基于 trapped-ion qutrit 实现的广义Toffoli门可扩展性提高

Toffoli门的高效实现对运行各种量子算法（包括Grover搜索和Shor整数分解）具有概念性重要性。然而，直接实现Toffoli门要么会导致两量子门数量的不可接受增加，要么需要辅助量子位，而这两种资源在当前噪声中间规模量子设备中都是有限的。本文实验性地演示了使用${}^{171}$Yb$^{+}$ 离子trap-based的光谱金属态底态编码qutrit的可扩展N量子位Toffoli门改进，实验规模达到N=10。通过使用Molmer-Sorensen门作为基本纠缠操作，我们比较了标准qubit分解与qutrit方法，其中上层被用作辅助。所提出的分解仅需要对辅助层进行全局控制，从而简化了所提出方法的实验实现。我们以三量子位Grover搜索为例，演示了在qutrit-based Toffoli门实现期间监控qutrit子空间内的泄漏，提高了算法的准确性。