首次实现基于局域操作的最优量子门检验

来源:中国科学报 | 2022-01-19 15:46:51 |

中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、项国勇研究组与复旦大学朱黄俊和北京理工大学尚江伟合作,首次在实验上实现基于局域操作的最优量子门检验,这对大规模量子门和量子线路的验证具有重要意义。日前,相关成果在线发表于《物理评论快报》。

量子门是构建量子计算机的基本单元,实现高保真度的量子门操作是容错量子计算的必要条件。而检验实际制备的量子门保真度是否达到要求,是实现容错量子计算首先要解决的问题。

据专家介绍,传统的量子过程层析方法需要进行的测量次数和计算量,随量子门规模的增大均呈指数增长。所以对于未来大规模的量子门和量子线路的质量表征,量子过程层析方法已不具备实际可操作性。近期国际上发展出一种新理论方法——量子门检验,它对于大多数量子门都能达到最优的样本复杂度,并且只用到局域操作。但这种方法在实际应用时存在困难,对实验误差和量子门瑕疵并不鲁棒。

项国勇小组与合作者把量子门检验的方法,与近年来该小组系统发展的多参数量子精密测量平台相结合,改进了量子门检验的数据处理算法,使量子门检验在保留高效率的同时,提升对误差的鲁棒性。

改进后的量子门检验通过对量子门输出进行多次局域投影测量,来实现对量子门的失真度上界∈的估计。实验结果显示∈的估计值和样本数n呈接近反比关系,也就是1/n的估计精度。这意味着该工作实现了最优的样本复杂度1/∈的量子门检验,更重要的是,该方法所需要的样本复杂度并不随量子门规模的增大而增大。

研究人员利用最优量子门检验,对两比特CNOT门和三比特Toffoli门分别进行了检验。两者平均而言只需用到1600次和2600次测量,就能检验保真度是否达到了99%和97%以上,所使用的测量基数目仅为20个和32个。相比之下,采用量子过程层析去刻画它们的失真度,需要324和4096个测量基以及上百万次测量。(桂运安 王敏)


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