基于工程化非计算态相互作用的超导 fluxonium 量子比特可扩展原生多量子比特门

原生多量子比特门对于弥合当前噪声设备与未来实用规模量子计算机之间的鸿沟至关重要，因为它们可以大幅降低近期噪声设备上应用的电路深度，同时可能降低容错量子计算的物理开销。本文引入了一种可扩展的 fluxonium 量子比特上实现原生多受控门的协议，支持任意数量的控制量子比特（$N > 1$），且与现有的单量子比特门和双量子比特门实现方式兼容。我们的方案利用非计算态态间的工程化相互作用，以实现量子比特态选择性跃迁，从而直接实现 $(C^{\otimes N})Z$ 门。我们表明，在 fluxonium 量子比特的二维晶格中，可实现误差约为 0.01（0.001）的 CCZ、CCCZ 和 CCCCZ 门，其门长分别为 $50\,(100)\,\text{ns}$、$100\,(250)\,\text{ns}$ 和 $150\,(300)\,\text{ns}$。展望未来，将这些原生多受控门与原始的单量子比特门和双量子比特门集合集成到单个量子处理器中，可能显著提升电路综合的灵活性，并为实用规模量子计算提供一条有前景的替代路径。