中國科大首次實驗實現基於局域操作的最優量子門檢驗

來源：中國科學技術大學

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、項國勇研究組與復旦大學朱黃俊和北京理工大學尚江偉合作，首次在實驗上實現了基於局域操作的最優量子門檢驗。該研究成果於2022年1月14日線上發表在國際知名期刊《物理評論快報》上，併入選“編輯推薦”文章。

量子門是構建量子計算機的基本單元，實現高保真度的量子門操作是容錯量子計算的必要條件。如何檢驗實際製備的量子門保真度是否達到要求是實現容錯量子計算首先要解決的問題。由於量子門中引數個數隨著量子系統大小指數增加，傳統量子過程層析方案隨量子門的規模增大測量次數和計算量都呈指數增長。對於未來大規模的量子門和量子線路的質量表徵，傳統採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，它對於大多數量子門都能達到最優的樣本複雜度，並且只用到局域操作。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並不魯棒。

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引數量子精密測量平臺[Nat. Commun.9,1(2018); PRL 124,060502(2020); PRL 125,020501(2020)；PRL 126,070503 (2021)]相結合，改進了量子門檢驗的資料處理演算法，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透過對量子門輸出進行多次的局域投影測量，來實現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呈接近反比關係，也就是1/n的估計精度。這意味著該工作實現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並不隨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，研究組對兩位元CNOT門和三位元Toffoli門分別進行了檢驗。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。因此，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)顯著性水平(b)失真度上界

中科院量子資訊重點實驗室研究生張瑞祺，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