中國(guó)科大首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)基于局域操作的最優(yōu)量子門(mén)檢驗(yàn)

1月17日消息（余予）來(lái)自中國(guó)科大的消息顯示，中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、項(xiàng)國(guó)勇研究組與復(fù)旦大學(xué)朱黃俊和北京理工大學(xué)尚江偉合作，在量子門(mén)的測(cè)量檢驗(yàn)研究中取得重要進(jìn)展，首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了基于局域操作的最優(yōu)量子門(mén)檢驗(yàn)。

據(jù)悉，量子門(mén)是構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的基本單元，實(shí)現(xiàn)高保真度的量子門(mén)操作是容錯(cuò)量子計(jì)算的必要條件。如何檢驗(yàn)實(shí)際制備的量子門(mén)保真度是否達(dá)到要求是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算首先要解決的問(wèn)題。但由于量子門(mén)中參數(shù)個(gè)數(shù)隨著量子系統(tǒng)大小指數(shù)增加，傳統(tǒng)量子過(guò)程層析方案隨量子門(mén)的規(guī)模增大測(cè)量次數(shù)和計(jì)算量都呈指數(shù)增長(zhǎng)。對(duì)于未來(lái)大規(guī)模的量子門(mén)和量子線路的質(zhì)量表征，傳統(tǒng)采用的量子過(guò)程層析方法已經(jīng)不具備實(shí)際可操作性。

國(guó)際上近期發(fā)展的新理論方法——量子門(mén)檢驗(yàn)為解決上述問(wèn)題帶來(lái)了曙光，它對(duì)于大多數(shù)量子門(mén)都能達(dá)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(shí)際應(yīng)用時(shí)存在困難，它對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差和量子門(mén)瑕疵并不魯棒。

針對(duì)以上問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)將量子門(mén)檢驗(yàn)的思想與近年來(lái)該小組系統(tǒng)發(fā)展的多參數(shù)量子精密測(cè)量平臺(tái)相結(jié)合，改進(jìn)了量子門(mén)檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理算法，使得量子門(mén)檢驗(yàn)在保留高效率的同時(shí)提升了對(duì)誤差的魯棒性。改進(jìn)后的量子門(mén)檢驗(yàn)通過(guò)對(duì)量子門(mén)輸出進(jìn)行多次的局域投影測(cè)量，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)量子門(mén)的失真度上界∈進(jìn)行估計(jì)。

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

圖1 最優(yōu)量子門(mén)檢驗(yàn)方案示意圖

接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)利用最優(yōu)量子門(mén)檢驗(yàn)，對(duì)兩比特CNOT門(mén)和三比特Toffoli門(mén)分別進(jìn)行了檢驗(yàn)。兩者平均而言只需用到1600次和2600次測(cè)量就能檢驗(yàn)保真度是否達(dá)到了99%和97%以上，所使用的測(cè)量基數(shù)目?jī)H為20和32個(gè)。作為對(duì)比，用量子過(guò)程層析去刻畫(huà)它們的失真度需要324和4096個(gè)測(cè)量基，以及上百萬(wàn)次測(cè)量。

因此，量子門(mén)檢驗(yàn)對(duì)大規(guī)模量子門(mén)和量子線路的驗(yàn)證具有重要意義。

圖2 CNOT門(mén)的檢驗(yàn)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(guó)際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上在線發(fā)表，并入選“編輯推薦”文章。中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、教育部和安徽省的支持。

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

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