近日，量子科学与工程研究院院长、中国科学院院士俞大鹏，副研究员燕飞等与中科院计算所研究员孙晓明等合作，在量子算法编译与量子体系结构领域取得新的进展。研究团队提出并在实验上实现了一种易扩展的量子逻辑“与”(AND)门，大幅降低了在量子系统里实现与逻辑的硬件代价，为一系列关键量子算法的实现奠定基础。相关研究成果于2022年11月14日以 ”Scalable algorithm simplification using quantum AND logic” 为题发表在国际顶级学术期刊《自然·物理》上。

量子计算在部分问题的求解上具有超越经典计算的潜力，包括搜索、大数分解等在社会生活中有着广泛应用的问题。为了在特定量子计算机上运行一个量子算法，一般需要先将描述算法的高级语言翻译、分解成硬件原生支持的基础逻辑门操作序列，此过程即量子编译。编译方法的选择性繁多，虽然条条大路通罗马，但最终效果大相径庭，优化的编译策略可以获得更短的操作序列，从而让量子比特能在有限的寿命里执行完任务。因此，为了最大化量子器件的性能，对量子算法编译的优化是与提升比特性能同等重要的环节，对实现近期应用具有重大意义。

图1.a. QuAND门和逆QuAND门分解方式及真值表 b. 多比特控制Z门分解线路

在本工作中，研究团队提出了一种量子版本的AND门（Quantum AND，简称QuAND）的新概念。经典的AND门是不可逆操作，而量子操作是可逆的，为了突破这个限制，QuAND门利用了量子比特的辅助能级来扩充信息的编码空间，从而在获得了AND门效果的同时保持了操作的可逆性。QuAND门丰富了量子编译的工具箱，可以大幅降低分解大规模线路的代价，例如在量子算法中有着广泛应用的多比特Toffoli门、量子算术线路等重要量子线路。

图2.8比特超导量子芯片，含量子比特(红，蓝)、可调耦合器（紫）、控制信号线（橙）等模块 

研究团队开发了基于超导量子比特的8比特量子处理器，处理器运用了最新的可调耦合器结合固定频率比特的高扩展性架构，同时简化了布线方案。在实验中，通过对耦合器施加一个选择性的驱动，实现了高保真度的QuAND门操作。

图3.基于QuAND门的4比特、6比特、8比特Toffoli门的线路拆解方式及实验测得的真值表

通过将不同量子比特对之间的QuAND门按特定顺序级联起来，并精确校准比特的相位因子，研究团队成功实现了如何利用浅层线路构造多比特Toffoli门，最多到8个比特。传统的编译方法需要与比特数成平方或三次方数量的两比特门，而基于QuAND门的编译方法只需要线性数量甚至更低。正因为编译开销的大幅缩减，使实验团队成功获得了迄今为止最大规模的多比特Toffoli门（之前的记录为4比特）。最后，研究团队利用获得的多比特Toffoli门演示了Grover搜索算法，搜索空间大小最多达到64，实验规模也远大于以往。

图4.基于多比特Toffoli门的Grover搜索算法演示

该工作展示了如何在可扩展量子计算硬件上构造非传统的量子逻辑门操作，从而优化量子算法的编译结果，说明了挖掘量子硬件的操控潜能、丰富逻辑门集合的重要性，为未来应用更大规模、更有意义的量子算法奠定了基础。

在该研究成果中，南科大博士生储继和中科院计算所博士生何啸宇为论文共同第一作者，燕飞、孙晓明和俞大鹏院士为通讯作者。该研究工作得到了广东省科技厅、深圳市科创委、国家自然科学基金委和南方科技大学等部门的大力支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01813-7 

供稿：量子科学与工程研究院

通讯员：赵若云

主图：丘妍

编辑：朱增光