IT之家 1 月 17 日消息，據中國科學技術大學釋出我校郭光燦院士團隊在量子門的測量檢驗研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、項國勇研究組與複旦大學朱黃俊和北京理工大學尚江偉合作，首次在實驗上實作了基于局域操作的最優量子門檢驗。該研究成果于 2022 年 1 月 14 日線上發表在國際知名期刊《實體評論快報》上，并入選“編輯推薦”文章。
量子門是建構量子計算機的基本單元，實作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作容錯量子計算首先要解決的問題。由于量子門中參數個數随着量子系統大小指數增加，傳統量子過程層析方案随量子門的規模增大測量次數和計算量都呈指數增長。對于未來大規模的量子門和量子線路的品質表征，傳統采用的量子過程層析方法已經不具備實際可操作性。國際上近期發展的新理論方法 —— 量子門檢驗為解決上述問題帶來了曙光，它對于大多數量子門都能達到最優的樣本複雜度，并且隻用到局域操作。但是這種方法在實際應用時存在困難，它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思想與近年來該小組系統發展的多參數量子精密測量平台相結合，[Nat.Commun.9,1 (2018);PRL124,060502 (2020);PRL125,020501 (2020)；PRL 126,070503 (2021)]，改進了量子門檢驗的資料處理算法，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。改進後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，來實作對量子門的失真度上界∈進行估計。實驗結果顯示∈的估計值和樣本數 n 呈接近反比關系，也就是 1 / n 的估計精度。這意味着該工作實作了最優的樣本複雜度 1/∈的量子門檢驗，更重要的是該方法所需要的樣本複雜度并不随量子門規模的增大而增大。
圖 1 最優量子門檢驗方案示意圖
利用最優量子門檢驗，研究組對兩比特 CNOT 門和三比特 Toffoli 門分别進行了檢驗。兩者平均而言隻需用到 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。是以，量子門檢驗對大規模量子門和量子線路的驗證具有重要意義。
圖 2 CNOT 門的檢驗結果。
(a) 顯著性水準 (b) 失真度上界
中科院量子資訊重點實驗室研究所學生張瑞祺，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援。
論文連結：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.020502