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。美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室高級量子測試平臺（AQT）的研究人員在超導(dǎo)量子信息處理器中，進(jìn)行了三量子位高保真iToffoli原生門的首次實(shí)驗(yàn)演示。研究成果新近發(fā)表在《自然·物理學(xué)》上。

嘈雜的中等規(guī)模量子處理器通常支持一個或兩個量子位的原生門，這些門類型可直接由硬件實(shí)現(xiàn)。更復(fù)雜的門是通過將它們分解為原生門序列來實(shí)現(xiàn)。該團(tuán)隊的演示為通用量子計算增加了一種新穎且強(qiáng)大的原生三量子位iToffoli門，該門的保真度非常高，達(dá)到98.26%。

Toffoli（也被稱為控-控-非門，CCNOT）是經(jīng)典計算中的關(guān)鍵邏輯門，因?yàn)樗峭ㄓ玫?，所以它可?gòu)建所有的邏輯電路來計算任何所需的二進(jìn)制運(yùn)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，輸入的量子位可處于0和1狀態(tài)的疊加。量子位與電路中的其他量子位物理連接，隨著量子位數(shù)量的增加，實(shí)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，量子電路越短，就可在最終結(jié)果發(fā)生錯誤之前改進(jìn)算法。因此，降低量子門的復(fù)雜性和運(yùn)行時間至關(guān)重要。

Toffoli門與Hadamard門一起形成了一個通用的量子門集，允許研究人員運(yùn)行任何量子算法。在主要計算技術(shù)（超導(dǎo)電路、捕獲離子和里德堡原子）中實(shí)施多量子位門的實(shí)驗(yàn)已成功地證明三量子位門上的Toffoli門，保真度平均在87%~90%之間。然而，此類演示要求研究人員將Toffoli門分解為一個和兩個量子位門，從而使門操作時間更長并降低了其保真度。

為創(chuàng)建一個易以實(shí)現(xiàn)的三量子位門，AQT設(shè)計了一個非傳統(tǒng)的iToffoli門，方法是將固定在相同頻率的同步微波脈沖應(yīng)用于線性鏈中的3個超導(dǎo)量子位。

實(shí)驗(yàn)證明，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，研究人員發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)量子處理器上的門原理圖可產(chǎn)生額外的三量子位門，從而提供更有效的門合成，以將量子門分解成更短的門來改善電路運(yùn)行時間。

研究人員稱， “由于退相干，我們知道更長和更復(fù)雜的門序列會損害保真度，因此執(zhí)行某個算法的總門操作時間很重要。該演示證明，我們可一步實(shí)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位容易退相干的更高激發(fā)態(tài)，因此產(chǎn)生了高保真門”。