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清华大学量子信息中心

发布者: 发布时间:2020-09-11 18:53:50 点击量:
发布时间:2020-09-11 18:53:50
如何检查两台量子设备是否输出相同的结果呢?在制造更大、更好的量子计算机的竞赛中,这是一个十分常见的问题。举个例子,假设你现在有一个已知的小型量子设备正在工作,但你想通过例如添加更多的量子位(qubit)的方式来对其进行改进,这台新的设备会产生相同的结果吗?

 
来自因斯布鲁克大学及奥地利科学院量子光学与量子信息研究所的雷纳·布拉特 (Rainer Blatt)和彼得·佐勒 (Peter Zoller)带领的一组研究人员找到了解决这一难题的新方法。他们的方法使用了一组简单的随机选择的测量值,并且比以前的方法效率更高。他们的工作首次实现了直接比较跨平台的量子设备,以及比较不同的实验室中具有不同类型物理量子位的设备。

交叉验证两台量子设备看起来似乎是一件很简单的事:你只需要选择出最喜欢的一个量子计算并在两个设备上运行,然后测量输出并检查结果是否一致。但是,量子力学内部的随机性意味着即使两台相同的设备在特定的运行中也可能会有不一样的输出。为了解决这种随机性带来的问题,你可以使用统计检验来表明它们给出的分布基本相同。这种方式虽然有效,但它仅适用于特定的计算。那么,如何能够保证两台设备对所有可能的计算都给出相同的结果呢?
 
关于此问题,先前的工作最初集中于执行量子态层析成像或者是过程层析成像,这是对相等性的最终暴力测试。这些方法涉及到在每台设备中测量所有可能的控制量子位系统的参数。例如,可以测量每个可能的量子位之间的相关函数。

这种方法的问题在于这可能需要大量的测量。即使使用诸如压缩感测之类的高级技术,量子态层析成像的工作也需要至少4n次测量才能准确估计n个量子位的任意状态。

研究人员提出了一种计算强度较小的算法,可以通过放宽问题的目标来估计一个称为保真度的统计参数,从而测试设备的质量。保真度有不同的定义,但是在每个定义中它都是一种用于比较两个量子过程或者量子态之间相互重叠或一致程度的一种方法。1.0意味着完美的重叠。类似于随机基准与保真度直接估算的测量保真度的方法虽然有效(将多项式放大n倍),但是它们利用了“绝对”的知识,将系统与已知标准或预设理想进行比较。因此,这些方法并不立即适合用于比较仅涉及相对关系的两个未知设备。

 因斯布鲁克的团队研究了一种新的程序,在这里保真度衡量两个完全未知的量子  系统的重叠程度。这种方法利用了简单的测量方案。首先,在每台设备中准备一个已知态,并将同样的随机选择操作(例如自旋)应用到两个系统中。然后对两台设备进行测量。测量产生的统计数据实现了两个系统之间的互相关计算,这些互相关足以用来估计保真度。操作的随机性确保了实验规程可以“公平地对待”每一个可能的态,没有哪一个态会成为使结果充满偏差的“害群之马”。
 因斯布鲁克的团队展示了一种高效验证量子设备的潜在新方法,然而他们的交叉验证方案仍然面临着许多挑战。例如,该测试并没有在不同的实验室中两台不一样的设备中进行,以及虽然数据的收集工作有所改进,但仍然还有很高的要求。此外,还有许多竞争的选项即将出现。最近的一项研究突破表明,可以通过平行测量非常有效地估计单个系统中的少体相关性。这些并行测量方案可被用于验证或交叉验证最新的设备吗?量子计算机的科学家最近表明,一个理想的量子计算机在原则上可以通过常规计算机有效地验证。也许在不久的将来,这些协议可以在真实的物理系统上进行实验测试。
 
来源:环球科学