高保真三量子位原生量子门的首次实验演示

应用于量子位的高保真量子逻辑门是可编程量子电路的基本构件。美国Lawrence Berkeley国家实验室高级量子测试平台(AQT)的研究人员在超导量子信息处理器中首次进行了三量子位高保真iToffoli原生门的实验演示。该研究成果最近发表在《自然物理学》上。

嘈杂的中型量子处理器通常支持一个或两个量子位的原生门，这些门类型可以直接用硬件实现。更复杂的门是通过将它们分解成本地门序列来实现的。团队的演示在通用量子计算中增加了一个新颖而强大的原生三量子比特iToffoli门，这个门的保真度非常高，达到了98.26%。

Toffoli(又称控制-控制-非门，CCNOT)是经典计算中的关键逻辑门。因为它是通用的，所以它可以构建所有的逻辑电路来计算任何需要的二进制运算。此外，它是可逆的，允许确定二进制输入(位)并从输出中恢复，因此不会丢失任何信息。

在量子电路中，输入量子位可以是0和1状态的叠加。位元与电路中的其他量子位元有物理上的联系。随着量子比特的增加，实现高保真量子门变得更加困难。计算所需的量子门越少，量子电路越短，在最终结果出错之前，算法就能越好。因此，降低量子门的复杂度和运行时间是非常重要的。

Toffoli门和Hadamard门组成了一个通用的量子门集，它允许研究人员运行任何量子算法。在主要计算技术(超导电路、囚禁离子和里德伯原子)上实现多量子位门的实验已经成功证明，三个量子位上的托夫里门平均保真度为87%到90%。然而，这种演示需要研究人员将Toffoli门分解为一个和两个量子位门，从而使门运行更长时间，并降低其保真度。

为了创造一个易于实现的三量子位门，AQT设计了一个非常规的iToffoli门，通过将固定在相同频率的同步微波脉冲应用于线性链中的三个超导量子位。

实验表明，与Toffoli门类似，这种三量子位Itofoli门可以用于高保真地进行一般量子计算。此外，研究人员发现，超导量子处理器上的门示意图可以产生额外的三个量子位门，从而提供更高效的门合成，将量子门分解为更短的门，以提高电路运行时间。

研究人员表示，“由于消相干，我们知道更长和更复杂的门序列会损害保真度，因此执行一个算法的总门操作时间非常重要。这个演示证明了我们可以一步实现三个量子比特门，并减少门综合的电路深度(门序列的长度)。此外，与以往的方法不同，我们的门方案不包括量子位容易退相干的更高激发态，因此产生了高保真度的门”。