С увеличением мощности квантовых процессоров становится всё более актуальной проблема оценки их качества работы.

Для этого применяется метод, схожий с медицинской томографией — квантовая томография. Она позволяет измерить состояния в различных «срезах» и восстановить полную информацию о системе. Этот подход широко используется в квантовой физике. Однако при работе с большими системами результаты могут быть громоздкими, что снижает эффективность метода.

Кроме того, необходимо учитывать количество измерений, на основе которых делается вывод о качестве работы устройства.

В квантовой томографии есть доверительные интервалы, т.е. диапазоны значений, с достаточно высокой вероятностью содержащие истинное среднее значение некоторой наблюдаемой для восстанавливаемого квантового состояния. Проблема в том, что существующие способы получения таких интервалов, являются либо слишком затратными с точки зрения требуемых вычислительных ресурсов, как например, методы Монте-Карло, либо дают строгие, но слишком пессимистические оценки, как например, метод доверительных политопов, — отметил к.ф.-м.н. Евгений Киктенко, ведущий эксперт научного проекта лаборатории квантовых информационных технологий НИТУ МИСИС.

Исследователи из НИТУ МИСИС и Российского квантового центра разработали инновационный метод анализа данных, полученных с помощью квантовой томографии. Этот метод позволяет не только точно определить текущее состояние квантовой системы, но и оценить разницу между фактическим и желаемым состояниями. Это делает его полезным инструментом для практического применения в работе с различными типами квантовых систем.

Мы показали, что ограниченного набора данных квантовой томографии и простого численного метода на основе линейной инверсии достаточно, чтобы оценить, насколько реально приготавливаемое состояние отличается от целевого. Так можно оценивать не только квантовые состояния, но и качество работы квантовых вентилей — элементарных логических преобразователей квантового компьютера. Метод проверен на разных протоколах квантовой томографии и показал стабильную работу и точные результаты. Доверительные интервалы были очень близки к идеальным, как для томографии квантовых состояний, так и для томографии квантовых процессов при различных значениях уровня значимости, — сказал Алексей Федоров, директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ.

Подробные результаты описаны в научном журнале Physical Review A (Q1). В дальнейшем исследователи планируют применить новый метод для характеризации квантовых процессоров, разрабатываемых в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям. Ожидается, что он позволит получить более точную информацию о шумах, присутствующих в различных архитектурах квантовых процессоров.

Исследование выполнено в рамках стратегического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России „Приоритет-2030“ (проект К1-2022-027) и при поддержке грантов Российского научного фонда (№ 19-71-10091).