中國科學技術大學郭光燦院士團隊與復旦、北京理工在量子門的測量檢驗研究中取得重要進展。

根據中國科學技術大學官網，郭光燦團隊的李傳鋒、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于局域操作的最優量子門檢驗。該研究成果近期在線發表于《物理評論快報》，并入選“編輯推薦”文章。

《物理評論快報》(Physical Review Letters)論文發表頁

檢驗量子門的正確運作是實現可靠的量子信息處理的關鍵一步。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。由于量子門中參數個數，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，就會產生所謂的“維數災難”。

對于未來大規模的量子門和量子線路的質量表征，傳統采用的量子過程層析方法已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并不魯棒(Robust的音譯， “魯棒性”指控制系統在一定的參數攝動下，維持某些性能的特性)。

驗證量子器件D的過程

項國勇小組與合作者把量子門檢驗的思想，與該小組近年來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，上界的估計值和樣本數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樣本復雜度的量子門檢驗。更重要的是，該方法所需樣本復雜度并不隨量子門規模的增大而增大。

實驗裝置

研究小組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。而用量子過程層析去刻畫它們的失真度，就需要324和4096個測量基，以及上百萬次測量。

檢驗CNOT門的實驗結果

檢驗Toffoli門的實驗結果

因此，本次研究的實驗成果對驗證大規模量子門和量子線路具有重要意義，能為驗證過程中出現的“維數災難”提供解決方案。

中科院量子信息重點實驗室研究生張瑞祺，副研究員侯志博為該研究工作的共同第一作者。此項研究得到科技部、國家自然科學基金委、中科院、教育部和安徽省的支持。