数量40.92%。与最近的一项研究[30]相比，该研究通过映射后门优化进一步减少门数量，在使用相似门数量的情况下，QuCloud+将映射后的电路深度减少了21.91%。
将量子多重旋转的成本减半
许多量子算法具有指数运行时间优势，而其经典算法则是大量的量子和量子门。在科学或工业上有趣的量表上进行了包括估计具有数百个旋转轨道和电子的分子的能量水平[13，26]，并考虑了具有数千个位的RSA整数[8]。 解决这些问题至少需要许多量子位来编码输入，在这些输入上，将数十亿至数万亿个基本量子门应用于这些输入上。 在大规模上，嘈杂的物理硬件上的量子计算需要量子校正代码中的逻辑量子位上容易且易于故障。 尽管可以在许多校正代码上在横向上实现，因此可以在横向上实现，因此可以通过非电压门（通常是t门）增强它们，以实现它们，以实现它们，以实现t门，以实现通用量子计算。 作为t门的同时持续实现[28]，通过诸如魔术状态蒸馏[2]或规格固定[20]的诸如魔术状态蒸馏之类的技术含量[28]实现了耐断层的t门，这些技术的成本更高。 因此，T门的总数是理解易于断层量子算法的现实成本的好启发式。 优化任意量子算法分解为最少数量的T门的分解是包括估计具有数百个旋转轨道和电子的分子的能量水平[13，26]，并考虑了具有数千个位的RSA整数[8]。解决这些问题至少需要许多量子位来编码输入，在这些输入上，将数十亿至数万亿个基本量子门应用于这些输入上。在大规模上，嘈杂的物理硬件上的量子计算需要量子校正代码中的逻辑量子位上容易且易于故障。尽管可以在许多校正代码上在横向上实现，因此可以在横向上实现，因此可以通过非电压门（通常是t门）增强它们，以实现它们，以实现它们，以实现t门，以实现通用量子计算。作为t门的同时持续实现[28]，通过诸如魔术状态蒸馏[2]或规格固定[20]的诸如魔术状态蒸馏之类的技术含量[28]实现了耐断层的t门，这些技术的成本更高。因此，T门的总数是理解易于断层量子算法的现实成本的好启发式。优化任意量子算法分解为最少数量的T门的分解是
模块指南高性能计算/量子计算
本讲座的重点在于第二步，即介绍量子计算。因此，将解释量子比特、量子比特寄存器、量子门和相应的酉矩阵，从简单的门（如 Hadamard、CNOT、Pauli 等）开始，然后构建更复杂的门。此外，还介绍了张量积这一有用的数学工具，用于为多个量子比特构建量子矩阵。所有主题都附有大量练习。在第二步之后，学生可以推导出量子门的矩阵表示，并从门的输入中推导出门的输出。因此，从处于某个初始状态的少量量子比特（一个小的量子比特寄存器）开始，然后通过作用于量子比特寄存器的初始状态的量子门，学生可以根据给定的量子门导出量子比特寄存器的新状态。专业技能：在“高性能计算/量子计算的物理学”模块中，学生可以使用量子比特寄存器和量子门来开发或理解量子算法。方法论技能：学生学习了数学和物理方法（例如，用于解决薛定谔方程、用于推导量子门矩阵）以开发更复杂的量子门。社交技能：学生以团队形式合作解决练习中给出的任务。因此，学生们学习如何有效地在跨国团队中合作。个人技能：经过本次讲座，学生可以解决和理解量子物理问题，并且能够阅读和理解有关量子计算的科学文章。
一对多同时安全量子信息传输
本文介绍了一种新的量子协议，旨在同时将信息从一个源传输到多个接收者。所提出的协议基于纠缠现象，是完全分布式的，并且可证明是信息理论上安全的。许多现有的量子协议保证了两方之间的安全信息通信，但在源必须将信息传输给两方或多方的情况下，这些协议不适合推广，因此在这种情况下必须连续应用两次或多次。新协议的主要新颖之处在于它的可扩展性和通用性，适用于涉及一方必须同时向任意数量的空间分布方传达不同消息的情况。这是通过采用特殊方式在系统的纠缠态中对传输的信息进行编码来实现的，这是与以前的协议相比的显着特征之一。当信息经纪人（例如 Alice）必须一次性向其位于不同地理位置的代理人传达不同的秘密消息时，此协议可以证明是权宜之计。由于该协议涉及 𝑛 方之间的通信，并且依赖于 | 𝐺𝐻𝑍 𝑛 ⟩ 元组，因此与类似的密码协议相比，该协议相对复杂，我们提供了广泛而详细的安全性分析，以证明该协议在信息论上是安全的。最后，在实现方面，该协议的普遍特点是其统一性和简单性，因为它只需要 CNOT 和 Hadamard 门，并且所有信息接收者的本地量子电路都是相同的。