传统量子计算机主要依赖双态量子比特（qubit）处理信息。相比之下，拥有三个能级的qutrit能够提供更广阔的计算空间。这种高维特性使得单个量子系统能承载更多信息量，能显著节省硬件资源并缩短量子线路深度。然而，在高维量子系统的实际操控中，物理平台受限于选择定则，实现高保真度且快速的qutrit量子门（即SU(3) 操作）面临严峻挑战。常规方案通常需要将 SU(3) 操作分解为一系列低维度的 SU(2)子操作，这不仅操作序列冗长、执行缓慢，还会导致错误在多步门序列中不断累积，最终削弱三进制量子计算的潜在优势。此外，现有的最优控制技术原则上虽然可行，但往往会消耗大量计算资源，且需要针对特定硬件进行繁琐的校准，难以在大规模量子处理器中推广。
图1. 单步实现qutrit 门的相干操控方案
针对这一问题，研究团队创新性地开发了一种通过双频相干驱动直接操控 SU(3) 动力学演化的方案。如图1所示，该方案通过解析求解选择定则约束下的动力学演化轨迹，实现了qutrit量子门的单步构建，从根本上解决 SU(2) 分解带来的冗长序列，同时也避免了最优控制技术中复杂的迭代搜索难题。在量子编译方面，该方案展现了卓越的效率优势。比如对于三维Clifford 门集构建，该方法将原生物理门的平均需求量从 5.25个 降低至 1.667个，使编译效率跃升了 68.2%。此外，研究团队进一步提出通用 SU(3) 分解策略，合成任意 SU(3) 操作所需的物理门代价较传统方案减少了三分之一。
图2. qutrit 门保真度的长期稳定性
作为原理性验证，研究团队采用超导transmon器件的三个能级构建qutrit，分别实现了35 ns的qutrit Hadamard（H）与 X 门。随机基准测试表征，两类门的平均保真度均达到了99.5%，接近退相干极限且在连续 18 小时的重复测量中保持稳定，证明了该方案在当前设备上具有极高的长期可靠性（图2）。与此同时，团队还演示了 qutrit Ramsey 干涉实验和奇偶校验算法，展示了该方案的应用潜力（图3）。
图3. 基于qutrit 的量子算法演示
南京大学物理学院博士研究生喻祥敏、邓翔、辛蔚为该论文的共同第一作者，南京大学郑文博士后、李绍雄研究员与于扬教授为共同通讯作者。该研究工作依托南京大学物理学院、固体微结构物理全国重点实验室、狮山量子计算与量子探测前沿实验室、江苏省量子信息科学与技术重点实验室、合肥国家实验室等平台，并得到量子科学与技术国家科技重大专项、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、山东省自然科学基金等项目的资助。论文链接：
https://doi.org/10.1103/vwzp-szjp
