南京大學(xué)物理學(xué)院于揚(yáng)教授團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)三進(jìn)制量子邏輯門方向取得重要進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 近日，南京大學(xué)物理學(xué)院、獅山量子計(jì)算與量子探測(cè)前沿實(shí)驗(yàn)室于揚(yáng)教授團(tuán)隊(duì)在高維超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)理論提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于相干控制單步實(shí)現(xiàn)三進(jìn)制量子門(single-qutrit gate)的新方案，成功攻克了原生qutrit量子門集高效實(shí)現(xiàn)的物理瓶頸。該工作不僅突破了量子平臺(tái)固有的選擇定則限制，更顯著提升量子門的操作速度與量子線路的編譯效率，為在各種量子硬件上構(gòu)建高性能的三進(jìn)制量子處理器開辟了切實(shí)可行的路徑。
 

　　傳統(tǒng)量子計(jì)算機(jī)主要依賴雙態(tài)量子比特(qubit)處理信息。相比之下，擁有三個(gè)能級(jí)的qutrit能夠提供更廣闊的計(jì)算空間。這種高維特性使得單個(gè)量子系統(tǒng)能承載更多信息量，能顯著節(jié)省硬件資源并縮短量子線路深度。然而，在高維量子系統(tǒng)的實(shí)際操控中，物理平臺(tái)受限于選擇定則，實(shí)現(xiàn)高保真度且快速的qutrit量<>子門(即SU(3) 操作)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。常規(guī)方案通常需要將 SU(3) 操作分解為一系列低維度的 SU(2)子操作，這不僅操作序列冗長(zhǎng)、執(zhí)行緩慢，還會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤在多步門序列中不斷累積，最終削弱三進(jìn)制量子計(jì)算的潛在優(yōu)勢(shì)。此外，現(xiàn)有的最優(yōu)控制技術(shù)原則上雖然可行，但往往會(huì)消耗大量計(jì)算資源，且需要針對(duì)特定硬件進(jìn)行繁瑣的校準(zhǔn)，難以在大規(guī)模量子處理器中推廣。
 

　　針對(duì)這一問題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開發(fā)了一種通過雙頻相干驅(qū)動(dòng)直接操控SU(3) 動(dòng)力學(xué)演化的方案。如圖1所示，該方案通過解析求解選擇定則約束下的動(dòng)力學(xué)演化軌跡，實(shí)現(xiàn)了qutrit量子門的單步構(gòu)建，從根本上解決 SU(2) 分解帶來(lái)的冗長(zhǎng)序列，同時(shí)也避免了最優(yōu)控制技術(shù)中復(fù)雜的迭代搜索難題。在量子編譯方面，該方案展現(xiàn)了卓越的效率優(yōu)勢(shì)。比如對(duì)于三維Clifford 門集構(gòu)建，該方法將原生物理門的平均需求量從 5.25個(gè) 降低至 1.667個(gè)，使編譯效率躍升了 68.2%。此外，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出通用 SU(3) 分解策略，合成任意 SU(3) 操作所需的物理門代價(jià)較傳統(tǒng)方案減少了三分之一。
 

　　作為原理性驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)采用超導(dǎo)transmon器件的三個(gè)能級(jí)構(gòu)建qutrit，分別實(shí)現(xiàn)了35ns的qutrit Hadamard(H)與 X 門。隨機(jī)基準(zhǔn)測(cè)試表征，兩類門的平均保真度均達(dá)到了99.5%，接近退相干極限且在連續(xù) 18 小時(shí)的重復(fù)測(cè)量中保持穩(wěn)定，證明了該方案在當(dāng)前設(shè)備上具有極高的長(zhǎng)期可靠性(圖2)。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還演示了 qutrit Ramsey 干涉實(shí)驗(yàn)和奇偶校驗(yàn)算法，展示了該方案的應(yīng)用潛力(圖3)。
 

　　該成果以“EfficientImplementation of a Single-Qutrit Gate Set via Coherent Control”為題，于2026年6月12日在線發(fā)表于《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》[Physical Review Letters 136, 230803 (2026)]。 南京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生喻祥敏、鄧翔、辛蔚為該論文的共同第一作者，南京大學(xué)鄭文博士后、李紹雄研究員與于揚(yáng)教授為共同通訊作者。該研究工作依托南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、獅山量子計(jì)算與量子探測(cè)前沿實(shí)驗(yàn)室、江蘇省量子信息科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等平臺(tái)，并得到量子科學(xué)與技術(shù)國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
 

　　引用：物理學(xué)院于揚(yáng)教授團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)三進(jìn)制量子邏輯門方向取得重要進(jìn)展-南京大學(xué)【引用時(shí)間：2026年6月24日】