<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">875673</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2022.875673</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Rydberg Wire Gates for Universal Quantum Computation</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Jeong et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Rydberg Wire Gates</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Jeong</surname>
<given-names>Seokho</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1679732/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Shi</surname>
<given-names>Xiao-Feng</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1708904/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>Minhyuk</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1874186/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Ahn</surname>
<given-names>Jaewook</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/941221/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Department of Physics</institution>, <institution>KAIST</institution>, <addr-line>Daejeon</addr-line>, <country>South Korea</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>School of Physics</institution>, <institution>Xidian University</institution>, <addr-line>Xi&#x2019;an</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1418377/overview">Aixi Chen</ext-link>, Zhejiang Sci-Tech University, China</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1287422/overview">Guin-Dar Lin</ext-link>, National Taiwan University, Taiwan</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/293453/overview">Qing Ai</ext-link>, Beijing Normal University, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Jaewook Ahn, <email>jwahn@kaist.ac.kr</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Quantum Engineering and Technology, a section of the journal Frontiers in Physics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>04</day>
<month>07</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>875673</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>14</day>
<month>02</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>23</day>
<month>05</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Jeong, Shi, Kim and Ahn.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Jeong, Shi, Kim and Ahn</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Rydberg atom arrays offer flexible geometries of strongly interacting neutral atoms, which are useful for many quantum applications such as quantum simulation and quantum computation. Here, we consider an all-optical gate-based quantum computing scheme for the Rydberg atom arrays, in which auxiliary atoms (wire atoms) are used as a mean of quantum-mechanical remote-couplings among data-qubit atoms, and optical individual-atom addressing of the data and wire atoms is used to construct universal quantum gates of the data atoms. The working principle of our gates is to use the wire atoms for coupling mediation only, while leaving them in noncoupling ground states before and after each gate operation, which allows the double-excited states of data qubits to be accessible by a sequence of <italic>&#x3c0;</italic> or <italic>&#x3c0;</italic>/2 pulses addressing the data and wire atoms. Optical pulse sequences are constructed for standard one-, two-, and multi-qubit gates, and the arbitrary two-qubit state preparation is considered for universal computation prospects. We further provide a detailed resource estimate for an experimental implementation of this scheme in a Rydberg quantum simulator.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>quantum gates</kwd>
<kwd>Rydberg atom</kwd>
<kwd>CNOT</kwd>
<kwd>Toffoli</kwd>
<kwd>quantum computation</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>Quantum computing is being actively studied as a mean to revolutionize humankind&#x2019;s computational capability beyond the limits of digital computers [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. Quantum computing hardware are two-level physical systems, which we refer to as qubits hereafter, and quantum computation performs operations of universal quantum gates on them. Gate-based quantum computations have been demonstrated in many physical systems, including linear optics [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], circuit quantum electrodynamics of superconductor [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], trapped ions [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], defects in solid-state materials [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>], and neutral atoms [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>].</p>
<p>Neutral atoms have been considered for gate-based quantum computations using interactions between the Rydberg atoms [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>]. The advantages of using Rydberg atoms are strong dipole&#x2013;dipole interactions that can be switched on and off by fast laser excitation, large-scale atom arrays that can be prepared with almost any desired geometries and topologies [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>], and stable ground hyperfine states that can be used for long-term quantum information. Quantum gates using Rydberg atoms can utilize the distance-dependent interactions [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>] or the Rydberg blockade effect which prohibits adjacent atoms from being excited to a Rydberg state [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>]. There are many Rydberg atom schemes for quantum gates and entanglements [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>] and experimental demonstrations [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>]. The single-qubit gate fidelity of the recent demonstrations was recorded 0.97 in the alkali atom system [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>] and 0.99 in the alkaline-earth atomic system [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>]. Many of these previous studies are based on coding quantum information in the stable states, which are the hyperfine-Zeeman substates, requiring a hybrid microwave or Raman excitation scheme in addition to Rydberg atom excitation.</p>
<p>In this article, we consider an all-optical quantum gate scheme in a Rydberg atom array, which does not resort to the ground sublevels and, instead, utilizes auxiliary atoms (wire atoms) to mediate coupling among qubit atoms (data atoms), and single-atom addressing operations. When we use a Rydberg state and ground state to be the two qubit states for a data qubit and use a cluster of data and wire qubits in a Rydberg atom array, in which the wire atoms between the data qubits mediate interactions between the data atoms, by a sequence of single-atom addressing operations. The advantage of this setup comes in twofold. First, the gates are all realized with fast laser excitation of the ground-Rydberg transitions, so that the quantum circuit for a certain computational task (including digital quantum simulation) can be carried out fast. Second, the distance between the data atoms can be large, for which analyses shown later with practical and currently available resources estimates that, for example, a <bold>CZ</bold> gate between two atoms separated about 19&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>m could be created with a high fidelity over 98% within a duration 2<italic>&#x3c0;</italic>/&#x3a9;, where &#x3a9; is the Rydberg Rabi frequency.</p>
<p>In the rest of the article, we first outline the main idea of the quantum wire gates based on the Rydberg interaction and single-atom addressing in <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>, and then construct single- and two-qubit gates in <xref ref-type="sec" rid="s3">Sections 3</xref>, <xref ref-type="sec" rid="s4">4</xref>. We then discuss the general two-qubit state generation and multi-qubit gates in <xref ref-type="sec" rid="s5">Sections 5</xref>, <xref ref-type="sec" rid="s6">6</xref>. Experimental implementations, gate performances, and alternative schemes are discussed in <xref ref-type="sec" rid="s7">Section 7</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Single-Atom Addressing in a Rydberg-Atom System</title>
<p>We aim to construct quantum gates with a sequence of individual-atom addressing in an array of atoms. We consider a two-dimensional (2D) array of atoms as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref>. In the Rydberg blockade regime, adjacent two atoms are inhibited from being excited to an antiblockade state, &#x7c;11&#x27e9;, so the computational space of the two atoms is limited to {&#x7c;00&#x27e9;, &#x7c;01&#x27e9;, &#x7c;10&#x27e9;} excluding &#x7c;11&#x27e9; (the antiblockade two-atom state), when the two-level system, {&#x7c;0&#x27e9;, &#x7c;1&#x27e9;}, is defined with the ground and Rydberg states of each atom. However, because &#x7c;11&#x27e9; is necessary for general quantum computation, we use the auxiliary atoms (which we refer to as wire atoms, hereafter) to mediate couplings among the data atoms. In <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref>, data atoms are illustrated with red spheres and wire atoms are with gray spheres.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>The Rydberg wire gate scheme: <bold>(A)</bold> A 2D atomic array consists of data atoms (red spheres) and auxiliary (wire) atoms (gray spheres). Atomic ground state &#x7c;0&#x27e9; and Rydberg state &#x7c;1&#x27e9; are used for the two-level system of each atom. Wire atoms, e.g., <italic>W</italic>, mediate the couplings between two adjacent data atoms, e.g., <italic>A</italic> and <italic>B</italic> which are separated from <italic>W</italic> by a distance <italic>d</italic>. <bold>(B)</bold> The energy level diagram of the three atoms, <italic>A</italic>, <italic>W</italic>, and <italic>B</italic>. We use four computational basis states, &#x7c;00&#x27e9;<sub>AB</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>W</sub>, &#x7c;01&#x27e9;<sub>AB</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>W</sub>, &#x7c;10&#x27e9;<sub>AB</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>W</sub>, and &#x7c;11&#x27e9;<sub>AB</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>W</sub> (in the blue dashed rectangle), out of five accessible states including &#x7c;00&#x27e9;<sub>AB</sub>&#x7c;1&#x27e9;<sub>W</sub>, which is considered as a temporal register (in the light green dashed rectangle). The other states, &#x7c;10&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;1&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub>, &#x7c;01&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;1&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub>, and &#x7c;11&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;1&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub> are not accessible due to the Rydberg blockade.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-875673-g001.tif"/>
</fig>
<p>In the three-atom system, <italic>AWB</italic> in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref>, <italic>A</italic> and <italic>B</italic> are the data atoms and <italic>W</italic> is the wire atom to couple <italic>A</italic> and <italic>B</italic>. When the wire atom is excited to &#x7c;1&#x27e9;, only for data processing of &#x7c;<italic>AB</italic>&#x27e9; and otherwise left to be &#x7c;0&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub>, there are five computational base states &#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub>, &#x7c;01&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub>, &#x7c;10&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub>, &#x7c;11&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub>, and &#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;1&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub>. Here, the first four base states are the computational basis for the two-data (<italic>AB</italic>) system and the last &#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;1&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub> can be considered as a temporal register, as in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref>. There are three available atom addressings:<disp-formula id="e1a">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(1a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e1b">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x20d7;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(1b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e1c">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x20d7;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(1c)</label>
</disp-formula>where &#x398; and <italic>&#x3d5;</italic> are the Rabi rotation angle and axis, respectively. <italic>H</italic>
<sub>
<italic>W</italic>
</sub> is the Hamiltonian of single-addressing of <italic>W</italic> given by<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m4">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x20d7;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>in the Rydberg blockade regime of adjacent atoms, i.e., <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m5">
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, where <italic>d</italic> and <italic>d</italic>
<sub>
<italic>B</italic>
</sub> are the interatom and blockade distances, respectively. &#x3a9; is the Rabi frequency, <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m6">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> is the rotational axis defined by a laser phase <italic>&#x3d5;</italic>, <italic>V</italic> &#x3d; <italic>C</italic>
<sub>6</sub>/<italic>d</italic>
<sup>6</sup> is the van der Waals interaction with coefficient <italic>C</italic>
<sub>6</sub>, and <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x20d7;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Pauli vector and <italic>n</italic> &#x3d; (1 &#x2212; <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub>)/2 is the excitation number.</p>
<p>It is noted that the atom-addressing operations in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1a">Eqs 1a&#x2013;c</xref> are three-qubit gates. We intend to use them for general quantum computations of the data <italic>AB</italic> atoms. <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> changes &#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub> to &#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;1&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub> and preserves all the other states and their superpositions. Thus, the <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> operation is the inverted controlled rotation gate, where <italic>AB</italic> are the control qubits and <italic>W</italic> is the target qubit. The other three operators are reduced to single- and two-atom rotations in the data-qubit (<italic>AB</italic>) basis as<disp-formula id="e3a">
<mml:math id="m10">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(3a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e3b">
<mml:math id="m11">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(3b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e3c">
<mml:math id="m12">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(3c)</label>
</disp-formula>where <bold>R</bold> is the single-qubit rotation and <bold>I</bold> is the identity.</p>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Standard One-Qubit Gates</title>
<p>With the atom-addressing operations, <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1a">Eqs 1a&#x2013;c</xref>, we construct standard one-qubit gates which include Pauli gates, <bold>X</bold>, <bold>Y</bold>, and <bold>Z</bold>, general rotation <bold>R</bold>(&#x398;, <italic>&#x3d5;</italic>), Hadamard gate <bold>H</bold>, and phase gate, <bold>P</bold>.</p>
<p>Pauli gates rotate the quantum state of one atom, while leaving the other atoms unchanged. For the data atoms, <italic>A</italic> and <italic>B</italic>, Pauli <bold>X</bold>-gates are given by<disp-formula id="e4a">
<mml:math id="m16">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4b">
<mml:math id="m17">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4b)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m18">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m19">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <italic>&#x3b1;</italic> &#x3d; <italic>&#x3c0;</italic>/2 is the global phase. Likewise, Pauli <bold>Y</bold> and <bold>Z</bold> gates are given by<disp-formula id="e5a">
<mml:math id="m20">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(5a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e5b">
<mml:math id="m21">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(5b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e5c">
<mml:math id="m22">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(5c)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e5d">
<mml:math id="m23">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(5d)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m24">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m25">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The general rotations are given by<disp-formula id="e6a">
<mml:math id="m26">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(6a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e6b">
<mml:math id="m27">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(6b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The Hadamard gate, <bold>H</bold>, converts the quantum states, &#x7c;0&#x27e9; and &#x7c;1&#x27e9;, to the superposition states, <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m28">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m29">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. The Hadamard gate is identical to <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m30">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula>, given by<disp-formula id="e7a">
<mml:math id="m31">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(7a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e7b">
<mml:math id="m32">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(7b)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m33">
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m34">
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the pseudo-Hadamard gates. <italic>&#x3b1;</italic> &#x3d; <italic>&#x3c0;</italic>/2.</p>
<p>The phase gates, <bold>P</bold>
<sub>
<italic>A</italic>
</sub>(<italic>&#x3d5;</italic>) and <bold>P</bold>
<sub>
<italic>B</italic>
</sub>(<italic>&#x3d5;</italic>), are given by<disp-formula id="e8a">
<mml:math id="m35">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(8a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e8b">
<mml:math id="m36">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(8b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<bold>S</bold> and <bold>T</bold> gates are obtained as <bold>S</bold>
<sub>
<italic>A</italic>
</sub> &#x3d; <bold>P</bold>
<sub>
<italic>A</italic>
</sub>(<italic>&#x3c0;</italic>/2), <bold>S</bold>
<sub>
<italic>B</italic>
</sub> &#x3d; <bold>P</bold>
<sub>
<italic>B</italic>
</sub>(<italic>&#x3c0;</italic>/2), <bold>T</bold>
<sub>
<italic>A</italic>
</sub> &#x3d; <bold>P</bold>
<sub>
<italic>A</italic>
</sub>(<italic>&#x3c0;</italic>/4), and <bold>T</bold>
<sub>
<italic>B</italic>
</sub> &#x3d; <bold>P</bold>
<sub>
<italic>B</italic>
</sub>(<italic>&#x3c0;</italic>/4).</p>
<p>The global phase, <italic>&#x3b1;</italic>, of the abovementioned gates can be eliminated with a global phase gate. One example is<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m37">
<mml:mtable class="eqnarray">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">h</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>which is a combination of four two-qubit phase rotations, &#x7c;00&#x27e9; &#x2192; <italic>e</italic>
<sup>
<italic>i&#x3b1;</italic>
</sup>&#x7c;00&#x27e9; which is performed by <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m38">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, &#x7c;01&#x27e9; &#x2192; <italic>e</italic>
<sup>
<italic>i&#x3b1;</italic>
</sup>&#x7c;01&#x27e9; by <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m39">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, &#x7c;10&#x27e9; &#x2192; <italic>e</italic>
<sup>
<italic>i&#x3b1;</italic>
</sup>&#x7c;10&#x27e9; by <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m40">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, and &#x7c;11&#x27e9; &#x2192; <italic>e</italic>
<sup>
<italic>i&#x3b1;</italic>
</sup>&#x7c;11&#x27e9; by <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m41">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m42">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> denotes <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m43">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Standard Two-Qubit Gates</title>
<p>Now, we consider the standard two-qubit gates including the controlled-NOT gate, <bold>CNOT</bold>, the swap gate, <bold>SWAP</bold>, and the controlled-phase gate, <bold>CP</bold>.</p>
<p>The controlled-NOT gate, <bold>CNOT</bold>, flips the target qubit (the second qubit) only when the control qubit (the first qubit) is in &#x7c;1&#x27e9;, i.e., &#x7c;<italic>AB</italic>&#x27e9; &#x2192; &#x7c;<italic>A</italic>, <italic>A</italic> &#x2295; <italic>B</italic>&#x27e9;, which is also the controlled <bold>X</bold>-gate, i.e., <bold>CNOT</bold> &#x3d; <bold>CX</bold>. With the atom addressing, <bold>CX</bold>
<sub>
<italic>AB</italic>
</sub> and <bold>CX</bold>
<sub>
<italic>BA</italic>
</sub> are, respectively, given by<disp-formula id="e10a">
<mml:math id="m44">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(10a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e10b">
<mml:math id="m45">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(10b)</label>
</disp-formula>of which the sequence can be understood as follows: In <bold>CX</bold>
<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>, <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m46">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> at the center works as an inverted-<bold>CZ</bold> gate, which flips only the sign of the coefficient of &#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub>. When this is multiplied by <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m47">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> from one side and by its Hermitian conjugate from the other side, we get the controlled-<italic>Z</italic> gate, similarly as in Ref. [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>], i.e.,<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m48">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>which is then multiplied by <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m49">
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula> and its Hermitian conjugate, to attain <bold>CX</bold>
<sub>AB</sub>. The quantum circuit of <bold>CX</bold>
<sub>AB</sub> is presented in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A</xref>. Likewise, the controlled-<italic>Y</italic> gates are given by<disp-formula id="e12a">
<mml:math id="m50">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(12a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e12b">
<mml:math id="m51">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(12b)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Quantum circuits of <bold>(A)</bold> controlled-NOT gate, <bold>CX</bold>
<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>, and <bold>(B)</bold> controlled-phase gate, <bold>CP</bold>
<sub>00</sub>(<italic>&#x3b1;</italic>).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-875673-g002.tif"/>
</fig>
<p>
<bold>SWAP</bold> gate performs the state swapping of two qubits, i.e., &#x7c;<italic>AB</italic>&#x27e9; &#x2192; &#x7c;<italic>BA</italic>&#x27e9;, which is also the exchange of the coefficients of &#x7c;01&#x27e9; and &#x7c;10&#x27e9;. In our atom-addressing scheme, an <bold>X</bold>-gate version of <bold>SWAP</bold> gate is given by<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m52">
<mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>in which the first three-pulse combination, <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m53">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, exchanges the coefficients of &#x7c;10&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub> and &#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;1&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub>. The coefficient of &#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;1&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub> is then exchanged with that of &#x7c;01&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub> by the second combination, <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m54">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, before the coefficient of &#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;1&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub> is returned to &#x7c;10&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub> by <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m55">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The controlled-phase gate, <bold>CP</bold>(<italic>&#x3b1;</italic>), puts the local phase of &#x7c;11&#x27e9; of <italic>AB</italic> data qubits. In our atom-addressing scheme, <italic>W</italic>-atom addressing, <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, converts &#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub> to &#x2212; <italic>ie</italic>
<sup>
<italic>i&#x3b1;</italic>
</sup>&#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;1&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub> and <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> converts &#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub> to <italic>e</italic>
<sup>
<italic>i&#x3b1;</italic>
</sup>&#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>, so <bold>CP</bold>
<sub>00</sub>(<italic>&#x3b1;</italic>), which puts the local phase of &#x7c;00&#x27e9;, is given by<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m58">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>00</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The quantum circuit of <bold>CP</bold>
<sub>00</sub>(<italic>&#x3b1;</italic>) is presented in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref>. The standard <bold>CP</bold>(<italic>&#x3b1;</italic>) &#x3d; <bold>CP</bold>
<sub>11</sub>(<italic>&#x3b1;</italic>) is, therefore, obtained by<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m59">
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>where the <bold>CP</bold>
<sub>00</sub>(<italic>&#x3b1;</italic>) in the middle is multiplied by <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m60">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> from one side and by the conjugate of <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m61">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> from the other side, which respectively exchanges and exchanges back the coefficients of &#x7c;00&#x27e9; and &#x7c;11&#x27e9;. As a result, we get &#x7c;11&#x27e9; &#x2192; <italic>e</italic>
<sup>
<italic>i&#x3b1;</italic>
</sup>&#x7c;11&#x27e9;. Similarly, <bold>CP</bold>
<sub>01</sub>(<italic>&#x3d5;</italic>) and <bold>CP</bold>
<sub>10</sub>(<italic>&#x3d5;</italic>) are obtained as<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m62">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>01</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m63">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Arbitrary Two-Qubit State Generation</title>
<p>The general two-qubit state generation is to find a unitary operation which transforms the initial state &#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub> to an arbitrary two-qubit state, i.e.,<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m64">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>00</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>00</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>01</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>11</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The above <italic>U</italic> can be in principle constructed with the single- and two-qubit gates. Also, it is sufficient to define the general rotations and at least one inversion operation among the two-qubit base states, {&#x7c;00&#x27e9;, &#x7c;01&#x27e9;, &#x7c;10&#x27e9;, &#x7c;11&#x27e9;} of <italic>AB</italic> atoms.</p>
<p>Inversion operations are the reflection of the two-qubit state vector about a given plane. For example, <bold>CZ</bold> inverts the state vector about the plane orthogonal to &#x7c;11&#x27e9;, i.e., <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m65">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. Likewise, <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m66">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>00</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>00</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m67">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>01</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>01</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m68">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>General rotations are the base-pair rotation between a pair of two-qubit base states, i.e., <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m69">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> for <italic>j</italic>, <italic>k</italic> &#x2208; {&#x7c;00&#x27e9;, &#x7c;01&#x27e9;, &#x7c;10&#x27e9;, &#x7c;11&#x27e9;}. <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m70">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>00,01</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> rotates the quantum information stored in the base pair, &#x7c;00&#x27e9; and &#x7c;01&#x27e9;, which are, for example, given by<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m71">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>00,01</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>where the first two <italic>&#x3c0;</italic>-pulse operations, <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m72">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m73">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, perform &#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub> &#x2192; &#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;1&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub> and &#x7c;01&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub> &#x2192; &#x7c;00&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>&#x7c;0&#x27e9;<sub>
<italic>W</italic>
</sub>, respectively, which means that the quantum state of <italic>B</italic> atom is transferred to <italic>W</italic> atom. Then, the state vector of <italic>W</italic> atom is rotated by <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and transferred back to <italic>B</italic> atom by the last two <italic>&#x3c0;</italic>-pulse operations. Similarly, other rotations can be obtained as follows:<disp-formula id="e20a">
<mml:math id="m75">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>00,11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(20a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e20b">
<mml:math id="m76">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>01,10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(20b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e20c">
<mml:math id="m77">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>01,11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(20c)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e20d">
<mml:math id="m78">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10,11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(20d)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>6 Multi-Qubit Gates</title>
<p>While the multi-qubit gates can be decomposed to a sequence of single- and two-qubit elementary gates, the standard three-qubit gates require many elementary gates. For example, a Toffoli gate needs 15 or 17 elementary gates. In the following, we consider the possibilities of using wire atom arrangements which can reduce the number of gates significantly for the Toffoli and <bold>CCZ</bold> gates.</p>
<p>If we use the simple linear configuration, as in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>, of <italic>ABC</italic> data atoms and two wire atoms <italic>W</italic>
<sub>1</sub> and <italic>W</italic>
<sub>2</sub>, their pulse-sequence solutions, e.g., for the Toffoli and <bold>CCZ</bold> gates, are rather complicated:<disp-formula id="equ1">
<mml:math id="m79">
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>00</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m80">
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m81">
<mml:mtable class="eqnarray">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">O</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>00</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> A 5-atom chain and <bold>(B)</bold> an Y-shape atomic array to implement the multi-qubit wire gates. <bold>(C)</bold> Quantum circuit of the Toffoli gate <bold>TOFF</bold>
<sub>
<italic>ABC</italic>
</sub> for the control atoms <italic>A</italic>, <italic>B</italic> and the target atom <italic>C</italic>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-875673-g003.tif"/>
</fig>
<p>Instead, if we use the <italic>Y</italic>-shape configuration, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref>, which has one wire atom, <italic>W</italic>, which couples all the three data atoms, <italic>ABC</italic>, simultaneously, their solutions are simple, given as the extensions of <bold>CX</bold> and <bold>CZ</bold> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e10a">Eqs 10a</xref>,b, <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>. The <bold>CCZ</bold> utilizes the fact that <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m82">
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> is the inverted-<bold>CCZ</bold>, to attain<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m83">
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m84">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m85">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> are for the bitwise flip and flip-back of the data atoms, applied before and after to change the inverted-<bold>CCZ</bold> to <bold>CCZ</bold>. The Toffoli gate of the <italic>AB</italic> controls and <italic>C</italic> target is also obtained as<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m86">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">O</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ABC</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>AB</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>AB</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m87">
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m88">
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula> on both ends are the pseudo-Hadamard and its inverse acting on the target. The quantum circuit of <bold>TOFF</bold>
<sub>ABC</sub> is presented in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3C</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>7 Discussion and Conclusion</title>
<p>Experimental implementation: Rydberg wire gates introduced previously can be implemented in optical-tweezer atomic systems, which have been previously demonstrated elsewhere [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>]. As an example, we consider three rubidium (<sup>87</sup>Rb) atoms arranged in the linear chain geometry. Once the single atoms are loaded to individual tweezers from magneto-optical trap, the atoms are prepared to one of the magnetic sublevels in hyperfine ground states as the ground state &#x7c;0&#x27e9; (for example, &#x7c;0&#x27e9; &#x3d; &#x7c;5<italic>S</italic>
<sub>1/2</sub>, <italic>F</italic> &#x3d; 2, <italic>m</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; 2&#x27e9;). The states &#x7c;0&#x27e9; and &#x7c;1&#x27e9; are coupled by Rydberg state excitation lasers, and in general two-photon excitation is used to transit to &#x7c;<italic>nS</italic>&#x27e9; or &#x7c;<italic>nD</italic>&#x27e9; Rydberg levels <italic>via</italic> &#x7c;5<italic>P</italic>
<sub>3/2</sub>&#x27e9; with 780 and 480&#xa0;nm lights. For &#x7c;1&#x27e9; &#x3d; &#x7c;69<italic>S</italic>
<sub>1/2</sub>&#x27e9;, the atoms undergo van der Waals interaction, and the interaction strength when the interatomic distance <italic>d</italic> &#x3d; 7&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>m becomes <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m89">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>6.2</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> MHz, where <italic>C</italic>
<sub>6</sub> &#x3d; &#x2212;(2<italic>&#x3c0;</italic>)732&#xa0;GHz &#x22c5; &#x3bc;m<sup>6</sup>. Individual-atom addressing to couple between &#x7c;0&#x27e9; and &#x7c;1&#x27e9; can be implemented by diffracting multiple laser beams from an acousto-optic modulator (AOM), then focusing to the individual atoms. The switching of individual beams can be done by controlling the amplitude and frequency of radio-frequency wave to AOM. The individual addressing lasers can be either ground-Rydberg resonant lasers [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>] or far-detuned lasers [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>], in which the latter suppress the Rydberg state excitation with the additional AC Stark shift combined with global resonant lasers.</p>
<p>Gate performance: the performance of the Rydberg wire gate schemes can be estimated with numerical calculations. In <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, we estimate the average fidelity of <bold>CP</bold>
<sub>00</sub>(<italic>&#x3c0;</italic>) gate for all the initial states <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m90">
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula> using the time-dependent Schr&#xf6;dinger equations. For &#x7c;1&#x27e9; &#x3d; &#x7c;69<italic>S</italic>
<sub>1/2</sub>, <italic>m</italic>
<sub>
<italic>j</italic>
</sub> &#x3d; 1/2&#x27e9;, the results with respect to the interatomic distance are shown with the solid line in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>. For Rabi frequency &#x3a9; &#x3d; (2<italic>&#x3c0;</italic>)2&#xa0;MHz, the gate duration is 0.5&#xa0;&#x3bc;s. It is expected that the maximum fidelity <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m91">
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> can be reached to 94% when the lattice constant is around 6.8&#xa0;&#x3bc;m.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Performance estimation of the <bold>CZ</bold> gate for the present van der Waals scheme (solid line) in comparison with the F&#xf6;rster resonance scheme (dashed line).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-875673-g004.tif"/>
</fig>
<p>Gate imperfection sources: The sources of finite infidelities related to the Rydberg atomic properties can be characterized. The finite lifetime of Rydberg state gives imperfection to the transition to &#x7c;1&#x27e9;. For the lifetime of &#x7c;1&#x27e9; to be <italic>&#x3c4;</italic>, this gives the average gate error <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m92">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>]. Another source of gate infidelity is the Rydberg blockade error: as the Rydberg interaction strength is proportional to 1/<italic>d</italic>
<sup>6</sup>, the interaction strength within the blockade distance <italic>d</italic>
<sub>
<italic>B</italic>
</sub> is finite, and there is nonzero residual interactions outside. For the interaction strength, <italic>V</italic>, between a nearest neighbor Rydberg atomic pair, the gate error is given by <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m93">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> for the initial state &#x7c;10&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>, &#x7c;01&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub> and <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m94">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> for &#x7c;11&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub> [<xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>]. In addition, the phase shift <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m95">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> occurs for the initial state &#x7c;11&#x27e9;<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>, due to the nonzero interactions between atom <italic>A</italic> and <italic>B</italic>. Considering all these error budgets, we estimate the average fidelity error as<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m96">
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>32</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>128</mml:mn>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>where the terms denote the Rydberg state decay error, the Rydberg blockade error, and the residual interaction error, respectively. Their estimated infidelity contributions are 4 &#xd7; 10<sup>&#x2212;3</sup>, 2.04 &#xd7; 10<sup>&#x2212;2</sup> and 9.12 &#xd7; 10<sup>&#x2212;2</sup>, respectively, at <italic>d</italic> &#x3d; 6.8&#xa0;&#x3bc;m. While our fidelity estimation considers limitedly sub-&#x3bc;s pulsed gate significantly shorter than the typical coherence time of Rydberg atoms, a detailed analysis, for example, in a large-scale quantum circuit requires many-body effects and open quantum system dynamics [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B43">43</xref>].Toward the higher fidelity gates, we discuss methods to improve the gate fidelity to suppress the last two errors in <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref>. One approach is to utilize the dipole&#x2013;dipole interaction by F&#xf6;rster resonance between the nearest neighbor atomic pair. Near the principal quantum number <italic>n</italic> &#x3d; 69 discussed previously, there exist two transition channels between the Rydberg pair states, &#x7c;69<italic>S</italic>
<sub>1/2</sub> &#x2b; 71<italic>S</italic>
<sub>1/2</sub>&#x27e9; &#x2194;&#x7c;69<italic>P</italic>
<sub>3/2</sub> &#x2b; 70<italic>P</italic>
<sub>1/2</sub>&#x27e9; and &#x7c;69<italic>S</italic>
<sub>1/2</sub> &#x2b; 71<italic>S</italic>
<sub>1/2</sub>&#x27e9; &#x2194;&#x7c;69<italic>P</italic>
<sub>1/2</sub> &#x2b; 70<italic>P</italic>
<sub>3/2</sub>&#x27e9; by the dipole&#x2013;dipole interaction, with F&#xf6;rster defects of 6.6 and 19.7&#xa0;MHz, respectively [<xref ref-type="bibr" rid="B44">44</xref>]. This induces the dipole&#x2013;dipole interaction with the strength of <italic>V</italic>&#x2032; &#x3d; <italic>C</italic>
<sub>3</sub>/<italic>d</italic>
<sup>3</sup>, where <italic>C</italic>
<sub>3</sub> &#x3d; (2<italic>&#x3c0;</italic>)12.32&#xa0;GHz &#x22c5; &#x3bc;m<sup>3</sup>, with the interatomic distance less than the crossover distance 11&#xa0;&#x3bc;m [<xref ref-type="bibr" rid="B45">45</xref>]. In realizing the <bold>CP</bold>
<sub>00</sub>(<italic>&#x3c0;</italic>) gate, the atom <italic>W</italic> is to be excited to &#x7c;1&#x2032;&#x27e9; &#x3d; &#x7c;71<italic>S</italic>
<sub>1/2</sub>, <italic>m</italic>
<sub>
<italic>j</italic>
</sub> &#x3d; 1/2&#x27e9; state, while the data atoms <italic>A</italic> and <italic>B</italic> are excited to &#x7c;1&#x27e9;. Then, the interaction strength between <italic>A</italic>(<italic>B</italic>) and <italic>W</italic> is increased due to the F&#xf6;rster resonance, so the interatomic distance can also be increased. This further reduces the long range residual van der Waals interaction between <italic>A</italic> and <italic>B</italic>, thus the gate infidelity can be suppressed. In <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, we illustrate the improved performance of the <bold>CP</bold>
<sub>00</sub>(<italic>&#x3c0;</italic>) gate of the dipole&#x2013;dipole interaction (the dashed line). The overall fidelities <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m97">
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> are increased compared to the previous example, and the maximum reached to 98% at <italic>d</italic> &#x3d; 9.17&#xa0;&#x3bc;m.</p>
<p>Weakness of the Rydberg wire gates: The weakness of the present scheme is that the Rydberg states are not stable. There is a constant decay process occurring during the quantum control process. However, for a fast quantum control process, the decay-induced error can be relatively small for the decay error and is proportional to the Rydberg superposition time. Moreover, the quantum error correction can, in principle, be executed by the gates shown in this article, so that the error during the control process can be corrected. Because both the main control process and error correction are fast. Thanks to the fast pulsed operations of quantum wire gates, the overall speed to reach a wanted computational result can still surpass the traditional method of coding information with the stable hyperfine-Zeeman substates.</p>
<p>In summary, the Rydberg wire gates are proposed, which utilize auxiliary atoms to couple the data atoms. By coding the information with a ground-state qubit state and a Rydberg qubit state, the universal gate set can be realized based on the strong, local interactions of the neutral Rydberg atoms. The gates are realized by the fast laser excitation of Rydberg states, so that their speed can be fast, and the well-separated data atoms can be rapidly entangled. Fast entangling operations are important basic elements in a quantum circuit for large-scale quantum computation, and long-distance entanglement can greatly simplify complex operations between distant qubits in the array. The new idea of Rydberg wire gates can bring new prospective in neutral-atom quantum science and technology.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s8" sec-type="data-availability">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/Supplementary Material. Further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s9">
<title>Author Contributions</title>
<p>JA conceived the idea. SJ, XF-S, and MK conducted the research and analysis. All contributed to the manuscript.</p>
</sec>
<sec id="s10">
<title>Funding</title>
<p>This research was supported by the Samsung Science and Technology Foundation (Grant No. SSTF-BA1301-52), National Research Foundation of Korea (Grant No. 2017R1E1A1A0107430), and Natural Science Foundation of China (Grant No. 12074300).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s11">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s12">
<title>Publisher&#x2019;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors, and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Feynman</surname>
<given-names>RP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Simulating Physics with Computers</article-title>. <source>Int J Theor Phys</source> (<year>1982</year>) <volume>21</volume>:<fpage>467</fpage>&#x2013;<lpage>88</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf02650179</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nielsen</surname>
<given-names>MA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chuang</surname>
<given-names>I</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Quantum Computation and Quantum Information</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge Univ. Press</publisher-name> (<year>2002</year>). </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>O&#x2019;brien</surname>
<given-names>JL</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Opt Quan Comput Sci</source> (<year>2007</year>) <volume>318</volume>:<fpage>1567</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kok</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Munro</surname>
<given-names>WJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nemoto</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ralph</surname>
<given-names>TC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dowling</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Milburn</surname>
<given-names>GJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Linear Optical Quantum Computing with Photonic Qubits</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>2007</year>) <volume>79</volume>:<fpage>135</fpage>&#x2013;<lpage>74</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.79.135</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Arute</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arya</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Babbush</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bacon</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bardin</surname>
<given-names>JC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Barends</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2019</year>) <volume>574</volume>:<fpage>505</fpage>&#x2013;<lpage>10</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41586-019-1666-5</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Krantz</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kjaergaard</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yan</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Orlando</surname>
<given-names>TP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gustavsson</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Oliver</surname>
<given-names>WD</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A Quantum Engineer&#x27;s Guide to Superconducting Qubits</article-title>. <source>Appl Phys Rev</source> (<year>2019</year>) <volume>6</volume>:<fpage>021318</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.5089550</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Blais</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grimsmo</surname>
<given-names>AL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Girvin</surname>
<given-names>SM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wallraff</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Circuit Quantum Electrodynamics</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>2021</year>) <volume>93</volume>:<fpage>025005</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.93.025005</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kielpinski</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Monroe</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wineland</surname>
<given-names>DJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Architecture for a Large-Scale Ion-Trap Quantum Computer</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2002</year>) <volume>417</volume>:<fpage>709</fpage>&#x2013;<lpage>11</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature00784</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schindler</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nigg</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Monz</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Barreiro</surname>
<given-names>JT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Martinez</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>SX</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>A Quantum Information Processor with Trapped Ions</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2013</year>) <volume>15</volume>:<fpage>123012</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/15/12/123012</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pogorelov</surname>
<given-names>I</given-names>
</name>
<name>
<surname>Feldker</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marciniak</surname>
<given-names>CD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Postler</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jacob</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kriegelsteiner</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Compact Ion-Trap Quantum Computing Demonstrator</article-title>. <source>PRX Quan</source> (<year>2021</year>) <volume>2</volume>:<fpage>020343</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/prxquantum.2.020343</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>van der Sar</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>ZH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Blok</surname>
<given-names>MS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bernien</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Taminiau</surname>
<given-names>TH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Toyli</surname>
<given-names>DM</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Decoherence-protected Quantum gates for a Hybrid Solid-State Spin Register</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2012</year>) <volume>484</volume>:<fpage>82</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature10900</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Childress</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hanson</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Diamond NV Centers for Quantum Computing and Quantum Networks</article-title>. <source>MRS Bull</source> (<year>2013</year>) <volume>38</volume>:<fpage>134</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1557/mrs.2013.20</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Weiss</surname>
<given-names>DS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Saffman</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Computing with Neutral Atoms</article-title>. <source>Phys Today</source> (<year>2017</year>) <volume>70</volume>:<fpage>44</fpage>&#x2013;<lpage>50</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/pt.3.3626</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Henriet</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beguin</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Signoles</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lahaye</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Browaeys</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Reymond</surname>
<given-names>G-O</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Quantum Computing with Neutral Atoms</article-title>. <source>Quantum</source> (<year>2020</year>) <volume>4</volume>:<fpage>327</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.22331/q-2020-09-21-327</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Saffman</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Walker</surname>
<given-names>TG</given-names>
</name>
<name>
<surname>M&#xf8;lmer</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Information with Rydberg Atoms</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>2010</year>) <volume>82</volume>:<fpage>2313</fpage>&#x2013;<lpage>63</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.82.2313</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Saffman</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Computing with Atomic Qubits and Rydberg Interactions: Progress and Challenges</article-title>. <source>J Phys B: Mol Opt Phys</source> (<year>2016</year>) <volume>49</volume>:<fpage>202001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0953-4075/49/20/202001</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Song</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ahn</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Ising Hamiltonian Programming in Trio, Quartet, and Sextet Qubit Systems</article-title>. <source>PRX Quan</source> (<year>2020</year>) <volume>1</volume>:<fpage>020323</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PRXQuantum.1.020323</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Song</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hwang</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ahn</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Simulation of Cayley-Tree Ising Hamiltonians with Three-Dimensional Rydberg Atoms</article-title>. <source>Phys Rev Res</source> (<year>2021</year>) <volume>3</volume>:<fpage>013286</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevResearch.3.013286</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="web">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hwang</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moon</surname>
<given-names>E-G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ahn</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Rydberg Quantum Wires for Maximum Independent Set Problems</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2022</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41567-022-01629-5</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jo</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Song</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ahn</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Rydberg Atom Entanglements in the Weak Coupling Regime</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2020</year>) <volume>124</volume>:<fpage>033603</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.124.033603</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ga&#xeb;tan</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Miroshnychenko</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wilk</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chotia</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Viteau</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Comparat</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Observation of Collective Excitation of Two Individual Atoms in the Rydberg Blockade Regime</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2009</year>) <volume>5</volume>:<fpage>115</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphys1183</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Urban</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johnson</surname>
<given-names>TA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Henage</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Isenhower</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yavuz</surname>
<given-names>DD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Walker</surname>
<given-names>TG</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Observation of Rydberg Blockade between Two Atoms</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2009</year>) <volume>5</volume>:<fpage>110</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphys1178</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jaksch</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cirac</surname>
<given-names>JI</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zoller</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rolston</surname>
<given-names>SL</given-names>
</name>
<name>
<surname>C&#xf4;t&#xe9;</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lukin</surname>
<given-names>MD</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Fast Quantum Gates for Neutral Atoms</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2000</year>) <volume>85</volume>:<fpage>2208</fpage>&#x2013;<lpage>11</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.85.2208</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shi</surname>
<given-names>X-F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Deutsch, Toffoli, and CNOT Gates via Rydberg Blockade of Neutral Atoms</article-title>. <source>Phys Rev Appl</source> (<year>2018</year>) <volume>9</volume>:<fpage>051001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevapplied.9.051001</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shi</surname>
<given-names>X-F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Transition Slow-Down by Rydberg Interaction of Neutral Atoms and a Fast Controlled-Not Quantum Gate</article-title>. <source>Phys Rev Appl</source> (<year>2020</year>) <volume>14</volume>:<fpage>054058</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevapplied.14.054058</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Saffman</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beterov</surname>
<given-names>II</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dalal</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>P&#xe1;ez</surname>
<given-names>EJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sanders</surname>
<given-names>BC</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Symmetric Rydberg Controlled-<italic>Z</italic> gates with Adiabatic Pulses</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2020</year>) <volume>101</volume>:<fpage>062309</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.101.062309</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Isenhower</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Urban</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>XL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gill</surname>
<given-names>AT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Henage</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johnson</surname>
<given-names>TA</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Demonstration of a Neutral Atom Controlled-Not Quantum Gate</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2010</year>) <volume>104</volume>:<fpage>010503</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.104.010503</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Levine</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Keesling</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Omran</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bernien</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schwartz</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zibrov</surname>
<given-names>AS</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>High-Fidelity Control and Entanglement of Rydberg-Atom Qubits</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2018</year>) <volume>121</volume>:<fpage>123603</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.121.123603</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Levine</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Keesling</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Semeghini</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Omran</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>TT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ebadi</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Parallel Implementation of High-Fidelity Multiqubit Gates with Neutral Atoms</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2019</year>) <volume>123</volume>:<fpage>170503</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.123.170503</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Graham</surname>
<given-names>TM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kwon</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grinkemeyer</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marra</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jiang</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lichtman</surname>
<given-names>MT</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Rydberg-Mediated Entanglement in a Two-Dimensional Neutral Atom Qubit Array</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2019</year>) <volume>123</volume>:<fpage>230501</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.123.230501</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Madjarov</surname>
<given-names>IS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Covey</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shaw</surname>
<given-names>AL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Choi</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kale</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cooper</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>High-fidelity Entanglement and Detection of Alkaline-Earth Rydberg Atoms</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2020</year>) <volume>16</volume>:<fpage>857</fpage>&#x2013;<lpage>61</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41567-020-0903-z</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Maller</surname>
<given-names>KM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lichtman</surname>
<given-names>MT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xia</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sun</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Piotrowicz</surname>
<given-names>MJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Carr</surname>
<given-names>AW</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Rydberg-blockade Controlled-Not Gate and Entanglement in a Two-Dimensional Array of Neutral-Atom Qubits</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2015</year>) <volume>92</volume>:<fpage>022336</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.92.022336</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Graham</surname>
<given-names>TM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Song</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scott</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Poole</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Phuttitarn</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jooya</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Demonstration of Multi-Qubit Entanglement and Algorithms on a Programmable Neutral Atom Quantum Computer</article-title> (<year>2021</year>). <comment>arXiv:2112.14589</comment>. </citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schine</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Young</surname>
<given-names>AW</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eckner</surname>
<given-names>WJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Martin</surname>
<given-names>MJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kaufman</surname>
<given-names>AM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Long-lived Bell States in an Array of Optical Clock Qubits</article-title> (<year>2021</year>). <comment>arXiv:2111.14653</comment>. </citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Omran</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Levine</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Keesling</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Semeghini</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>TT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ebadi</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Generation and Manipulation of Schr&#xf6;dinger Cat States in Rydberg Atom Arrays</article-title>. <source>Science</source> (<year>2019</year>) <volume>365</volume>(<issue>6453</issue>):<fpage>570</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.aax9743</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shi</surname>
<given-names>X-F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Rydberg Quantum gates Free from Blockade Error</article-title>. <source>Phys Rev Appl</source> (<year>2017</year>) <volume>7</volume>:<fpage>064017</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevapplied.7.064017</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Saffman</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Walker</surname>
<given-names>TG</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Analysis of a Quantum Logic Device Based on Dipole-Dipole Interactions of Optically Trapped Rydberg Atoms</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2005</year>) <volume>72</volume>:<fpage>022347</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.72.022347</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shi</surname>
<given-names>X-F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Logic and Entanglement by Neutral Rydberg Atoms: Methods and Fidelity</article-title>. <source>Quan Sci. Technol.</source> (<year>2022</year>) <volume>7</volume>:<fpage>023002</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/2058-9565/ac18b8</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>X-Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>N-N</given-names>
</name>
<name>
<surname>He</surname>
<given-names>W-T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kong</surname>
<given-names>X-Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tao</surname>
<given-names>M-J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Deng</surname>
<given-names>F-G</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Global Correlation and Local Information Flows in Controllable Non-markovian Open Quantum Dynamics</article-title>. <source>Npj Quan Inf</source> (<year>2022</year>) <volume>8</volume>:<fpage>22</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41534-022-00537-z</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tao</surname>
<given-names>M-J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>N-N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wen</surname>
<given-names>P-Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Deng</surname>
<given-names>F-G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ai</surname>
<given-names>Q</given-names>
</name>
<name>
<surname>Long</surname>
<given-names>G-L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Coherent and Incoherent Theories for Photosynthetic Energy Transfer</article-title>. <source>Sci Bull</source> (<year>2020</year>) <volume>65</volume>:<fpage>318</fpage>&#x2013;<lpage>28</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.scib.2019.12.009</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B41">
<label>41.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ishizaki</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fleming</surname>
<given-names>GR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Theoretical Examination of Quantum Coherence in a Photosynthetic System at Physiological Temperature</article-title>. <source>Proc Natl Acad Sci U.S.A</source> (<year>2009</year>) <volume>106</volume>:<fpage>17255</fpage>&#x2013;<lpage>60</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.0908989106</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B42">
<label>42.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>B-X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tao</surname>
<given-names>MJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ai</surname>
<given-names>Q</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xin</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lambert</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ruan1</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Efficient Quantum Simulation of Photosynthetic Light Harvesting</article-title>. <source>Npj Quan Inf</source> (<year>2018</year>) <volume>4</volume>:<fpage>5625</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41534-018-0102-2</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B43">
<label>43.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>N-N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tao</surname>
<given-names>M-J</given-names>
</name>
<name>
<surname>He</surname>
<given-names>W-T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>X-Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kong</surname>
<given-names>X-Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Deng</surname>
<given-names>F-G</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Efficient Quantum Simulation of Open Quantum Dynamics at Various Hamiltonians and Spectral Densities</article-title>. <source>Front Phys</source> (<year>2021</year>) <volume>16</volume>:<fpage>51501</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11467-021-1064-y</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B44">
<label>44.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Weber</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tresp</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Menke</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Urvoy</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Firstenberg</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>B&#xfc;chler</surname>
<given-names>HP</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Calculation of Rydberg Interaction Potentials</article-title>. <source>J Phys B: Mol Opt Phys</source> (<year>2017</year>) <volume>50</volume>:<fpage>133001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1361-6455/aa743a</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B45">
<label>45.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Walker</surname>
<given-names>TG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Saffman</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Consequences of Zeeman degeneracy for the van der Waals blockade between Rydberg atoms</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2008</year>) <volume>77</volume>:<fpage>032723</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.77.032723</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>