研究员尤塞普·金在为实验预先安装超导QPU。图片来源：美国劳伦斯伯克利国家实验室

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块。美国劳伦斯伯克利国家实验室高级量子测试平台（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原生门的首次实验演示。研究成果近日发表在《自然·物理学》上。

嘈杂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，这些门类型可直接由硬件实现。更复杂的门是通过将它们分解为原生门序列来实现。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，该门的保真度非常高，达到98.26%。

Toffoli（也称控-控-非门，CCNOT）是经典计算中的关键逻辑门，因为它是通用的，所以它可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，输入的量子位可处于0和1状态的叠加。量子位与电路中的其他量子位物理连接，随着量子位数量的增加，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，就可在最终结果发生错误之前改进算法。因此，降低量子门的复杂性和运行时间至关重要。

Toffoli门与Hadamard门一起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已成功证明三量子位门上的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位门，从而使门操作时间更长并降低了其保真度。

为创建一个易于实现的三量子位门，AQT设计了一个非传统的iToffoli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3个超导量子位。

实验证明，与Toffoli门类似，这种三量子位iToffoli门可用于执行高保真度的通用量子计算。此外，研究人员发现，超导量子处理器上的门原理图可产生额外的三量子位门，从而提供更有效的门合成，以将量子门分解成更短的门来改善电路运行时间。

研究人员称，“由于退相干，我们知道更长和更复杂的门序列会损害保真度，因此执行某个算法的总门操作时间很重要。该演示证明，我们可一步实现三量子位门，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量子位容易退相干的更高激发态，因此产生了高保真门”。