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World File Search System动态解耦
存储光子时间箱量子比特在罕见情况下最长可达 20 毫秒......
用于光子量子比特的长持续时间量子存储器是实现长距离量子网络和中继器的重要组成部分。将光学状态映射到稀土集合中的相干自旋波上是一种特别有前途的量子存储方法。然而，由于所需的自旋波操纵引起的读出噪声，在量子水平上实现长时间存储仍然具有挑战性。在这项工作中，我们应用动态解耦技术和小磁场，在 151 Eu 3 +：Y 2 SiO 5 晶体中实现 20、50 和 100 毫秒的六种时间模式的存储，基于原子频率梳存储器，其中每个时间模式平均包含大约一个光子。通过存储两个时间箱量子比特 20 毫秒来验证存储器的量子相干性，平均存储器输出保真度为 F = (85 ± 2)%，每个量子比特的平均光子数为 μ in = 0.92 ± 0.04。量子比特分析是在存储器读出时完成的，使用我们开发的一种复合绝热读出脉冲。
研磨纳米金刚石中氮空位中心的长自旋相干时间
含有带负电的氮空位中心 (NV − ) 的纳米金刚石可用作生物材料中的局部传感器，并已被提议作为探测空间叠加的宏观极限和引力的量子性质的平台。这些应用的一个关键要求是获得含有 NV − 并具有长自旋相干时间的纳米金刚石。与蚀刻柱不同，使用研磨来制造纳米金刚石可以一次处理块状材料的整个 3D 体积，但到目前为止，NV − 自旋相干时间有限。在这里，我们使用通过 Si 3 N 4 球磨化学气相沉积生长的块状金刚石生产的天然同位素丰度纳米金刚石，平均单一替代氮浓度为 121 ppb。我们表明，这些纳米金刚石中 NV − 中心的电子自旋相干时间在室温下在动态解耦的情况下可以超过 400 µ s。扫描电子显微镜提供了含有 NV − 的特定纳米金刚石的图像，并测量了其自旋相干时间。
具有相干自旋控制的单个碳化硅色心的 Purcell 增强
摘要：碳化硅最近被开发为光学可寻址自旋缺陷的平台。特别是，4H 多型体中的中性双空位显示出光学可寻址的自旋 1 基态和近红外光发射。在这里，我们展示了耦合到光子晶体腔的单个中性双空位的 Purcell 增强。我们利用纳米光刻技术和掺杂剂选择性光电化学蚀刻的组合来产生质量因子超过 5000 的悬浮腔。随后与单个双空位的耦合导致 Purcell 因子约为 50，表现为零声子线的光致发光增加和激发态寿命缩短。此外，我们测量了腔纳米结构内双空位基态自旋的相干控制，并通过动态解耦证明了扩展的相干性。这种自旋腔系统代表了使用碳化硅的可扩展长距离纠缠协议的进步，该协议需要来自空间分离的单个量子比特的不可区分光子的干涉。关键词：碳化硅、双空位、单自旋缺陷、珀塞尔增强、相干自旋控制、光子晶体腔
利用零噪声外推增加测量的有效量子体积
量子体积是近期量子计算机的全栈基准。它量化了在目标设备上可以以合理的保真度执行的方形电路的最大尺寸。误差缓解是一组技术，旨在消除噪声量子计算机在计算感兴趣的期望值时计算中存在的噪声影响。有效量子体积是一种拟议的度量标准，它将误差缓解应用于量子体积协议，以评估目标设备和误差缓解算法的有效性。数字零噪声外推 (ZNE) 是一种误差缓解技术，它使用电路折叠将误差放大已知比例因子，然后将计算出的期望值外推到零噪声极限，从而估计无噪声期望值。在这里，我们证明 ZNE 与具有分数比例因子的全局和局部单元折叠以及动态解耦相结合，可以将有效量子体积增加到供应商测量的量子体积以上。具体来说，我们测量了四个 IBM Quantum 超导处理器单元的有效量子体积，得到的值大于供应商在每个设备上测量的量子体积。这是首次报告出现这样的增长。
超导量子网络中的纠缠净化与保护
高保真量子纠缠是量子通信和分布式量子计算的关键资源，可实现量子态隐形传态、密集编码和量子加密。然而，通信信道中的任何退相干源都会降低纠缠保真度，从而增加纠缠态协议的错误率。纠缠纯化提供了一种缓解这些非理想性的方法，它将不纯态提炼成更高保真度的纠缠态。在这里，我们展示了两个远程超导量子节点之间共享的贝尔对的纠缠纯化，这两个节点通过一条 1 米长的中等损耗超导通信电缆连接。我们使用纯化过程来校正由电缆传输引起的主要振幅阻尼误差，对于更高的阻尼误差，保真度最高可提高 25%。纯化实现的最佳最终保真度为 94.09！0.98%。此外，我们同时使用动态解耦和 Rabi 驱动来保护纠缠态免受局部噪声的影响，将有效量子比特失相时间增加了 4 倍，从 3 微秒增加到 12 微秒。这些方法展示了在超导量子通信网络中生成和保存非常高保真度纠缠的潜力。
S1：固态缺陷工程
我们提出了一种基于多体自旋梳的大规模通用量子信息处理的理论路径，利用我们在金刚石纳米光子波导中的色心平台实现具有可编程纠缠的量子图。应变固体导致不同色心产生各种位置相关的电子自旋共振频率，从而有效地产生自旋梳。自旋梳由谐振交流应变场驱动，具有可编程周期波形，可执行局部量子位操作，如动态解耦。使用新的梯度上升最优控制技术对串联复合脉冲进行波形优化，以同时校正非共振和振幅误差。原则上，这可以增强所有量子位的相干时间 T2*，而不会消耗太多功率，因为整个系统都是共振的。为了在不同量子位之间创建非局部纠缠相互作用，我们考虑了两种类型的玻色子链路：分别用于连接相同和不同波导中的量子位的声子总线和光学总线。利用制造缺陷和波导基本模式的相应差异，最终可以在我们的量子图中实现全对全纠缠。anand43@mit.edu
同时对量子比特和运动退相干不敏感的无激光捕获离子纠缠门
囚禁离子具有较长的相干时间、固有的均匀性和较高的门保真度，是量子模拟和通用量子计算的一个有前途的平台[1-8]。实现高保真度多量子比特纠缠门的最常用方法依赖于将内部量子比特“自旋”态与集体运动自由度耦合[1,2,9]。几何相位门——通过运动相空间中封闭的、自旋相关的轨迹产生纠缠——被广泛使用，因为它们对离子温度（在 Lamb-Dicke 极限下）具有一级不敏感性[10-12]。几何相位门利用激光束产生所需的自旋运动耦合，已被用于产生保真度为 ∼ 0 的贝尔态。 999 [7,8]，主要误差来自非共振光子散射[13]。其他无激光方案利用静态[14-19]、近量子比特频率[20-25]或近运动频率[20,26-28]磁场梯度引起自旋运动耦合。虽然无激光方案消除了光子散射误差，并且不需要稳定的高功率激光器，但由于其门持续时间通常较长，因此更容易受到其他噪声源的影响。由于场幅度波动导致的量子比特频率偏移或错误校准是使用微波场梯度实现的无激光门的主要误差源[19,21]。最近的研究表明，通过精心的陷阱设计可以被动地减少其中一些偏移[24]。也可以通过添加控制场来执行动态解耦，从而主动减少它们[18,29-32]；迄今为止，最好的
![arXiv:2106.00754v1 [quant-ph] 2021 年 6 月 1 日](/simg/g:\will\search\icon\source\f\f919e91cb28ba0df3200589a24bff1a31e185935.webp)
arXiv:2106.00754v1 [quant-ph] 2021 年 6 月 1 日
实现可扩展量子计算机面临的最大挑战之一是设计一个物理设备，使每个量子处理操作的错误率保持在较低水平。这些错误可能源于量子操纵的准确性，例如固态量子比特中栅极电压的扫描或光学方案中激光脉冲的持续时间。错误还源于退相干，退相干通常被认为更为关键，因为它是量子系统固有的，从根本上说是与外部环境耦合的结果。将小的量子比特集合分组为具有对称性的簇可能有助于保护部分计算免受退相干的影响。在这项工作中，我们使用 4 级核心和离散旋转对称性的直接概括（称为 ω -旋转不变性）来编码耦合量子比特对和通用 2 量子比特逻辑门。我们将量子误差作为退相干的主要来源，并表明对称性使逻辑操作特别能抵御不合时宜的各向异性量子比特旋转。我们提出了一种可扩展的通用量子计算方案，其中核心充当量子计算晶体管（简称量子电阻）的角色。通过将量子电阻与引线进行隧道耦合，可以实现初始化和读出。外部引线被明确考虑在内，并被认为是另一个主要的退相干源。我们表明，通过调整量子电阻的内部参数，可以动态地将量子电阻与引线解耦，从而赋予它们作为可控量子存储单元所需的多功能性。通过这种动态解耦，量子电阻内的逻辑运算也可以对称地免受参数中无偏噪声的影响。我们确定了可以实现 ω -旋转不变性的技术。我们的许多结果可以推广到更高级别的 ω -旋转不变系统，或适用于具有其他对称性的集群。
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
用广义簇相关展开法对纺丝浴中氮空位中心进行纵向弛豫
对于高纯度样品，NV 中心拥有很长的相干时间，通过动态解耦可以进一步延长到接近 1 秒[3,4]。它可由微波场进行相干控制，并且对外界电场和磁场高度敏感。这些优越的特性使 NV 中心成为量子信息处理 [5-10]、超衍射极限成像 [11] 以及电场和磁场 [12-14]、温度 [15]、应力 [16]、生物结构 [17] 和化学反应 [18] 的量子传感的有希望的候选材料。此外，NV 中心可以与其他类型的量子系统耦合，例如碳纳米管 [19]、通量量子比特 [20] 和压磁超晶格 [21]，可以构建有前途的混合量子器件 [22,23]。此类有吸引力的应用需要充分了解其退相干行为，包括横向和纵向弛豫[24-26]，以及广泛的物理参数，如温度、磁场、杂质类型和浓度。在用于多自旋浴动力学的量子多体理论中[27-30]，例如密度矩阵团簇展开[31-33]、对关联近似[34-36]和链接团簇展开[37]，由作者之一 WY 发展的团簇关联展开（CCE）[38-40]已成功用于描述在大失谐区域中中心自旋耦合到多自旋浴的纯失相过程[41]。利用CCE方法，理论上预测了量子自旋池中NV中心的异常退相干效应[42]，并通过实验验证了该现象[43]。有趣的是，NV中心的退相干曾被认为是实现量子计算的障碍[44,45]，但现在它已被用于探测遥远的核自旋二聚体[46]，并提出利用弱地磁场进行导航[40]。类似地，最近有研究表明，可以探索诸如NV中心之类的量子系统来获取玻色子池的信息[47]。