劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）高级量子测试平台（AQT）和加州大学伯克利分校量子纳米电子实验室（QNL）的跨学科团队在超导量子处理器上使用qutrits（三级系统）实现了技术突破。该团队成功地纠缠了两个门保真度明显高于先前报道的传输量子，从而更接近于启用三元逻辑，可以编码比二进制对应物更多的信息 - 量子比特。
该实验成功于 2022 年 2021 月发表在《自然通讯》上，并作为编辑的亮点，推动了 AQT 的 qutrit 研发，包括 <> 年发表在《物理评论 X 》和《物理评论快报》上的先前实验成功。三元量子信息处理器在量子模拟和纠错方面具有显著的潜在优势，以及改进某些量子算法和应用的能力。
Image caption 固定频率和耦合下的微波激活双量子纠缠门的技术说明（图片来源：Noah Goss/Berkeley Lab）
利用三元量子信息处理
超导量子比特，如量子比特，采用微波诱导的逻辑门操作进行控制。然而，三元量子逻辑具有更复杂的状态空间和噪声环境，使得短时间内的单个和两个量子逻辑门难以控制。
材料科学和器件设计的最新进展提高了超导器件的相干性，促进了对量子点的控制，而量子点通常更容易受到噪声的影响。然而，为了充分利用量子处理器的强大功能，有必要以对单个量子的高控制来执行操作，但也要以高保真和灵活的控制纠缠相邻的量子。
研究团队已经展示了具有高保真度的单量子操作。尽管如此，到目前为止，纠缠门的速度已经受到依赖始终“开启”的缓慢和静态交互的影响。在不调整的情况下加速这种静态交互会增加系统中不需要的噪声、串扰和错误。
领导演示的团队扩展了AQT最先进的研究，在两个具有固定频率和固定耦合的传输量子点之间实现更快，灵活和可调谐的微波激活纠缠。这种新的量子纠缠方法产生了两个通用的双量子栅极，即受控Z栅极（CZ）和受控Z反栅极（CZ+）。该团队使用 AQT 之前与行业合作者是德科技合作的周期基准测试方法，测量了双量子纠缠门的工艺保真度高达 97.3%，将之前努力的不忠度降低了约 <> 倍。此外，在量子点研究中，AQT研究人员首次应用并推广了另一种已建立的协议 - 交叉熵基准 - 用于表征栅极噪声和确定栅极操作的保真度。
探索量子物理学的新领域
NOAH Goss是AQT和QNL的研究生研究员，是论文的主要作者。Goss对通过Qutrit Gates推进对量子力学的理解感到兴奋。
“AQT和QNL中不同工作的结合使我们能够达到这一点，我们可以很好地表征和理解量子逻辑门的物理特性。我们综合了许多以前的专业知识，并在实验中更进一步，通过引入具有高度控制的qutrits相互作用，这是以前从未研究过的，“Goss说。
AQT的团队在2021年演示了如何在固定频率量子比特之间部署微波激活的可调谐耦合。为了对量子点进行研究，Goss和团队应用并表征了两个固定频率跨量子点的差分AC Stark位移。AC Stark位移利用微波对耦合量子系统的跃迁频率和能级结构进行微小的变化，以调谐两个量子点之间的纠缠。
“我们学会了如何在不牺牲单量子门的情况下与两个量子门产生纠缠。而且，如果你将实验演示中实现的保真度与量子门进行比较，它与绝对最先进的三量子比特门竞争，尽管它位于更大的空间上，“Goss说。
在这项工作中研究的在两个固定频率传输器之间产生量子纠缠的物理学可以应用于不同的硬件架构，包括那些具有可调耦合的架构，或不同的超导电路，如助焊剂。
构建量子就绪愿景
生成高保真量子门会给量子计算的所有领域带来复杂性。AQT为这些类型的广泛、尖端的探索提供了一个理想的培训实验室，具有日益复杂的超导处理器。AQT还通过其研究机会和开放实验室测试平台来培训下一代科学家和工程师。在测试平台用户计划的第三年，该团队的实验工作激发了对未来研究合作的进一步兴趣。
“在现有工作的基础上继续发展，同时推动Qutrit研发方向向前发展，从与学术界和工业界其他许多其他领域截然不同的角度，这是有趣和酷的。AQT是进行此类探索的好地方。在这个不断增长的量子子领域，仍然有很多细节需要制定，还有很多物理学要做，“戈斯说。
链接到AQT网站上发布的文章，https://aqt.lbl.gov/2023/07/06/two-qutrit-entangling-gates-high-fidelity/
[1] 用于超导电路的高保真量子纠缠栅极、自然通信 https://www.nature.com/articles/s41467-022-34851-z