创新技术可以验证量子光子电路的性能

由 Francesco Di Colandrea 博士领导、物理学副教授 Ebrahim Karimi 教授指导的渥太华大学量子技术研究所（NexQT）研究人员团队开发出了一种评估量子电路性能的创新技术。

这一重大进展发表在npj Quantum Information杂志上，标志着量子计算领域的重大飞跃。

在快速发展的量子技术领域，确保量子设备的功能性和可靠性至关重要。要想将这些器件高效地集成到量子电路和计算机中，就必须具备高精度、高速度的表征能力，这对基础研究和实际应用都会产生影响。

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高维量子光子学系统生成和实现示意图。

表征有助于确定器件是否按预期运行，当器件出现异常或错误时，表征就显得十分必要。发现并解决这些问题对于推动未来量子技术的发展至关重要。

传统上，科学家依赖量子过程断层扫描（QPT），这种方法需要大量的“投影测量”才能完全重建器件的运行。然而，QPT 所需的测量次数与操作的维度成二次方关系，这给实验和计算带来了巨大挑战，尤其是对高维量子信息处理器而言。

渥太华大学的研究团队开创了一种名为傅立叶量子过程断层扫描（FQPT）的优化技术。这种方法只需最少的测量次数，就能完整描述量子操作。

FQPT 不需要进行大量的投影测量，而是利用一种著名的映射--傅立叶变换，在两个不同的数学空间中进行部分测量。这些空间之间的物理关系增强了从单次测量中提取的信息，从而大大减少了所需的测量次数。例如，对于维数为 2d（d 可以任意高）的过程，只需要 7 次测量。

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研究团队在实验室中：从左至右 Karimi 教授、Francesco Di Colandrea、Nazanin Dehghan 和 Allesio D'Errico。

为了验证他们的技术，研究人员进行了一次光子实验，利用光偏振对量子位进行编码。利用最先进的液晶技术，量子过程实现了复杂的空间偏振变换。该实验证明了该方法的灵活性和稳健性。

渥太华大学博士后研究员 Francesco Di Colandrea 说：“实验验证是探测该技术抗噪声能力的基本步骤，可确保在现实实验场景中进行稳健、高保真的重构。”

这项新技术代表了量子计算领域的重大进步。研究团队已经在积极致力于将FQPT扩展到任意量子运算，包括非ermitian和高维实现，以及实施人工智能技术以提高精度和减少测量。

这项新技术为量子技术的进一步发展开辟了一条前景广阔的道路。

相关链接：https://phys.org/news/2024-06-scientists-method-validate-quantum-photonics.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41534-024-00844-7