我国首次实现基于局域操作的最优量子门检验

中国科学技术大学郭光灿院士团队与复旦、北京理工在量子门的测量检验研究中取得重要进展。

根据中国科学技术大学官网，郭光灿团队的李传锋、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，首次在实验上实现了基于局域操作的最优量子门检验。该研究成果近期在线发表于《物理评论快报》，并入选“编辑推荐”文章。

《物理评论快报》(Physical Review Letters)论文发表页

检验量子门的正确运作是实现可靠的量子信息处理的关键一步。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。如何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。由于量子门中参数个数，随着量子系统大小指数增加，传统量子过程层析方案随量子门的规模增大，测量次数和计算量都呈指数增长，就会产生所谓的“维数灾难”。

对于未来大规模的量子门和量子线路的质量表征，传统采用的量子过程层析方法已不具备实际可操作性。国际上近期发展的新理论方法——量子门检验，为解决上述问题带来了曙光。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。但是这种方法在实际应用时存在困难，它对实验误差和量子门瑕疵并不鲁棒(Robust的音译， “鲁棒性”指控制系统在一定的参数摄动下，维持某些性能的特性)。

验证量子器件D的过程

项国勇小组与合作者把量子门检验的思想，与该小组近年来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，使得量子门检验在保留高效率的同时提升了对误差的鲁棒性。

改进后的量子门检验通过对量子门输出进行多次的局域投影测量，来实现对量子门的失真度上界进行估计。实验结果显示，上界的估计值和样本数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样本复杂度的量子门检验。更重要的是，该方法所需样本复杂度并不随量子门规模的增大而增大。

实验装置

研究小组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和32个。而用量子过程层析去刻画它们的失真度，就需要324和4096个测量基，以及上百万次测量。

检验CNOT门的实验结果

检验Toffoli门的实验结果

因此，本次研究的实验成果对验证大规模量子门和量子线路具有重要意义，能为验证过程中出现的“维数灾难”提供解决方案。

中科院量子信息重点实验室研究生张瑞祺，副研究员侯志博为该研究工作的共同第一作者。此项研究得到科技部、国家自然科学基金委、中科院、教育部和安徽省的支持。澎湃新闻见习记者 王蕙蓉

关键词： 我国 检验 我国首次实现基于局域操作的最优量子门检验 量