先進(jìn)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(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。勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）高級量子測試平臺（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(fù)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(tuán)隊的演示為通用量子計算增加了一個新穎而強(qiáng)大的原生三量子位iToffoli門。此外，該團(tuán)隊還展示了98.26%的閘門的非常高的保真度操作。該團(tuán)隊的實驗突破于今年五月發(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)典計算中的關(guān)鍵邏輯門，因為它是通用的，因此它可以構(gòu)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(fù)二進(jìn)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(jìn)算法的實現(xiàn)，從而導(dǎo)致最終結(jié)果中的錯誤。因此，降低量子門的復(fù)雜性和運行時間至關(guān)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(shù)（超導(dǎo)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(yù)裝超導(dǎo)QPU期間，用于在高級量子測試臺進(jìn)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(shè)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(zhuǎn)為“i”，方法是將同時固定在相同頻率的微波脈沖應(yīng)用于線性鏈中的三個超導(dǎo)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(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(xué)技術(shù)研究所（韓國）的高級科學(xué)家。

“由于退相干，我們知道更長，更復(fù)雜的門序列會損害結(jié)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(dǎo)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。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)用和量子糾錯的開發(fā)，“AQT前博士后，目前是谷歌的研究科學(xué)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(jìn)的合作研究實驗室

AQT是由美國能源部科學(xué)高級科學(xué)計算研究計劃辦公室資助的最先進(jìn)的量子信息科學(xué)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(xué)術(shù)界，國家實驗室和工業(yè)界的外部用戶進(jìn)行深入合作。這些互動合作允許在AQT的超導(dǎo)平臺中廣泛探索尖端科學(xué)，該平臺依賴于高質(zhì)量的量子比特，門和錯誤緩解，同時為該領(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)，因此我沒有很好的知識在超導(dǎo)處理器中進(jìn)行實驗，”Kim回憶道。“但是由于實驗測試平臺已經(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)部工作原理并在實驗中進(jìn)行協(xié)作，因此我能夠在沒有太多經(jīng)驗的情況下非?？焖俚剡M(jìn)入實驗。如果不是AQT的平臺和團(tuán)隊，我不認(rèn)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(jī)會，與來自不同背景和不同興趣的人進(jìn)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(xué)自由精神外，我們的工作還通過完善的基礎(chǔ)設(shè)施和不斷校準(zhǔn)加速，使我們能夠?qū)Ｗ⒂谔囟椖康奈锢韺W(xué)，而不會偏離外圍任務(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(jìn)一步的研究，為新的量子信息處理設(shè)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(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)