中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊李傳鋒、項國勇研究組與復(fù)旦大學(xué)朱黃俊和北京理工大學(xué)尚江偉合作，首次在實驗上實現(xiàn)基于局域操作的最優(yōu)量子門檢驗，這對大規(guī)模量子門和量子線路的驗證具有重要意義。日前，相關(guān)成果在線發(fā)表于《物理評論快報》。
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。而檢驗實際制備的量子門保真度是否達(dá)到要求，是實現(xiàn)容錯量子計算首先要解決的問題。
據(jù)專家介紹，傳統(tǒng)的量子過程層析方法需要進(jìn)行的測量次數(shù)和計算量，隨量子門規(guī)模的增大均呈指數(shù)增長。所以對于未來大規(guī)模的量子門和量子線路的質(zhì)量表征，量子過程層析方法已不具備實際可操作性。近期國際上發(fā)展出一種新理論方法——量子門檢驗，它對于大多數(shù)量子門都能達(dá)到最優(yōu)的樣本復(fù)雜度，并且只用到局域操作。但這種方法在實際應(yīng)用時存在困難，對實驗誤差和量子門瑕疵并不魯棒。
項國勇小組與合作者把量子門檢驗的方法，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(jìn)了量子門檢驗的數(shù)據(jù)處理算法，使量子門檢驗在保留高效率的同時，提升對誤差的魯棒性。
改進(jìn)后的量子門檢驗通過對量子門輸出進(jìn)行多次局域投影測量，來實現(xiàn)對量子門的失真度上界∈的估計。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。
研究人員利用最優(yōu)量子門檢驗，對兩比特CNOT門和三比特Toffoli門分別進(jìn)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(dá)到了99%和97%以上，所使用的測量基數(shù)目僅為20個和32個。相比之下，采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。(桂運安 王敏)
關(guān)鍵詞： 最優(yōu)量子門檢驗 量子門 量子線路 量子計算機
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