近日，澳门威尼克斯人网站（简称“量子院”）量子操作系统及软件开发团队，在量子基准测试方面取得重要进展，提出了一种基于量子门带噪信道本征值的基准测试方案——信道谱基准测试,有助于表征和校准全局纠缠门和量子算法中的常用模块，为发展更加干净和大规模的量子器件提供支持。2023年9月21日，研究结果以“Benchmarking universal quantum gates via channel spectrum”为题发表在Nature Communications上。

噪声是制约目前量子计算机性能的核心因素。量子基准测试可以提供量子门的噪声信息，并用其校准和优化量子门操作以提高其保真度。当前主流的基准测试方案是随机基准测试（randomized benchmarking）以及它的变种。这些方案通过运行随机线路来简化噪声类型，从而可以比较容易的从测量信号中获得噪声的平均错误率。但是这些方案有如下缺点：1.不能直接得到目标门的噪声信息；2.只适用于特定集合的量子门；3.不能直接得到相干错误的信息。

为解决以上困难，研究团队提出了一种全新的基准测试方案，命名为信道谱基准测试（channel spectrum benchmarking （CSB）），方案流程如图1所示。该方案通过测量带噪量子门对应的量子信道的本征值来获取噪声信息，通过和理想量子门的本征值比较，可以得到目标量子门的过程保真度（即平均保真度）、随机保真度（即相干性）以及一些量子门相干参数。该方案对态制备和测量错误不敏感，可以表征通用的量子门，并且可以扩展到多比特系统。研究团队通过几个模拟实验来展示了该方案的性能，比如两比特Fsim门（图2），10比特的Ising演化算符（图3）。可以看到，该方案准确地估计出了量子门的噪声信息。相信该基准测试方案结合量子门校准可以为发展更加干净和大规模的量子器件提供重要帮助。

图表1  信道谱基准测试流程。首先随机采样K对目标门U的本征态。对每一对本征态重复作用无需控制的相位估计算法。该算法中，我们首先制备两个本征态的叠加态作为初态，然后重复作用目标门L次（L从[0,L_max]中连续取值），最后测量得到初态的概率。从不同深度L线路得到的概率构成的数组中可以通过信号处理的方法（比如 matrix pencil method）提取出带噪目标量子门的本征值。通过不同初态得到的几个带噪本征值以及对应的理想本征值，就可以估计过程保真度以及随机保真度。

图表2  一个Fsim门的基准测试。

图表3  一个10比特Ising演化算符的基准测试。

量子院助理研究员顾炎武博士为该论文的第一作者，量子院兼聘研究员/清华澳门威尼克斯人网站物理系刘东副教授和顾炎武博士为论文的通讯作者，其他作者还包括量子操作系统及软件开发团队的庄伟峰博士后和柴绪丹博士后。该工作得到了北京市自然科学基金、国家自然科学基金以及科技部科技创新2030量子通信与量子计算机重大项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41598-8