高保真度三量子位原生量子門首次實驗演示

應用於量子位的高保真量子邏輯門，是可編程量子電路的基本構建塊。美國勞倫斯伯克利國家實驗室高級量子測試平臺（AQT）的研究人員在超導量子資訊處理器中，進行了三量子位高保真iToffoli原生門的首次實驗演示。研究成果近日發表在《自然·物理學》上。

嘈雜的中等規模量子處理器通常支援一個或兩個量子位的原生門，這些門類型可直接由硬體實現。更複雜的門是通過將它們分解為原生門序列來實現。該團隊的演示為通用量子計算增加了一種新穎且強大的原生三量子位iToffoli門，該門的保真度非常高，達到98.26%。

Toffoli（也稱控-控-非門，CCNOT）是經典計算中的關鍵邏輯門，因為它是通用的，所以它可構建所有邏輯電路來計算任何所需的二進位運算。此外，它是可逆的，允許從輸出中確定和恢復二進位輸入（位），因此不會丟失任何資訊。

在量子電路中，輸入的量子位可處於0和1狀態的疊加。量子位與電路中的其他量子位物理連接，隨著量子位數量的增加，實現高保真量子門變得更加困難。計算操作所需的量子門越少，量子電路越短，就可在最終結果發生錯誤之前改進演算法。因此，降低量子門的複雜性和運作時間至關重要。

Toffoli門與Hadamard門一起形成了一個通用的量子門集，允許研究人員運作任何量子演算法。在主要計算技術（超導電路、捕獲離子和裏德堡原子）中實施多量子位門的實驗已成功證明三量子位門上的Toffoli門，保真度平均在87%到90%之間。然而，此類演示要求研究人員將Toffoli門分解為一個和兩個量子位門，從而使門操作時間更長並降低了其保真度。

為創建一個易於實現的三量子位門，AQT設計了一個非傳統的iToffoli門，方法是將固定在相同頻率的同步微波脈衝應用於線性鏈中的3個超導量子位。

實驗證明，與Toffoli門類似，這種三量子位iToffoli門可用於執行高保真度的通用量子計算。此外，研究人員發現，超導量子處理器上的門原理圖可産生額外的三量子位門，從而提供更有效的門合成，以將量子門分解成更短的門來改善電路運作時間。

研究人員稱，“由於退相干，我們知道更長和更複雜的門序列會損害保真度，因此執行某個演算法的總門操作時間很重要。該演示證明，我們可一步實現三量子位門，並減小門合成的電路深度（門序列的長度）。此外，與以前的方法不同，我們的門方案不包括量子位容易退相干的更高激發態，因此産生了高保真門”。