囚禁离子中单步 N 位 Toffoli 门的高保真度方法

条件多量子比特门是复杂量子算法的关键组成部分。在最近的工作中，Rasmussen 等人（Phys. Rev. A 101, 022308）提出了一种针对典型多量子比特门（Toffoli 门）的高效单步方法，该方法基于控制量子比特之间的 Ising 相互作用与目标量子比特上适当驱动场的结合。囚禁离子是实现该方法的天然平台，因为由声子介导的 Ising 相互作用已在越来越大的离子晶体中得到验证。然而，门所需的这些相互作用与驱动场的同时施加会导致量子比特与离子运动之间产生不期望的纠缠，从而降低门保真度。在本工作中，我们提出了一种基于这些声子介导的 Ising 相互作用绝热开关的解决方案。我们研究了不完美基态冷却的影响，并使用自旋回波技术来消除可达保真度中不必要的相位累积。对于耦合到线性晶体所有轴向模式的门，我们计算出在 N = 3-7 个离子冷却至其运动基态且门时间低于 1~ms 时，具有高保真度（> 99%）的 N 量子比特旋转。在大型晶体中也获得的高保真度可使该门与分解门、多步变体的 N 量子比特 Toffoli 门相竞争，代价是需要离子晶体的基态冷却。