Polarization and Orbital Angular Momentum Encoded Quantum Toffoli Gate Enabled by Diffractive Neural Networks

托夫利门 量子门 量子电路 受控非门 量子位元 物理 量子力学 量子网络 量子纠错 量子计算机 量子算法 计算机科学 拓扑(电路) 量子 数学 组合数学
作者
Qianke Wang,Dawei Lyu,Jun Liu,Jian Wang
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:133 (14)
标识
DOI:10.1103/physrevlett.133.140601
摘要

Controlled quantum gates play a crucial role in enabling quantum universal operations by facilitating interactions between qubits. Direct implementation of three-qubit gates simplifies the design of quantum circuits, thereby being conducive to performing complex quantum algorithms. Here, we propose and present an experimental demonstration of a quantum Toffoli gate fully exploiting the polarization and orbital angular momentum of a single photon. The Toffoli gate is implemented using the polarized diffractive neural networks scheme, achieving a mean truth table visibility of 97.27±0.20%. We characterize the gate's performance through quantum state tomography on 216 different input states and quantum process tomography, which yields a process fidelity of 94.05±0.02%. Our method offers a novel approach for realizing the Toffoli gate without requiring exponential optical elements while maintaining extensibility to the implementation of other three-qubit gates.

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