中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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，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)，這對(duì)大規(guī)模量子門(mén)和量子線路的驗(yàn)證具有重要意義。日前，相關(guān)成果在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。
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。而檢驗(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。
據(jù)專(zhuān)家介紹，傳統(tǒng)的量子過(guò)程層析方法需要進(jìn)行的測(cè)量次數(shù)和計(jì)算量，隨量子門(mén)規(guī)模的增大均呈指數(shù)增長(zhǎng)。所以對(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，量子過(guò)程層析方法已不具備實(shí)際可操作性。近期國(guó)際上發(fā)展出一種新理論方法——量子門(mén)檢驗(yàn)，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，對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差和量子門(mén)瑕疵并不魯棒。
項(xiàng)國(guó)勇小組與合作者把量子門(mén)檢驗(yàn)的方法，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，使量子門(mén)檢驗(yàn)在保留高效率的同時(shí)，提升對(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∈的估計(jì)。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。
研究人員利用最優(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個(gè)和32個(gè)。相比之下，采用量子過(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。(桂運(yùn)安 王敏)
關(guān)鍵詞： 最優(yōu)量子門(mén)檢驗(yàn) 量子門(mén) 量子線路 量子計(jì)算機(jī)
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