近日，美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)高級量子測試平臺(AQT)的研究人員首次在超導量子信息處理器中，實驗演示了三個量子位的高保真iToffoli原生門。相關成果發(fā)表在《自然·物理學》(Nature Physics)上。

圖片來自《自然·物理學》(Nature Physics)

量子計算與經(jīng)典計算不同，經(jīng)典計算中比特的位值只能是0或1。在量子物理學中，原子被看作是物質的波動，量子位作為基本的信息單位，能同時以0和1兩種可能的狀態(tài)存在。

應用于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模塊。具有噪聲的中等規(guī)模量子處理器通常支持一個或兩個量子位的原生門，這種門類型可以由硬件直接實現(xiàn)。更復雜的門則是將其分解成原生門序列。前述團隊的實驗演示為通用量子計算新添了一種原生三量子位iToffoli門。此外，該團隊展示了具有98.26%高保真度的門操作。

Toffoli門可稱作控-控-非門(CCNOT)，是經(jīng)典計算中的重要邏輯門。它具有通用性，可以構建邏輯電路來進行所需的二進制運算。此外，它具有可逆性，允許從輸出中確定和恢復二進制輸入位，因此不會丟失信息。

在量子電路中，輸入的量子位可以是0和1的疊加態(tài)。量子位與電路中的其他量子位通過物理連接，隨著量子位數(shù)量增加，實現(xiàn)高保真量子門變得愈加困難。如果計算操作所需的量子門越少，量子電路越短，就可以在生成錯誤結果前，實現(xiàn)對算法的改進。因此，降低量子門的復雜性和運行時間至關重要。

Toffoli門與Hadamard門（阿達瑪門）形成了一個通用量子門集，可以允許研究人員運行任何量子算法。基于目前主要的量子計算技術，如超導電路、離子阱和里德堡原子等，科學家已經(jīng)實現(xiàn)多量子位門的實驗，成功在三量子位門上演示了平均保真度在87%與90%之間的Toffoli門。然而，這樣的演示需要研究人員將Toffoli門分解為一個和兩個量子位門，使得門操作時間更長，保真度降低。

高級量子測試平臺(AQT)高保真iToffoli門的實驗示意圖，圖片來自美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)

為了在實驗中創(chuàng)建一個易于實現(xiàn)的三量子位門，美國勞倫斯伯克利國家實驗室AQT研究人員設計了一個iToffoli門，即非傳統(tǒng)的Toffoli門。其方法是將固定在同一頻率的微波脈沖，同時應用到線性鏈中的三個超導量子位。

實驗表明，前述三量子位的iToffoli門與Toffoli門類似，可用于高保真度的通用量子計算。研究人員還表示，在超導量子處理器上運用前述原理，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來提高電路運行時間。

“正因為退相干（即波函數(shù)坍縮效應），我們知道更長和更復雜的門序列會損害結果的保真度，所以用于執(zhí)行某個算法的總門操作時間很關鍵。我們證明了可以一步實現(xiàn)一個三量子位門，并減小門合成的電路深度(即門序列的長度)。此外，與以往方法不同，我們的門方案不包括容易退相干的量子位的更高激發(fā)態(tài)，因此產(chǎn)生了高保真門?！睂嶒炛饕芯咳藛T、韓國科學技術研究院高級科學家Yosep Kim說道。

在高級量子測試平臺(AQT)安裝實驗用超導量子處理器(QPU)，圖片來自美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)

曾任AQT博士后、現(xiàn)任谷歌研究科學家Alexis Morvan表示使用前述三量子位操作，可以有效加快量子應用和量子糾錯的發(fā)展。

未來，研究人員希望通過高保真且易于實現(xiàn)的多量子位門實驗方法，開展進一步研究，為新的量子信息處理設計出不同的多量子位門。