利用 qudit 实现双量子比特门的速率极限

基本量子门的速率最终决定了量子线路运行速率的极限。对于两个量子比特之间固定的物理相互作用强度，即使有任意快的单量子比特门，任何双量子比特门的速率也是受限的。在本工作中，我们通过将计算空间扩展到量子比特子空间之外，探索了突破该极限以加速双量子比特门的可能性，这对于编码在多能级原子或非简谐振子中的量子比特具有实验相关性。我们确定了在有限相互作用强度和任意快单 qudit 门条件下，使用两个 qudit 实现双量子比特门速率极限的最优理论界。此外，我们找到了一种实验可行的协议，使用两个参数耦合的超导 transmon 以非平凡的方式达到了该理论速率极限。我们还考虑了单 qudit 驱动强度有限且存在非共振跃迁的实际场景。针对此类场景，我们开发了一种开源的、机器学习辅助的量子最优控制算法，该算法能够实现接近理论极限的加速，并具有近乎完美的门保真度。这项工作开辟了一条在量子比特间物理相互作用强度难以增加，但量子比特子空间之外的额外态能够被良好控制时加速双量子比特门的新途径。