Native CCZ Gate with Fluxonium Qubits and a Microwave-Driven Coupler

技术摘要：基于 Fluxonium 量子比特与微波驱动耦合器的原生 CCZ 门

问题陈述
虽然基于原生单比特和双比特门的量子处理器已实现了显著的可扩展性，但许多量子算法依赖于多比特原语（如 Toffoli 门），这些原语需要分解为多个两比特纠缠步骤。这种分解引入了执行时间和累积门误差方面的实质性开销。尽管各种平台已经探索了原生多比特操作，但现有的超导架构面临着权衡：使用复杂控制方案的方法会导致精细的校准过程并增加相干误差；而依赖直接多体相互作用的方法则往往表现出强烈的寄生相互作用，从而限制了可扩展性和单比特控制。因此，目前尚无现有的超导架构能够同时实现传统两比特方法的高效、高保真度和可扩展性，并提供原生多比特门。

方法论
作者实验实现了一个基于 fluxium 量子比特（F1–F3）通过共享 transmon 耦合器（T）进行强电容耦合的三量子比特处理器单元。该器件架构利用 fluxium 量子比特的大非谐性来在频谱上隔离计算子空间，同时通过非计算跃迁实现与高频 transmon 的耦合。

• 门机制： 原生受控受控相位（CCZ）门通过施加在耦合器磁通线上的单个微波脉冲来激活。耦合器的跃迁频率是状态相关的，其频率会根据三个 fluxium 量子比特的联合计算状态发生偏移。通过在对应于 $|111\rangle$ 态的特定频率下施加一个共振 $2\pi$ 脉冲，系统会在被驱动的跃迁上诱导一个完整的拉比振荡，使耦合器返回基态，同时向 $|111\rangle$ 态施加一个 $\pi$ 相位偏移。
• 校准： 该门仅需两个独立的校准步骤：一个用于确定脉冲幅度以最小化残余耦合器布居数的 Rabi 式测量，以及一个用于调节驱动频率以获得正确条件相位的 Ramsey 式测量。
• 复用： 该机制允许使用复用微波驱动对 $|000\rangle$ 和 $|111\rangle$ 态的相位进行同步、独立的控制，通过处理不同的被驱动跃迁来解决问题，且不会引入额外的相干误差。

关键结果

• 门性能： 作者实现了 99.39(5)% 的原生 CCZ 门保真度，门时长为 65 ns。
• 与分解对比： 若要使用传统的分解方法（通常需要八个 CZ 门来实现等效于 Toffoli 的电路）达到相同的保真度，底层的 CZ 门保真度必须超过 99.94%。
• 误差来源： 门性能主要受限于量子比特的相干时间，而非门机制本身的内在约束。在短脉冲持续时间内，性能因靠近 transmon 跃迁的非共振激发而下降；在长脉冲持续时间内，性能趋近于退相干极限。
• 复用控制： 同时对 $|000\rangle$ 和 $|111\rangle$ 态施加 $\pi/2$ 相位的复用门实现了 98.87(12)% 的保真度，由于减少了执行时间，其性能优于顺序实现（97.7(2)%）。
• 可扩展性： 该架构自然延伸至二维布局。三量子比特耦合元件确保每个 fluxium 岛最多只连接一个 transmon，从而保持了在线性 fluxium-transmon 架构中观察到的对寄生相互作用的抑制。

意义与主张
本文确立了原生多比特门可以作为一种可行的、硬件高效的原语，应用于可扩展的超导量子处理器，且不会牺牲传统两比特方法所具有的简单性、鲁棒性和可扩展性。

作者声称这项工作展示了：

1. 硬件效率： 单个微波脉冲即可实现复杂的三量子比特操作，减少了与分解相关的开销。
2. 高保真度： 该门达到了相干极限范畴，提供的保真度相当于在分解电路中使用最先进的两比特门所能达到的水平。
3. 可扩展性： 特定的 fluxium-transmon 耦合拓扑支持低寄生相互作用的二维布局，解决了扩展多比特架构的关键障碍。
4. 灵活性： 该机制支持连续的三比特门族和复用控制，从而实现对共享量子比特的并行操作。

作者得出结论，这些结果为在可扩展超导架构中将原生多比特操作作为计算原语的实际应用铺平了道路，可能有助于减少算法相关原语的执行时间开销。