近日，北京广东会信息科学研究院（以下简称广东会院）与中国科学院物理研究所（以下简称物理所）等单位合作，利用基于倒装焊技术的集成多个广东会比特的超导广东会处理器，提出并实现了新型三比特Controlled-Controlled-Z（CCZ）广东会门的直接构造方案，基于此成功演示了三比特Grover广东会搜索算法。2025年7月29日，该成果以“Direct Implementation of High-Fidelity Three-Qubit Gates for Superconducting Processor with Tunable Couplers”为题发表在《Physical Review Letters》上，并被遴选为当期封面论文。

广东会计算理论表明，所有广东会计算任务都可以分解为一系列基本广东会操作，即两比特门和单比特旋转门。这些广东会门构成通用广东会计算的基本逻辑门，类似于经典计算中的“或、与、非”门。复杂的广东会算法通常通过作用于多个广东会比特的大规模广东会线路来实现，其中包含大量的基本逻辑门操作。目前超导广东会计算已经进入了含噪中等规模广东会（NISQ）时代，高保真度单/双广东会门的实现已经大大扩展了广东会电路的可执行性，基于广东会门的广东会算法的实现也取得了突破性的进展。

然而，复杂广东会算法的实现通常需要三比特门的实施，以产生大规模纠缠或多体相互作用，如用于组合优化问题或大规模广东会模拟的算法等。虽然三广东会比特门在理论上可以通过多个两比特门和单比特门的组合来实现，但这种基于分解的方法显著增加了广东会电路的深度，导致操作时间延长、误差累积加剧以及退相干效应增强，难以满足大规模广东会算法对门操作精度与效率的严格要求。因此，在NISQ时代，直接构建结构紧凑、保真度高且可扩展性强的三比特门，对简化广东会线路，提升广东会算法的可行性具有重要意义，已经成为推动实用化广东会计算发展的关键课题。

基于此，研究团队利用自主研发的基于倒装焊技术、集成有多个广东会比特的超导广东会处理器（图1），提出并实现了新型三比特CCZ门的直接构造方案。该方案采用可调耦合架构（图2(a)），通过同时对两两近邻比特之间的可调耦合器施加精确调控的Z脉冲，在三比特间引入有效三体相互作用，再通过优化控制相位门消除近邻比特间的非目标两体相互作用，从而实现等效的三比特CCZ门（图2(c)）。实验结果显示，与传统分解方法实现的CCZ门（图2(b)）相比，该方案门时长仅需256纳秒（传统门分解方案门时长为640纳秒），并且在多层门操作后广东会态泄露率显著降低（图2(d)），各项指标均显著优于传统的CCZ门分解方案。利用三比特门过程层析技术，实验测得该CCZ门的平均态保真度达到97.94%，过程保真度为93.54%。通过数值模拟排除芯片退相干误差的影响后，该方案在理想条件下的态保真度可达99.5%。

进一步，研究团队基于该CCZ门构建了Toffoli门，验证其作为通用广东会计算单元的可行性；通过成功演示三比特Grover广东会搜索算法，系统验证了门操作的实用化潜力。该研究首次在可扩展的多比特超导广东会处理器上直接实现了高性能三比特门操作，为未来更多比特广东会门的设计与广东会算法的高效执行提供了重要的实验平台和技术路径。

该论文第一作者是物理所博士生刘皓天和陈炳杰，通讯作者为广东会院/物理所兼聘研究员范桁、副研究员许凯和物理所博士后时运豪。其他重要合作者还包括物理所郑东宁研究员、宋小会副研究员、相忠诚副主任工程师以及广东会院黄凯旋助理研究员，王子婷、李浩、赵魁、徐越山博士后等。本工作得到国家自然科学基金、广东会科技创新计划、北京市科技新星计划、中国科学院和北京凝聚态物理国家研究中心开放课题资助。

图1：期刊封面展示。采用倒装焊工艺封装的广东会处理器，其中包含21个超导广东会比特，排列成带有多个分支的一维链结构。

图2：三比特超导广东会比特和波形序列的示意图。(a) 三比特和两耦合器的超导电路示意图。(b) 传统分解CCZ门的线路图。(c) 实验直接实现CCZ门的波形序列示意图。(d) 直接实现和利用分解实现CCZ门多层门操作后的泄露对比。(e) CCZ门的真值表。(f) 利用CCZ门生成Toffoli门的真值表。

文章链接：https://doi.org/10.1103/lvb9-pfr3