最優量子門檢驗方案示意圖 中國科大供圖
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。而檢驗實際制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。
傳統的量子過程層析方法需要進行的測量次數和計算量，隨量子門的規模增大均呈指數增長。所以對于未來大規模的量子門和量子線路的質量表征，量子過程層析方法已不具備實際可操作性。近期國際上發展出一種新理論方法——量子門檢驗，它對于大多數量子門都能達到最優的樣本復雜度，并且只用到局域操作。但這種方法在實際應用時存在困難，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臺相結合，改進了量子門檢驗的數據處理算法，使量子門檢驗在保留高效率的同時，提升了對誤差的魯棒性。
改進后的量子門檢驗，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呈接近反比關系，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復雜度1/∈的量子門檢驗，更重要的是，該方法所需要的樣本復雜度并不隨量子門規模的增大而增大。
研究人員利用最優量子門檢驗，對兩比特CNOT門和三比特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，采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，最優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。
相關論文信息：
https ://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.020502