先進(jìn)量子測(cè)試臺(tái)上高保真iToffoli門的實(shí)驗(yàn)示意圖。圖片來(lái)源：Yosep Kim/Berkeley Lab

應(yīng)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(gòu)建塊。勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Berkeley Lab）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)行了首次三量子位高保真iToffoli原生門的實(shí)驗(yàn)演示。

嘈雜的中級(jí)量子處理器通常支持一個(gè)或兩個(gè)量子位的原生門，這些門的類型可以直接由硬件實(shí)現(xiàn)。更復(fù)雜的門是通過(guò)將它們分解成一系列原生門來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該團(tuán)隊(duì)的演示為通用量子計(jì)算增加了一個(gè)新穎而強(qiáng)大的原生三量子位iToffoli門。此外，該團(tuán)隊(duì)還展示了98.26%的閘門的非常高的保真度操作。該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)突破于今年五月發(fā)表在《自然物理學(xué)》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(jì)算中的關(guān)鍵邏輯門，因?yàn)樗峭ㄓ玫?，因此它可以?gòu)建所有邏輯電路來(lái)計(jì)算任何所需的二元運(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?cái)?shù)量的增加，這使得實(shí)現(xiàn)高保真量子門變得更加困難。計(jì)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(jìn)算法的實(shí)現(xiàn)，從而導(dǎo)致最終結(jié)果中的錯(cuò)誤。因此，降低量子門的復(fù)雜性和運(yùn)行時(shí)間至關(guān)重要。

與Hadamard門一起，Toffoli門形成了一個(gè)通用的量子門集，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，捕獲離子和里德伯原子）中實(shí)現(xiàn)多量子位門的實(shí)驗(yàn)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(shí)間更長(zhǎng)并降低其保真度。

研究人員Yosep Kim在預(yù)裝超導(dǎo)QPU期間，用于在高級(jí)量子測(cè)試臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖片來(lái)源：Yosep Kim/Berkeley Lab

創(chuàng)建易于實(shí)現(xiàn)的澆口

為了為實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建一個(gè)易于實(shí)現(xiàn)的三量子位門，AQT設(shè)計(jì)了一個(gè)iToffoli門，而不是傳統(tǒng)的Toffoli門，在第三個(gè)（最后一個(gè)）量子位上相位旋轉(zhuǎn)為“i”，方法是將同時(shí)固定在相同頻率的微波脈沖應(yīng)用于線性鏈中的三個(gè)超導(dǎo)量子位。

該實(shí)驗(yàn)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(jì)算。此外，研究人員表明，超導(dǎo)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(yùn)行時(shí)間的過(guò)程。

Yosep Kim是該實(shí)驗(yàn)的主要研究人員之一，也是AQT的前博士后，目前是韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究所（韓國(guó)）的高級(jí)科學(xué)家。

“由于退相干，我們知道更長(zhǎng)，更復(fù)雜的門序列會(huì)損害結(jié)果的保真度，因此執(zhí)行某種算法的總門操作時(shí)間是顯著的。該演示證明，我們可以一步實(shí)現(xiàn)三量子位門，并減小門合成的電路深度（門序列的長(zhǎng)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(dǎo)致高保真門，“Kim說(shuō)。

“我仍然對(duì)這個(gè)iToffoli門的簡(jiǎn)單性和保真度印象深刻。現(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(yīng)用和量子糾錯(cuò)的開發(fā)，“AQT前博士后，目前是谷歌的研究科學(xué)家Alexis Morvan說(shuō)。

研究人員Yosep Kim在高級(jí)量子測(cè)試臺(tái)上驗(yàn)證了高保真iToffoli門操作。圖片來(lái)源：Yosep Kim/Berkeley Lab

利用最先進(jìn)的合作研究實(shí)驗(yàn)室

AQT是由美國(guó)能源部科學(xué)高級(jí)科學(xué)計(jì)算研究計(jì)劃辦公室資助的最先進(jìn)的量子信息科學(xué)合作研究實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)著一個(gè)開放獲取的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，旨在與伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究人員以及來(lái)自學(xué)術(shù)界，國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)界的外部用戶進(jìn)行深入合作。這些互動(dòng)合作允許在AQT的超導(dǎo)平臺(tái)中廣泛探索尖端科學(xué)，該平臺(tái)依賴于高質(zhì)量的量子比特，門和錯(cuò)誤緩解，同時(shí)為該領(lǐng)域的新一代研究人員做好準(zhǔn)備。

“我在攻讀博士學(xué)位期間使用光子學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)量子信息科學(xué)，因此我沒(méi)有很好的知識(shí)在超導(dǎo)處理器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，”Kim回憶道?！暗怯捎趯?shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)已經(jīng)非常完善，并且有許多跨學(xué)科的同事了解設(shè)置的內(nèi)部工作原理并在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行協(xié)作，因此我能夠在沒(méi)有太多經(jīng)驗(yàn)的情況下非?？焖俚剡M(jìn)入實(shí)驗(yàn)。如果不是AQT的平臺(tái)和團(tuán)隊(duì)，我不認(rèn)為我的想法會(huì)在如此高的水平上實(shí)現(xiàn)。

“AQT為研究人員和用戶提供了一個(gè)絕佳的機(jī)會(huì)，與來(lái)自不同背景和不同興趣的人進(jìn)行合作。這個(gè)iToffoli項(xiàng)目就是這樣一個(gè)思想異花授粉的例子。因此，除了AQT的科學(xué)自由精神外，我們的工作還通過(guò)完善的基礎(chǔ)設(shè)施和不斷校準(zhǔn)加速，使我們能夠?qū)Ｗ⒂谔囟?xiàng)目的物理學(xué)，而不會(huì)偏離外圍任務(wù)。此外，先進(jìn)的控制堆棧使我們能夠探索所有可能的實(shí)現(xiàn)，以建立新的量子協(xié)議，“AQT現(xiàn)任博士后Long Nguyen說(shuō)。

研究人員希望，高保真度和易于實(shí)現(xiàn)的多量子位門的實(shí)驗(yàn)方法，例如在AQT上探索的方法，將引發(fā)進(jìn)一步的研究，為新的量子信息處理設(shè)計(jì)不同的多量子位門。

更多信息：Yosep Kim等人，用于固定頻率超導(dǎo)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(xué)