由外尔-海森堡字符串生成的多量子三态门分解

将酉操作分解为原生门是实现量子算法的关键步骤。在基于量子位的设备中(其原生门通常为单量子位和双量子位操作),研究人员已开发出一系列分解技术。特别值得注意的是,现有高效算法可分解泡利串的指数运算,同时兼顾硬件拓扑结构。鉴于基于量子三态系统(qutrit)的量子计算日益受到关注,该研究团队为qutrit系统开发了类似的分解方法。具体而言,研究人员提出一种算法,可将任意外尔-海森堡算子(及其厄米共轭)张量积的指数运算分解为单qutrit门和双qutrit门。该工作进一步将此方法扩展到由盖尔曼串(即盖尔曼矩阵的张量积)生成的酉矩阵。由于盖尔曼矩阵和外尔-海森堡算子(连同单位矩阵)共同构成qutrit算子的完备算子基,该成果还可用于分解任何在单qutrit旋转下呈对角化的多qutrit门。 作为实际应用案例,该团队采用该方法分解了针对图k着色问题的qutrit实现方案中的量子近似优化算法层。当k值适配qutrit架构时(如k=3或一般形式的k=3ⁿ),相较于量子位实现方案,该方法生成的电路深度显著降低——这一优势随问题规模扩大而增强,同时所需总希尔伯特空间维度也更小。最后,研究人员还解决了qutrit架构中因设备连通性有限导致的路由挑战,特别是将原本为减少量子比特电路CNOT门数量而开发的施泰纳-高斯方法推广至qutrit系统,以优化门路由方案。

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