应用于量子比特（qubits）的高保真量子逻辑门是可编程量子电路的基本构建块。劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 的高级量子测试平台 (AQT) 的研究人员在超导量子信息处理器中进行了三量子位高保真 iToffoli 本机门的首次实验演示。
嘈杂的中等规模量子处理器通常支持一个或两个量子比特的本机门，这些门类型可以直接由硬件实现。更复杂的门是通过将它们分解为本地门序列来实现的。该团队的演示为通用量子计算增加了一种新颖且强大的原生三量子位 iToffoli 门。此外，该团队还展示98.26%的高保真度的门操作。。该团队的实验突破于今年 5 月发表在《自然物理学》上。
量子逻辑门、量子电路
Toffoli 或受控非（CCNOT）是经典计算中的关键逻辑门，因为它是通用的，因此它可以构建所有逻辑电路来计算任何所需的二进制运算。此外，它是可逆的，允许从输出中确定和恢复二进制输入（位），因此不会丢失任何信息。
在量子电路中，输入的量子比特可以处于 0 和 1 状态的叠加。量子比特与电路中的其他量子比特物理连接，随着量子比特数量的增加，实现高保真量子门变得更加困难。计算操作所需的量子门越少，量子电路越短，从而在量子位退相干导致最终结果错误之前改进算法的实现。因此，降低量子门的复杂性和运行时间至关重要。
与 Hadamard 门一起，Toffoli 门形成了一个通用的量子门集，允许研究人员运行任何量子算法。在主要计算技术（超导电路、捕获离子和里德堡原子）中实施多量子位门的实验成功地证明了三量子位门上的 Toffoli 门，保真度平均在 87% 到 90% 之间。然而，此类演示要求研究人员将 Toffoli 门分解为一个和两个量子比特门，从而使门操作时间更长并降低其保真度。
创建一个易于实现的门
为了为实验创建一个易于实现的三量子位门，AQT 设计了一个 iToffoli 门，而不是传统的 Toffoli 门，方法是将固定在相同频率的同步微波脉冲应用于线性链中的三个超导量子位。
该实验证明，与 Toffoli 门类似，这种三量子比特 iToffoli 门可用于执行高保真度的通用量子计算。此外，研究人员表明，超导量子处理器上的门示意图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以改善电路运行时间的过程。
Yosep Kim 是该实验的主要研究人员之一，也是 AQT 的前博士后，目前是韩国科学技术研究院（韩国）的高级科学家。
“退相干的结果是，我们知道更长的和更复杂的门序列会损害结果的保真度，所以执行某个算法的总门操作时间是重要的。证明了我们可以一步实现一个三量子位门，并减小门合成的电路深度(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易于去相干的量子位元的更高激发态，因此产生了高保真门，”Kim说。
“这个 iToffoli 门的简单性和保真度仍然给我留下了深刻的印象。现在，使用像工作中的三量子位操作可以显着加快量子应用和量子纠错的发展，”Alexis Morvan 说，他是AQT的前博士后，现任谷歌的研究科学家。
利用最先进的合作研究实验室
AQT 是由美国能源部科学办公室高级科学计算研究计划资助的最先进的量子信息科学合作研究实验室。该实验室运营着一个开放式实验测试平台，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进行深入合作。这些交互式合作允许在 AQT 的超导平台中广泛探索尖端科学，该平台依赖于高质量的量子比特、门和错误缓解，同时为该领域的新一代研究人员做好准备。
Kim教授表示:“在博士时期，我利用光子系统学习了量子信息科学，所以不具备在超导处理器上进行实验的知识。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设置的内部工作原理，并在实验中合作，我能够在没有太多经验的情况下很快投入实验。如果没有AQT的平台和团队，我不认为我的想法会在这么高的水平上实现。”
“AQT 为研究人员和用户提供了与来自不同背景和不同兴趣的人合作的绝佳机会。这个 iToffoli 项目就是思想交叉传播的一个例子。因此，除了 AQT 的科学自由精神，完善的基础设施和不断的校准也加速了我们的工作，使我们能够专注于特定项目的物理特性，而不会偏离外围任务。此外，先进的控制堆栈使我们能够探索所有可能的实现，以建立新的量子协议”，现任 AQT 博士后的 Long Nguyen 说。
研究人员希望高保真且易于实现的多量子比特门的实验方法（如在AQT中探索的方法）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。
原文链接：https://phys.org/news/2022-05-breakthrough-quantum-universal-gate-high-fidelity.html
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