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。
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。
我们证明玻色子和费米子高斯态(也称为“压缩相干态”)可用其线性复结构 J 来唯一表征,该结构是经典相空间上的线性映射。这扩展了基于协方差矩阵的传统高斯方法,并提供了一个同时处理玻色子和费米子的统一框架。纯高斯态可以用兼容凯勒结构的三重 ( G , Ω , J ) 来识别,由正定度量 G、辛形式 Ω 和线性复结构 J 组成,其中 J 2 = − 1 。混合高斯态也可以用这样的三重结构来识别,但 J 2 ̸ = − 1 。我们应用这些方法来展示如何将涉及高斯态的计算简化为这些对象的代数运算,从而得到许多已知和一些未知的身份。我们将这些方法应用于研究(A)纠缠和复杂性、(B)稳定系统的动力学、(C)驱动系统的动力学。由此,我们编制了一份全面的数学结构和公式列表,以并排比较玻色子和费米子高斯态。
2 平衡单粒子格林函数 9 2.1 格林函数的定义.....................................................................................................................................................................................................................................9 2.2 松原格林函数的性质....................................................................................................................................................................................................................................10 2.2.1 周期性和傅里叶级数....................................................................................................................................................................................................................10 . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ................................................................................................................................................................................................. 17 2.4.1 莱曼表示.................................................................................................................................................................................................... 17 2.4.2 希尔伯特变换....................................................................................................................................................................................... 17 2.4.2 希尔伯特变换....................................................................................................................................................................................................... 17 20 2.4.3 松原频率求和....................................................................................................................................................................................................................20 2.5 2 粒子相关函数....................................................................................................................................................................................................................................................................21
我们研究了使用由通过分束器发送的纯乘积态形成的纠缠态进行连续变量门隐形传态。我们表明,对于(通常)非幺正门,此类状态是 Choi 态,并且我们推导出隐形传态的相关 Kraus 算子,该算子可用于实现输入状态上的非高斯、非幺正量子操作。通过这一结果,我们展示了如何使用门隐形传态对使用 Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) 代码编码的玻色子量子比特进行纠错。该结果是在确定性产生的宏节点簇状态的背景下提出的,这些状态由恒定深度线性光学网络生成,并补充了 GKP 状态的概率供应。我们的技术的结果是,无需主动压缩操作即可实现门隐形传态和纠错的状态注入——这是量子光学实现的实验瓶颈。
•噪声恶魔使用任意K-Local(有限的Pauli重量)门具有通用计算能力(例如1- Quit(连续)门)。•噪声恶魔的速度有限(我们希望)。•您的计算能力较小 - 仅非全世界的克利福德门和测量值。
(2013)。 22. A. Zubarev,D. Dragoman,应用。物理。 Lett.104,183110(2014)。 23. A. Zubarev,D. Dragoman,J. Phys. D 47,425302(2014年)。 24. A. Zubarev,国际半导体会议(CAS)文集,109,罗马尼亚锡纳亚(2014 年)。 25. GJ Milburn、S.Schneider、DFV James、Fortschr。物理学 48, 801 (2000)。 26. UL Andersen, G. Leuchs, C. Silberhorn, 激光光子学评论4, 337 (2010)。 27. A. Zubarev、M. Cuzminschi、A. Isar,罗马学院院刊。第20、251页(2019年)。 28. A. Croitoru,I. Ghiu,A. Isar,Rom. Rep. Phys. 72,102 (2020年)。 29. M. Calamanciuc,A. Isar,Rom. J. Phys. 65,119 (2020年)。 30.X.-B. Wang,T. Hiroshima,A. Tomita,M. Hayashi,Phys.报告448,1(2007)。 31. V. H¨andchen、T. Eberle、S. Steinlechner、A. Samblowski、T. Franz、RF Werner 和 R. Schnabel, Nat.
有几种方法可以质疑物理系统状态的具体量子力学特性。首先,人们可能会问它的相干性有多强。量子态相干叠加的存在是物质波干涉现象的起源,因此,这是一个典型的量子特征,对此提出了几种测量和证据(有关最近的综述,请参阅 [1])。其次,当所研究的系统是二分或多分系统时,其组成部分的纠缠是另一个内在的量子特征。有大量文献探讨了各种测量方法来量化给定状态中包含的纠缠量 [2–14]。最后,对于玻色子量子场的模式,出现了第三种非经典性概念,通常称为光学非经典性。根据格劳伯的观点,光场的相干态(及其混合态)被视为“经典”,因为它们具有正的格劳伯-苏达山 P 函数 [15]。从那时起,多年来人们开发了多种光学非经典性测量方法,以测量与光学经典状态的偏离 [15–41]。光场量子态的这三种不同的、典型的量子属性被认为可作为量子信息或计量学的资源 [38, 39, 42–44]。那么自然而然地就会出现一个问题:这些属性之间有着什么样的定量关系。例如,在 [45] 中,给出了使用非相干操作从具有给定相干度的状态中可以产生多少纠缠的界限:这将相干性与纠缠联系起来。在 [46] 中,状态的相干性和光学非经典性被证明是相互关联的:远对角线密度矩阵元素 ρ ( x, x ′ ) 或 ρ ( p, p ′ ) 的显著值(称为“相干性”)是状态的光学非经典性的见证。我们的目的是建立多模玻色子场的光学非经典性和二分纠缠之间的关系。直观地看,由于所有光学经典态都是可分离的,因此强纠缠态应该是强光学非经典态。相反,仅具有弱光学非经典性的状态不可能高度纠缠。为了使这些陈述精确且定量,我们需要测量纠缠度和光学非经典性。作为评估二分纠缠的自然指标,我们使用形成纠缠 (EoF) [4]。关于光学非经典性,我们使用最近引入的单调性 [38, 39],我们将其称为总噪声单调性 ( M TN )。它是通过将纯态上定义的所谓总噪声∆x2+∆p2扩展到混合态(通过凸屋顶结构,参见(1))得到的,对于该值来说,它是光学非经典性的一个完善的量度[38–41]。我们的第一个主要结果(定理 1 和 1')在于,对于 n = n A + n B 模式的二分系统的任意状态 ρ,EoF(ρ) 关于 M TN (ρ) 的函数有一个上限。特别地,当 n A = n B = n/ 2 时,这个上限意味着包含 m 个纠缠比特的状态必须具有光学非经典性(通过 M TN 测量),并且该光学非经典性随 m 呈指数增长。作为应用,我们表明,当可分离纯态撞击平衡光束分束器时可以产生的最大纠缠度由该状态的光学非经典性的对数所限制,通过 M TN 测量。换句话说,虽然众所周知分束器可以产生纠缠 [28, 47, 48],但纠缠量受到本态光学非经典性程度的严重限制。定理 1 和 1' 中的界限可以很容易地计算出纯态的界限,因为 EoF 与还原态的冯·诺依曼熵相重合,而 M TN 与总噪声相重合。然而,对于混合态,界限与两个通常难以评估的量有关。我们的第二个主要结果(定理 2)解决了这个问题
随着工业革命期间蒸汽机的广泛应用,热力学作为一门物理理论应运而生,它能够描述和优化这些设备的性能 [1]。虽然现代热力学已远远超出了其原有的范围,但热机仍然是研究热力学机制的经典系统。热机不仅具有明确的实际应用,而且还为研究系统热力学性质如何演变提供了一种范例——应用范围从生物过程、气候系统到黑洞 [2-4]。量子系统受固有涨落和明显的非平衡性影响,为应用热力学框架带来了新的挑战 [5]。尽管如此,量子热机 [5,6] 为以易于理解的方式研究量子系统中的热力学行为提供了天然的基础。例如,在等容冲程中,总能通过能量的变化找到热量,就像在等熵冲程中可以通过能量的变化找到功一样 [7]。这或许可以解释为何有大量研究试图通过利用量子资源来提高发动机性能,包括相干性[8-15]、测量效应[16]、压缩储层[17-19]、量子相变[20]和量子多体效应[15,21-23]。其他研究则探讨了量子热机与经典热机之间的根本区别[24–26]、有限时间循环[13、27、28]、利用捷径实现绝热[12、22、23、29–33]、非热状态下的操作[34、35]、非马尔可夫效应[36]、磁系统[37–42]、非谐势[43]、光机械实现[44]、量子点实现[38、40、42]、二维材料中的实现[38、41]、与量子系统耦合的经典引擎[45]、量子冷却[46、47]、相对论系统[48、49]、简并效应[ 39、50],以及
线性玻色子模式为量子信息处理提供了一种硬件高效的替代方案,但需要访问一些非线性才能实现通用控制。光子学中非线性的缺乏导致了基于编码测量的量子计算,它依赖于线性操作,但需要访问资源丰富的(“非线性”)量子态,例如立方相态。相比之下,超导微波电路提供可工程化的非线性,但受到静态克尔非线性的影响。在这里,我们展示了由超导非线性不对称电感元件 (SNAIL) 谐振器组成的玻色子模式的通用控制,这由 SNAIL 元件中的原生非线性实现。我们通过在克尔自由点附近操作 SNAIL 来抑制静态非线性,并通过快速通量脉冲动态激活高达三阶的非线性。我们通过实验实现了一组通用的广义压缩操作以及立方相门,并利用它们在 60 纳秒内确定性地准备立方相态。我们的研究结果开创了多项式量子计算的实验领域,该领域最初由 Lloyd 和 Braunstein 引入了连续变量概念。
