先进量子测试台上高保真iToffoli门的实验示意图。图片来源：Yosep Kim/Berkeley Lab
应用于量子比特（量子比特）的高保真量子逻辑门是可编程量子电路的基本构建块。劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）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进行了首次三量子位高保真iToffoli原生门的实验演示。
嘈杂的中级量子处理器通常支持一个或两个量子位的原生门，这些门的类型可以直接由硬件实现。更复杂的门是通过将它们分解成一系列原生门来实现的。该团队的演示为通用量子计算增加了一个新颖而强大的原生三量子位iToffoli门。此外，该团队还展示了98.26%的闸门的非常高的保真度操作。该团队的实验突破于今年五月发表在《自然物理学》杂志上。
量子逻辑门、量子电路
Toffoli或con控-可控-非（CCNOT）是经典计算中的关键逻辑门，因为它是通用的，因此它可以构建所有逻辑电路来计算任何所需的二元运算。此外，它是可逆的，允许从输出中确定和恢复二进制输入（位），因此不会丢失任何信息。
在量子电路中，输入量子位可以处于0和1态的叠加态。量子比特在物理上连接到电路中的其他量子比特，随着量子比特数量的增加，这使得实现高保真量子门变得更加困难。计算操作所需的量子门越少，量子电路就越短，从而在量子比特退相干之前改进算法的实现，从而导致最终结果中的错误。因此，降低量子门的复杂性和运行时间至关重要。
与Hadamard门一起，Toffoli门形成了一个通用的量子门集，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，捕获离子和里德伯原子）中实现多量子位门的实验成功地证明了三量子位门上的Toffoli门，其保真度平均在87%至90%之间。然而，这样的演示要求研究人员将Toffoli门分解为一量子位和双量子位门，使门的操作时间更长并降低其保真度。
研究人员Yosep Kim在预装超导QPU期间，用于在高级量子测试台进行实验。图片来源：Yosep Kim/Berkeley Lab
创建易于实现的浇口
为了为实验创建一个易于实现的三量子位门，AQT设计了一个iToffoli门，而不是传统的Toffoli门，在第三个（最后一个）量子位上相位旋转为“i”，方法是将同时固定在相同频率的微波脉冲应用于线性链中的三个超导量子位。
该实验表明，与Toffoli门类似，这种三量子位iToffoli门可用于执行高保真度的通用量子计算。此外，研究人员表明，超导量子处理器上的门原理图可以产生额外的三量子位门，从而提供更有效的门合成 – 将量子门分解成更短的门以改善电路运行时间的过程。
Yosep Kim是该实验的主要研究人员之一，也是AQT的前博士后，目前是韩国科学技术研究所（韩国）的高级科学家。
“由于退相干，我们知道更长，更复杂的门序列会损害结果的保真度，因此执行某种算法的总门操作时间是显着的。该演示证明，我们可以一步实现三量子位门，并减小门合成的电路深度（门序列的长度）。此外，与以前的方法不同，我们的门方案不包括量子比特容易退相干的更高激发态，因此导致高保真门，“Kim说。
“我仍然对这个iToffoli门的简单性和保真度印象深刻。现在，使用像工作中这样的三量子位操作可以显着加快量子应用和量子纠错的开发，“AQT前博士后，目前是谷歌的研究科学家Alexis Morvan说。
研究人员Yosep Kim在高级量子测试台上验证了高保真iToffoli门操作。图片来源：Yosep Kim/Berkeley Lab
利用最先进的合作研究实验室
AQT是由美国能源部科学高级科学计算研究计划办公室资助的最先进的量子信息科学合作研究实验室。该实验室运营着一个开放获取的实验测试平台，旨在与伯克利实验室的研究人员以及来自学术界，国家实验室和工业界的外部用户进行深入合作。这些互动合作允许在AQT的超导平台中广泛探索尖端科学，该平台依赖于高质量的量子比特，门和错误缓解，同时为该领域的新一代研究人员做好准备。
“我在攻读博士学位期间使用光子学系统学习量子信息科学，因此我没有很好的知识在超导处理器中进行实验，”Kim回忆道。“但是由于实验测试平台已经非常完善，并且有许多跨学科的同事了解设置的内部工作原理并在实验中进行协作，因此我能够在没有太多经验的情况下非常快速地进入实验。如果不是AQT的平台和团队，我不认为我的想法会在如此高的水平上实现。
“AQT为研究人员和用户提供了一个绝佳的机会，与来自不同背景和不同兴趣的人进行合作。这个iToffoli项目就是这样一个思想异花授粉的例子。因此，除了AQT的科学自由精神外，我们的工作还通过完善的基础设施和不断校准加速，使我们能够专注于特定项目的物理学，而不会偏离外围任务。此外，先进的控制堆栈使我们能够探索所有可能的实现，以建立新的量子协议，“AQT现任博士后Long Nguyen说。
研究人员希望，高保真度和易于实现的多量子位门的实验方法，例如在AQT上探索的方法，将引发进一步的研究，为新的量子信息处理设计不同的多量子位门。
更多信息：Yosep Kim等人，用于固定频率超导量子位的高保真三量子位iToffoli门，Nature Physics（2022）。DOI： 10.1038/s41567-022-01590-3.www.nature.com/articles/s41567-022-01590-3
期刊信息：自然物理学
