科学家首次实验演示高保真度三量子位原生量子门

近日，美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)高级量子测试平台(AQT)的研究人员首次在超导量子信息处理器中，实验演示了三个量子位的高保真iToffoli原生门。相关成果发表在《自然·物理学》(Nature Physics)上。

图片来自《自然·物理学》(Nature Physics)

量子计算与经典计算不同，经典计算中比特的位值只能是0或1。在量子物理学中，原子被看作是物质的波动，量子位作为基本的信息单位，能同时以0和1两种可能的状态存在。

应用于量子位的高保真量子逻辑门是可编程量子电路的基本构建模块。具有噪声的中等规模量子处理器通常支持一个或两个量子位的原生门，这种门类型可以由硬件直接实现。更复杂的门则是将其分解成原生门序列。前述团队的实验演示为通用量子计算新添了一种原生三量子位iToffoli门。此外，该团队展示了具有98.26%高保真度的门操作。

Toffoli门可称作控-控-非门(CCNOT)，是经典计算中的重要逻辑门。它具有通用性，可以构建逻辑电路来进行所需的二进制运算。此外，它具有可逆性，允许从输出中确定和恢复二进制输入位，因此不会丢失信息。

在量子电路中，输入的量子位可以是0和1的叠加态。量子位与电路中的其他量子位通过物理连接，随着量子位数量增加，实现高保真量子门变得愈加困难。如果计算操作所需的量子门越少，量子电路越短，就可以在生成错误结果前，实现对算法的改进。因此，降低量子门的复杂性和运行时间至关重要。

Toffoli门与Hadamard门（阿达玛门）形成了一个通用量子门集，可以允许研究人员运行任何量子算法。基于目前主要的量子计算技术，如超导电路、离子阱和里德堡原子等，科学家已经实现多量子位门的实验，成功在三量子位门上演示了平均保真度在87%与90%之间的Toffoli门。然而，这样的演示需要研究人员将Toffoli门分解为一个和两个量子位门，使得门操作时间更长，保真度降低。

高级量子测试平台(AQT)高保真iToffoli门的实验示意图，图片来自美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)

为了在实验中创建一个易于实现的三量子位门，美国劳伦斯伯克利国家实验室AQT研究人员设计了一个iToffoli门，即非传统的Toffoli门。其方法是将固定在同一频率的微波脉冲，同时应用到线性链中的三个超导量子位。

实验表明，前述三量子位的iToffoli门与Toffoli门类似，可用于高保真度的通用量子计算。研究人员还表示，在超导量子处理器上运用前述原理，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来提高电路运行时间。

“正因为退相干（即波函数坍缩效应），我们知道更长和更复杂的门序列会损害结果的保真度，所以用于执行某个算法的总门操作时间很关键。我们证明了可以一步实现一个三量子位门，并减小门合成的电路深度(即门序列的长度)。此外，与以往方法不同，我们的门方案不包括容易退相干的量子位的更高激发态，因此产生了高保真门。”实验主要研究人员、韩国科学技术研究院高级科学家Yosep Kim说道。

在高级量子测试平台(AQT)安装实验用超导量子处理器(QPU)，图片来自美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)

曾任AQT博士后、现任谷歌研究科学家Alexis Morvan表示使用前述三量子位操作，可以有效加快量子应用和量子纠错的发展。

未来，研究人员希望通过高保真且易于实现的多量子位门实验方法，开展进一步研究，为新的量子信息处理设计出不同的多量子位门。