光子门多重时间顺序量子叠加的计算优势

最近提出了电路连接服从量子叠加原理的量子计算模型。在那里，一个控制量子系统可以相干地决定目标量子系统经历$N$个门操作的顺序。这个过程被称为量子$N$开关，是若干信息处理任务的资源。特别是，对于涉及$N$个未知酉门的相位估计问题，它提供了相对于固定门顺序量子电路的计算优势。然而，相应的算法需要目标系统维度在$N$上（超）指数增长，这在实验上不可行。这里，我们引入了一个承诺问题，对于该问题，量子$N$开关提供了等效的计算加速，而目标系统维度小至2，与$N$无关。我们使用最先进的多芯光纤技术，实验演示了作用于光子偏振量子比特的$N=4$门的量子$N$开关。这是首次观察到超过$N=2$个时间顺序的量子叠加，证明了其在高效相位估计中的有用性。