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门集阴影估计协议分两个阶段进行。首先,对于固定的初始状态ρ和不同的序列长度m,实验实现了长度为m的量子门的总共S个随机序列,并在每个序列之后进行了测量。我们把观测到的测量结果和门序列的元组称为“门集阴影”。第二个经典的后处理阶段包括三个步骤:(i)对门集阴影的每个入口计算给定的序列相关函数。对于UIRS协议,序列相关函数f 一个用探测超算子a和不可约表示σ来表示。(ii)我们计算序列平均值^k 足总(m)作为步骤(i)在相同长度m的序列上的结果的平均值或中位数。(iii)使用不同长度m的序列平均值作为数据点来拟合理论模型,以便提取关于超级算子a和不可约表示σ的广义门集保真度,这里用p(a)表示。来源: 自然通讯(2023)。DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 39382 - 9

量子技术——尤其是量子计算机——有可能塑造未来技术的发展。科学家们相信,量子计算机将帮助他们解决即使是最快的超级计算机也无法处理的问题。大型国际IT公司和像美国和中国这样的国家一直在大力投资这项技术的发展。但是,由于量子计算机基于与传统计算机、笔记本电脑和智能手机不同的物理定律,它们更容易发生故障。

由柏林自由大学Universität物理学家Jens Eisert教授领导的一个跨学科研究小组现在已经找到了测试量子计算机质量的方法。他们关于这个主题的研究最近发表在科学杂志《自然通讯》上。这些科学的质量控制测试结合了物理学、计算机科学和数学的方法。

Freie Universität Berlin的量子物理学家、这项研究的作者延斯·艾瑟特教授解释了这项研究背后的科学原理。“量子计算机是在量子力学物理定律的基础上工作的,在量子力学定律中,单个原子或离子被用作计算单位——或者换句话说——控制着微小的物理系统。这些未来计算机的非凡之处在于,在这个层面上,自然的功能与我们对世界的日常体验以及我们对它的认识和感知截然不同。”

但量子计算机有一个主要弱点:“当涉及到干扰源时,它们非常敏感。如果量子计算机没有充分地与环境隔离,那么负责其计算能力的属性就会消失。我们所说的“量子优势”往往会消散。换句话说,这行不通。”他补充道。

这个难题给研究人员提出了一个重要的问题:你怎么知道量子电路是否正常工作?就像测试一辆汽车是否适合上路和是否安全驾驶一样,测试量子电路质量的过程也是必要的。“没有这些方法,你可以通过量子计算得到结果,但你不知道它们到底有多可靠,”Eisert说。

一个跨学科的研究小组,成员来自柏林自由Universität、柏林亥姆霍兹中心、海因里希赫兹研究所、阿姆斯特丹QuSoft、阿布扎比量子研究中心、哥本哈根QMath和慕尼黑工业大学,现在已经找到了测试量子计算机质量的方法。“这种方法既简单又令人惊讶:实现随机电路,然后以‘量子比特’或‘量子位’输出测量结果,这就是我们所说的量子信息的基本单位,”Eisert解释说。

这些数据提供了大量可用的诊断信息,例如,找出量子门的工作效果如何,是否存在任何干扰因素,或者某些部分是否会无意中相互作用。

“如果我们坚持把你的车送去做保养检查的比喻,这就像在几次快速的动作中,用一块布随机地检查汽车的外部几次,同时还要检查发动机是否正常工作,挡风玻璃刮水器中是否有清洗液,以及刹车是否调整得当。”所有这些过程都包含在同一个测量中,这意味着所有的诊断实际上都是一次性完成的。”

预计这项研究将成为一种新的验证方法的基础,从而使未来用于技术设备的量子计算机具有真正的经济和科学效益。