量子门基准测试：新协议为容错计算铺平道路

以下内容来自phy.org，论文原文DOI: 10.1021/acs.chemrev.4c00870

研究人员开发了一种用于量子门基准测试的新协议，这是实现量子计算全部潜力的关键一步，有望加速容错量子计算机的研究进展。该研究成果发表于《化学评论》期刊。

“量子计算的最终局限在于我们实现量子门操作的精度——量子门是量子处理器的基本操作单元，”研究共同通讯作者、南加州大学维特比工程学院及多恩西夫文理学院电气与计算机工程、化学、物理学与天文学教授Daniel Lidar表示，“我们的新协议仅需少量简单实验，即可识别相干和非相干两种误差类型，比现有方法高效得多。”

量子门与误差

量子计算有望解决传统经典计算机无法处理的复杂问题，但其计算精度高度依赖量子门的性能。量子门易受噪声和校准误差影响，因此基准测试与误差校正成为量子计算研究的核心领域。

量子门对量子比特进行操作，是构建量子算法的基础，也是量子电路和计算的核心组件。特定任务中，量子门可使量子计算机运行算法的速度远超经典计算机。

然而，量子门易受噪声和误差干扰，其中主要分为两类：相干误差和非相干误差。相干误差具有确定性和重复性，会保持量子态纯度，其误差积累呈振幅型（而非概率型），可能导致比非相干误差快二次方级的误差增长；非相干误差源于量子系统与环境的相互作用，会削弱量子特性，使量子计算机性能退化为经典计算机水平。

近期，物理学家认识到相干误差对量子计算机性能的显著限制。研究共同通讯作者、南加州大学多恩西夫学院物理学与天文学及电气与计算机工程助理教授Eli Levenson-Falk强调了精确基准测试的重要性：“我们方法的独特之处在于能够清晰区分不同类型的误差，这至关重要，因为某些误差类型（尤其是相干误差）对量子算法的破坏性更强，需要不同的缓解策略。”

确定性基准测试提升效率

量子基准测试是评估量子计算机整体性能（包括门、电路和处理器）的一系列协议和方法，通过量化噪声和误差下的操作表现，为技术优化提供关键依据。

Lidar指出，确定性基准测试（DB）是量子计算领域的重要进展，因其具有确定性和高效性。与其他方法不同，DB使用一组固定的简单脉冲对序列，而非对随机电路进行平均。研究人员将DB与广泛使用的随机基准测试（RB）进行对比：RB通过平均大量随机门序列给出单一误差指标，而DB通过设计特定序列检测RB无法察觉的特定误差源。

为量子化学与材料科学开辟新机遇

研究团队在超导量子比特上验证了DB的有效性，展示了其检测标准技术无法识别的量子比特参数微小变化的能力。

“通过多次实验，我们证明了DB的多种能力，”Lidar表示，“其突出优势在于能同时提供相干和非相干误差的详细信息，助力更精准的量子门校准，且所需实验次数比RB更少，资源效率更高。”该研究对量子化学和材料科学应用具有重要意义，这些领域依赖精确的门操作实现分子系统的可靠模拟。研究团队计划将DB扩展至两量子比特门，推动更复杂量子电路的开发，并探索其在超导量子比特以外平台（如离子阱和光子系统）的适应性。

参考链接

https://phys.org/news/2025-05-benchmarking-quantum-gates-protocol-paves.html