中國科大首次在實驗上實現(xiàn)基于局域操作的最優(yōu)量子門檢驗

1月17日消息（余予）來自中國科大的消息顯示，中國科大郭光燦院士團隊李傳鋒、項國勇研究組與復(fù)旦大學朱黃俊和北京理工大學尚江偉合作，在量子門的測量檢驗研究中取得重要進展，首次在實驗上實現(xiàn)了基于局域操作的最優(yōu)量子門檢驗。

據(jù)悉，量子門是構(gòu)建量子計算機的基本單元，實現(xiàn)高保真度的量子門操作是容錯量子計算的必要條件。如何檢驗實際制備的量子門保真度是否達到要求是實現(xiàn)容錯量子計算首先要解決的問題。但由于量子門中參數(shù)個數(shù)隨著量子系統(tǒng)大小指數(shù)增加，傳統(tǒng)量子過程層析方案隨量子門的規(guī)模增大測量次數(shù)和計算量都呈指數(shù)增長。對于未來大規(guī)模的量子門和量子線路的質(zhì)量表征，傳統(tǒng)采用的量子過程層析方法已經(jīng)不具備實際可操作性。

國際上近期發(fā)展的新理論方法——量子門檢驗為解決上述問題帶來了曙光，它對于大多數(shù)量子門都能達到最優(yōu)的樣本復(fù)雜度，并且只用到局域操作。但這種方法在實際應(yīng)用時存在困難，它對實驗誤差和量子門瑕疵并不魯棒。

針對以上問題，研究團隊將量子門檢驗的思想與近年來該小組系統(tǒng)發(fā)展的多參數(shù)量子精密測量平臺相結(jié)合，改進了量子門檢驗的數(shù)據(jù)處理算法，使得量子門檢驗在保留高效率的同時提升了對誤差的魯棒性。改進后的量子門檢驗通過對量子門輸出進行多次的局域投影測量，來實現(xiàn)對量子門的失真度上界∈進行估計。

最終實驗結(jié)果顯示，∈的估計值和樣本數(shù)n呈接近反比關(guān)系，也就是1/n的估計精度。這意味著該工作實現(xiàn)了最優(yōu)的樣本復(fù)雜度1/∈的量子門檢驗，更重要的是該方法所需要的樣本復(fù)雜度并不隨量子門規(guī)模的增大而增大。

圖1 最優(yōu)量子門檢驗方案示意圖

接下來，研究團隊利用最優(yōu)量子門檢驗，對兩比特CNOT門和三比特Toffoli門分別進行了檢驗。兩者平均而言只需用到1600次和2600次測量就能檢驗保真度是否達到了99%和97%以上，所使用的測量基數(shù)目僅為20和32個。作為對比，用量子過程層析去刻畫它們的失真度需要324和4096個測量基，以及上百萬次測量。

因此，量子門檢驗對大規(guī)模量子門和量子線路的驗證具有重要意義。

圖2 CNOT門的檢驗結(jié)果。(a)顯著性水平(b)失真度上界

研究成果于2022年1月14日在國際知名期刊《物理評論快報》上在線發(fā)表，并入選“編輯推薦”文章。中科院量子信息重點實驗室研究生張瑞祺，副研究員侯志博為該工作的共同第一作者。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院、教育部和安徽省的支持。

論文鏈接：http://ygpos.cn/uploadfile/2022/0117/20220117121015187G.020502

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