近日，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)高級(jí)量子測(cè)試平臺(tái)(AQT)的研究人員首次在超導(dǎo)量子信息處理器中，實(shí)驗(yàn)演示了三個(gè)量子位的高保真iToffoli原生門。相關(guān)成果發(fā)表在《自然·物理學(xué)》(Nature Physics)上。

圖片來自《自然·物理學(xué)》(Nature Physics)

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

應(yīng)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(gòu)建模塊。具有噪聲的中等規(guī)模量子處理器通常支持一個(gè)或兩個(gè)量子位的原生門，這種門類型可以由硬件直接實(shí)現(xiàn)。更復(fù)雜的門則是將其分解成原生門序列。前述團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)演示為通用量子計(jì)算新添了一種原生三量子位iToffoli門。此外，該團(tuán)隊(duì)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(jì)算中的重要邏輯門。它具有通用性，可以構(gòu)建邏輯電路來進(jìn)行所需的二進(jìn)制運(yùn)算。此外，它具有可逆性，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(shí)現(xiàn)高保真量子門變得愈加困難。如果計(jì)算操作所需的量子門越少，量子電路越短，就可以在生成錯(cuò)誤結(jié)果前，實(shí)現(xiàn)對(duì)算法的改進(jìn)。因此，降低量子門的復(fù)雜性和運(yùn)行時(shí)間至關(guān)重要。

Toffoli門與Hadamard門（阿達(dá)瑪門）形成了一個(gè)通用量子門集，可以允許研究人員運(yùn)行任何量子算法?；谀壳爸饕牧孔佑?jì)算技術(shù)，如超導(dǎo)電路、離子阱和里德堡原子等，科學(xué)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多量子位門的實(shí)驗(yàn)，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(gè)和兩個(gè)量子位門，使得門操作時(shí)間更長(zhǎng)，保真度降低。

高級(jí)量子測(cè)試平臺(tái)(AQT)高保真iToffoli門的實(shí)驗(yàn)示意圖，圖片來自美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)

為了在實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)建一個(gè)易于實(shí)現(xiàn)的三量子位門，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室AQT研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)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(shí)應(yīng)用到線性鏈中的三個(gè)超導(dǎo)量子位。

實(shí)驗(yàn)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(jì)算。研究人員還表示，在超導(dǎo)量子處理器上運(yùn)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(yùn)行時(shí)間。

“正因?yàn)橥讼喔桑床ê瘮?shù)坍縮效應(yīng)），我們知道更長(zhǎng)和更復(fù)雜的門序列會(huì)損害結(jié)果的保真度，所以用于執(zhí)行某個(gè)算法的總門操作時(shí)間很關(guān)鍵。我們證明了可以一步實(shí)現(xiàn)一個(gè)三量子位門，并減小門合成的電路深度(即門序列的長(zhǎng)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?shí)驗(yàn)主要研究人員、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院高級(jí)科學(xué)家Yosep Kim說道。

在高級(jí)量子測(cè)試平臺(tái)(AQT)安裝實(shí)驗(yàn)用超導(dǎo)量子處理器(QPU)，圖片來自美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)

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

未來，研究人員希望通過高保真且易于實(shí)現(xiàn)的多量子位門實(shí)驗(yàn)方法，開展進(jìn)一步研究，為新的量子信息處理設(shè)計(jì)出不同的多量子位門。