通过 qutrit 实现量子电路的渐近改进

量子计算传统上以量子比特（qubit）表示。在这项工作中，我们转而考虑三能级 qutrit。以往使用 qutrit 的工作仅展示了常数因子改进，这归因于 $\log_2(3)$ 的二进制到三进制压缩因子。我们提出了一种使用 qutrit 的新技术，以在对 Generalized Toffoli 门进行无辅助比特的对数深度（运行时间）分解——相比最佳仅用量子比特的等价实现的线性深度有显著改进。我们的电路构造还具有相比仅用量子比特的等价分解在两量子数位（two-qudit）门计数上 70 倍的改进。这为量子神经元和 Grover 搜索等重要算法带来了电路成本降低。我们开发了一个用于 qutrit 的开源电路模拟器，以及考虑操作 qutrit 成本的现实近期噪声模型。针对这些噪声模型的仿真结果表明，我们的电路构造具有超过 90% 的平均可靠性（保真度），而仅用量子比特的基线低于 30%。这些结果表明 qutrit 为扩展量子计算提供了一条有前景的路径。