北京
利用星形網絡，研究人員找到了一種方法來認證量子計算機核心操作。
量子計算長久以來一直內含一個悖論：如果一臺量子計算機最終解決了任何經典計算機都難以應付的問題，人們又怎能知道它的答案是否正確？
挑戰并不僅限于核對最終結果。研究人員還需要知道量子硬件本身是否真的做到了它所宣稱的事情。
格但斯克大學的博士后研究員舒巴揚·薩卡爾表示：“量子計算機帶來了一種根本不同的挑戰。由于人們期待它們解決超出經典計算機能力范圍的問題，或許根本就不存在一種有效的經典方法來為它們設立基準?！?/p>
如今，格但斯克大學博士后研究員舒巴揚·薩卡爾的一項新研究提出了一種方法，可以在不依賴對機器內部設計詳盡了解的情況下，驗證量子計算機最重要的構件之一——量子門。
這項工作解決了一個該領域內基本上仍未解決的問題，并可能最終使未來的量子處理器變得遠為可信。
將量子驗證轉化為網絡問題
薩卡爾的解決方案建立在早期研究的基礎上，這些研究顯示量子態和測量可以借助一種稱為量子非定域性的現象進行自測試。
非定域性允許相距遙遠的量子系統產生僅憑經典物理無法解釋的關聯，對其進行的實驗驗證助力贏得了2022年諾貝爾物理學獎。
通過分析這些關聯，研究人員無需打開系統、檢查其硬件，就能認證一個系統是真正的量子系統。
在先前的工作中，薩卡爾及其同事開發出了一種能夠自測試任意量子態和測量的方法。
這項新研究將這一思想擴展到了量子操作，具體來說是幺正門。幺正門是一種在操縱量子信息的同時又能將其保存下來的數學運算，這使其成為量子邏輯門的理想表示。
正如薩卡爾所解釋的：“由于任何量子計算機都將建立在本質上就是幺正門的量子芯片之上，因此自測試幺正門就是在認證量子計算機的‘磚塊’?！?/p>
簡而言之，驗證它們對于證明量子處理器正在正常運行至關重要。
用于測試量子門的星形網絡
為了實現這一點，薩卡爾設計了一種基于網絡的認證方案。想象一臺中央服務器，以星形排列方式與多個外部節點相連。在服務器與每個外部節點之間，放置著一個可以開啟或關閉的量子門。
當門關閉時，研究人員首先使用專門設計的貝爾不等式——一種能揭示觀測到的行為是否只能用量子力學解釋的數學檢驗——來認證外部節點及其量子連接。
一旦這些周圍組件得到驗證，就將門重新開啟。由于網絡的其余部分已經過認證，研究人員可以利用所產生的統計模式來判斷門本身是否在正確運行。
更重要的是，所有數據都在單次實驗中收集，然后一并分析，以認證每一個組件。
這項研究實際上給出了該協議的兩個版本。較簡單的版本被稱為“準設備無關”方案，原則上只要門不把量子態移出其原始數學子空間，就可以自測試任何量子幺正門。
這使得它實施起來顯著更容易，同時仍避免對處理器內部硬件做出細致的假設。
每個量子操作都留下獨一無二的指紋
研究人員還開發了一個完全設備無關的協議版本。這種方法更嚴格，但也要求更高，因為它需要在網絡中添加額外的量子隱形傳態鏈路。這些鏈路本身必須通過進一步的貝爾檢驗得到認證，然后門驗證流程才能繼續進行。
使得這項工作尤為重要的一點是支撐這兩種方案的理論結果。薩卡爾證明，每一個量子操作都與一組獨特的可觀測關聯相對應。
簡而言之，每個量子門都會留下自己獨特的統計指紋。通過檢查實驗中產生的關聯，科學家可以確定是否是一個特定的門——而非其他門——產生了觀察到的行為，除了少數無法通過實驗消除的不可避免的歧義之外。
這種能力對于缺乏在國內制造先進量子處理器的資源或基礎設施的發展中國家和組織來說，可能格外寶貴。
隨著量子技術日趨普及，許多實體可能需要從外國供應商那里進口量子芯片，并將其集成到自己的計算平臺中。與其僅依賴制造商的聲明，他們可以采用像這樣的認證方法，獨立驗證進口硬件是否完全按預期運行。
在量子時代建立信任
這項工作尚處于原理驗證階段，而非一項準備就緒的可部署技術。盡管小規模星形量子網絡已在實驗上得到演示，但該研究描述的完整認證協議尚未在真實的量子處理器上進行測試。
該方法還依賴多次貝爾檢驗以及對獨立量子源的假設，這可能使大規模實施變得具有挑戰性。盡管如此，其影響是重大的。
隨著各國政府和科技公司在量子計算領域投入數十億美元，對驗證、透明度和可靠性的關切正變得日益重要。
近期圍繞微軟基于馬約拉納費米子的量子技術所聲稱成果的爭論，凸顯了外部人士獨立評估新興量子硬件性能有多么困難。一個穩健的認證框架可以為評估此類聲明提供一種客觀的方式。
薩卡爾的下一個目標是讓該協議更加實用，即減少所需的貝爾檢驗次數，并確保即便存在真實世界的噪聲和不完美因素，它依然保持可靠。
他還希望將這一方法適配到可公開訪問的量子計算平臺，例如 IBM Quantum 所提供的那些平臺。如果成功，用戶有朝一日將能驗證量子計算機執行的操作，而無需信任運營它的公司。
薩卡爾總結道：“這不僅能為這些公司的量子計算設立基準，還能增加公眾對量子計算的信任。”
這項研究發表在《物理評論快報》期刊上。
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