保真度98.26%，首次实现高保真三量子比特门

光子盒研究院出品

应用于量子比特的高保真量子逻辑门是可编程量子电路的基本构建模块。最近，劳伦斯伯克利国家实验室高级量子试验台（AQT）的研究人员在超导量子信息处理器中首次进行了三量子比特高保真iToffoli原生门（native gates）的实验演示。

高级量子试验台（AQT）的高保真iToffoli门的实验示意图。资料来源：Yosep Kim/伯克利实验室

含噪声中等规模（NISQ）的量子处理器通常支持一个或两个量子比特的原生门——这是可以直接由硬件实现的门的类型；更复杂的门操作是通过将它们分解成原生门序列来实现的。AQT团队的演示为通用量子计算增加了一个新的、强大的原生三比特iToffoli门。此外，该团队还证明了该门的保真度非常高：达到98.26%。

团队的实验突破以《用于固定频率超导量子比特的高保真三量子比特iToffoli门》为题，发表在2022年5月的《自然·物理学》上[1]。

Toffoli门又叫受控-受控-非（CCNOT）门，是经典计算中的一个关键逻辑门，因为它是通用的，所以可以建立所有的逻辑电路来计算任何二进制操作。此外，它是可逆的，可以从输出中确定和恢复二进制输入（比特），所以没有信息丢失。

常见的量子逻辑门

在量子电路中，输入量子比特可以处于0和1的叠加状态。由于量子比特与电路中的其他量子比特有物理连接，这使得随着量子比特数量的增加，实现高保真量子门更加困难。计算一个操作所需的量子门越少，量子电路就越短，从而需要在量子比特退相干之前改进算法实现，减少最终结果中的错误。因此，降低量子门的复杂性和运行时间是至关重要的。

与Hadamard门一样，Toffoli门形成了一个通用的量子门集，使研究人员可以运行任何量子算法。在已有的计算技术中实施多量子比特门的实验：超导电路、离子阱和里德堡原子中演示三量子比特门上的Toffoli门，保真度平均在87%到90%之间。然而，这样的演示要求研究人员将Toffoli门分解成一个单比特门和一个双比特门，这使得门的操作时间更长，并降低了其保真度。

为了创造一个易于实现的三量子比特门，AQT设计了一个iToffoli门，与传统Toffoli门不同，新的逻辑门将固定在同一频率的微波脉冲同时应用于线性链中的三个超导量子比特。

实验证明，与Toffoli门类似，这种三量子比特的iToffoli门可以被用来进行高保真的通用量子计算。此外，研究人员还表明，超导量子处理器上的门原理可以产生额外的三量子比特门，这提供了更有效的门合成——可以将量子门分解成更短的门以提高电路运行时间的过程。

Yosep Kim是该实验的主要研究人员之一，曾是AQT的博士后，目前是韩国科学技术研究院的高级科学家。Kim表示[2]，“作为退相干的结果，我们知道更长更复杂的门序列会伤害结果的保真度，所以执行某种算法的总门操作时间是很重要的。演示证明，我们可以在一个步骤中实现一个三量子比特门，并减少门合成的电路深度（门序列的长度）。此外，与以前的方法不同，我们的门方案不包括容易退相干的量子比特的高激发态，因此产生了一个高保真的门。”

“我仍然对这种iToffoli门的简单性和保真度印象深刻。现在，使用像这一工作中的三量子比特操作可以大大加快量子应用和量子纠错的发展。”曾是AQT博士后、目前是谷歌研究科学家的Alexis Morvan说。

研究员Yosep Kim在高级量子试验台（AQT）验证高保真iToffoli门的操作。资料来源：Yosep Kim/伯克利实验室

AQT是最先进的量子信息科学合作研究实验室之一，由美国能源部科学办公室先进科学计算研究项目资助。该实验室运营了一个开放的实验测试平台，旨在与伯克利实验室的研究人员和来自学术界、国家实验室和工业界的外部用户深度合作。这些互动合作允许专家在AQT的超导平台上对前沿科学进行广泛探索，这一超导平台依赖于高质量的量子比特、门和错误缓解操作。

“我在博士期间使用光子系统研究量子信息科学，所以我没有很好的知识经验在超导处理器中进行实验，”Kim回忆说，“但由于实验测试平台非常完善，而且有许多跨学科的同事知道装置的内部结构，并在实验中进行了合作，所以我能够在没有太多经验的情况下迅速开展实验。如果不是AQT的平台和团队，我想我的想法不会在如此高的水平上实现。”

AQT为研究人员和用户提供了与来自不同背景、不同兴趣的人合作的绝佳机会，这个iToffoli项目就是这样一个思想交融的例子。未来，研究人员希望这一高保真、易于实现的多量子比特门的实验方法，将引发进一步的研究，为新型量子信息处理设计不同的多量子比特门。

研究员Yosep Kim在为高级量子试验台（AQT）的实验预先安装超导QPU。资料来源：Yosep Kim/伯克利实验室

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41567-022-01590-3

[2]https://phys.org/news/2022-05-breakthrough-quantum-universal-gate-high-fidelity.html