先進量子測試臺上高保真iToffoli門的實驗示意圖。圖片來源：Yosep Kim/Berkeley Lab

應用于量子比特（量子比特）的高保真量子邏輯門是可編程量子電路的基本構建塊。勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）高級量子測試平臺（AQT）的研究人員在超導量子信息處理器中進行了首次三量子位高保真iToffoli原生門的實驗演示。

嘈雜的中級量子處理器通常支持一個或兩個量子位的原生門，這些門的類型可以直接由硬件實現(xiàn)。更復雜的門是通過將它們分解成一系列原生門來實現(xiàn)的。該團隊的演示為通用量子計算增加了一個新穎而強大的原生三量子位iToffoli門。此外，該團隊還展示了98.26%的閘門的非常高的保真度操作。該團隊的實驗突破于今年五月發(fā)表在《自然物理學》雜志上。

量子邏輯門、量子電路

Toffoli或con控-可控-非（CCNOT）是經(jīng)典計算中的關鍵邏輯門，因為它是通用的，因此它可以構建所有邏輯電路來計算任何所需的二元運算。此外，它是可逆的，允許從輸出中確定和恢復二進制輸入（位），因此不會丟失任何信息。

在量子電路中，輸入量子位可以處于0和1態(tài)的疊加態(tài)。量子比特在物理上連接到電路中的其他量子比特，隨著量子比特數(shù)量的增加，這使得實現(xiàn)高保真量子門變得更加困難。計算操作所需的量子門越少，量子電路就越短，從而在量子比特退相干之前改進算法的實現(xiàn)，從而導致最終結果中的錯誤。因此，降低量子門的復雜性和運行時間至關重要。

與Hadamard門一起，Toffoli門形成了一個通用的量子門集，允許研究人員運行任何量子算法。在主要計算技術（超導電路，捕獲離子和里德伯原子）中實現(xiàn)多量子位門的實驗成功地證明了三量子位門上的Toffoli門，其保真度平均在87%至90%之間。然而，這樣的演示要求研究人員將Toffoli門分解為一量子位和雙量子位門，使門的操作時間更長并降低其保真度。

研究人員Yosep Kim在預裝超導QPU期間，用于在高級量子測試臺進行實驗。圖片來源：Yosep Kim/Berkeley Lab

創(chuàng)建易于實現(xiàn)的澆口

為了為實驗創(chuàng)建一個易于實現(xiàn)的三量子位門，AQT設計了一個iToffoli門，而不是傳統(tǒng)的Toffoli門，在第三個（最后一個）量子位上相位旋轉為“i”，方法是將同時固定在相同頻率的微波脈沖應用于線性鏈中的三個超導量子位。

該實驗表明，與Toffoli門類似，這種三量子位iToffoli門可用于執(zhí)行高保真度的通用量子計算。此外，研究人員表明，超導量子處理器上的門原理圖可以產(chǎn)生額外的三量子位門，從而提供更有效的門合成 – 將量子門分解成更短的門以改善電路運行時間的過程。

Yosep Kim是該實驗的主要研究人員之一，也是AQT的前博士后，目前是韓國科學技術研究所（韓國）的高級科學家。

“由于退相干，我們知道更長，更復雜的門序列會損害結果的保真度，因此執(zhí)行某種算法的總門操作時間是顯著的。該演示證明，我們可以一步實現(xiàn)三量子位門，并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比特容易退相干的更高激發(fā)態(tài)，因此導致高保真門，“Kim說。

“我仍然對這個iToffoli門的簡單性和保真度印象深刻?，F(xiàn)在，使用像工作中這樣的三量子位操作可以顯著加快量子應用和量子糾錯的開發(fā)，“AQT前博士后，目前是谷歌的研究科學家Alexis Morvan說。

研究人員Yosep Kim在高級量子測試臺上驗證了高保真iToffoli門操作。圖片來源：Yosep Kim/Berkeley Lab

利用最先進的合作研究實驗室

AQT是由美國能源部科學高級科學計算研究計劃辦公室資助的最先進的量子信息科學合作研究實驗室。該實驗室運營著一個開放獲取的實驗測試平臺，旨在與伯克利實驗室的研究人員以及來自學術界，國家實驗室和工業(yè)界的外部用戶進行深入合作。這些互動合作允許在AQT的超導平臺中廣泛探索尖端科學，該平臺依賴于高質量的量子比特，門和錯誤緩解，同時為該領域的新一代研究人員做好準備。

“我在攻讀博士學位期間使用光子學系統(tǒng)學習量子信息科學，因此我沒有很好的知識在超導處理器中進行實驗，”Kim回憶道?！暗怯捎趯嶒灉y試平臺已經(jīng)非常完善，并且有許多跨學科的同事了解設置的內(nèi)部工作原理并在實驗中進行協(xié)作，因此我能夠在沒有太多經(jīng)驗的情況下非常快速地進入實驗。如果不是AQT的平臺和團隊，我不認為我的想法會在如此高的水平上實現(xiàn)。

“AQT為研究人員和用戶提供了一個絕佳的機會，與來自不同背景和不同興趣的人進行合作。這個iToffoli項目就是這樣一個思想異花授粉的例子。因此，除了AQT的科學自由精神外，我們的工作還通過完善的基礎設施和不斷校準加速，使我們能夠專注于特定項目的物理學，而不會偏離外圍任務。此外，先進的控制堆棧使我們能夠探索所有可能的實現(xiàn)，以建立新的量子協(xié)議，“AQT現(xiàn)任博士后Long Nguyen說。

研究人員希望，高保真度和易于實現(xiàn)的多量子位門的實驗方法，例如在AQT上探索的方法，將引發(fā)進一步的研究，為新的量子信息處理設計不同的多量子位門。

更多信息：Yosep Kim等人，用于固定頻率超導量子位的高保真三量子位iToffoli門，Nature Physics（2022）。DOI： 10.1038/s41567-022-01590-3.www.nature.com/articles/s41567-022-01590-3

期刊信息：自然物理學