高保真度三量子位原生量子門(mén)首次實(shí)驗(yàn)演示

應(yīng)用于量子位的高保真量子邏輯門(mén)，是可編程量子電路的基本構(gòu)建模塊。美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高級(jí)量子測(cè)試平臺(tái)（AQT）的研究人員在超導(dǎo)量子信息處理器中，進(jìn)行了三量子位高保真iToffoli原生門(mén)的首次實(shí)驗(yàn)演示。研究成果新近發(fā)表在《自然·物理學(xué)》上。

嘈雜的中等規(guī)模量子處理器通常支持一個(gè)或兩個(gè)量子位的原生門(mén)，這些門(mén)類(lèi)型可直接由硬件實(shí)現(xiàn)。更復(fù)雜的門(mén)是通過(guò)將它們分解為原生門(mén)序列來(lái)實(shí)現(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)的演示為通用量子計(jì)算增加了一種新穎且強(qiáng)大的原生三量子位iToffoli門(mén)，該門(mén)的保真度非常高，達(dá)到98.26%。

Toffoli（也被稱(chēng)為控-控-非門(mén)，CCNOT）是經(jīng)典計(jì)算中的關(guān)鍵邏輯門(mén)，因?yàn)樗峭ㄓ玫?，所以它可?gòu)建所有的邏輯電路來(lái)計(jì)算任何所需的二進(jìn)制運(yùn)算。此外，它是可逆的，允許從輸出中確定和恢復(fù)二進(jìn)制輸入（位），因此不會(huì)丟失任何信息。

在量子電路中，輸入的量子位可處于0和1狀態(tài)的疊加。量子位與電路中的其他量子位物理連接，隨著量子位數(shù)量的增加，實(shí)現(xiàn)高保真量子門(mén)變得更加困難。計(jì)算操作所需的量子門(mén)越少，量子電路越短，就可在最終結(jié)果發(fā)生錯(cuò)誤之前改進(jìn)算法。因此，降低量子門(mén)的復(fù)雜性和運(yùn)行時(shí)間至關(guān)重要。

Toffoli門(mén)與Hadamard門(mén)一起形成了一個(gè)通用的量子門(mén)集，允許研究人員運(yùn)行任何量子算法。在主要計(jì)算技術(shù)（超導(dǎo)電路、捕獲離子和里德堡原子）中實(shí)施多量子位門(mén)的實(shí)驗(yàn)已成功地證明三量子位門(mén)上的Toffoli門(mén)，保真度平均在87%~90%之間。然而，此類(lèi)演示要求研究人員將Toffoli門(mén)分解為一個(gè)和兩個(gè)量子位門(mén)，從而使門(mén)操作時(shí)間更長(zhǎng)并降低了其保真度。

為創(chuàng)建一個(gè)易以實(shí)現(xiàn)的三量子位門(mén)，AQT設(shè)計(jì)了一個(gè)非傳統(tǒng)的iToffoli門(mén)，方法是將固定在相同頻率的同步微波脈沖應(yīng)用于線(xiàn)性鏈中的3個(gè)超導(dǎo)量子位。

實(shí)驗(yàn)證明，與Toffoli門(mén)類(lèi)似，這種三量子位iToffoli門(mén)可用于執(zhí)行高保真度的通用量子計(jì)算。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)量子處理器上的門(mén)原理圖可產(chǎn)生額外的三量子位門(mén)，從而提供更有效的門(mén)合成，以將量子門(mén)分解成更短的門(mén)來(lái)改善電路運(yùn)行時(shí)間。

研究人員稱(chēng)， “由于退相干，我們知道更長(zhǎng)和更復(fù)雜的門(mén)序列會(huì)損害保真度，因此執(zhí)行某個(gè)算法的總門(mén)操作時(shí)間很重要。該演示證明，我們可一步實(shí)現(xiàn)三量子位門(mén)，并減小門(mén)合成的電路深度（門(mén)序列的長(zhǎng)度）。此外，與以前的方法不同，我們的門(mén)方案不包括量子位容易退相干的更高激發(fā)態(tài)，因此產(chǎn)生了高保真門(mén)”。