与传统最大似然（ML）方法相比，傅里叶量子过程断层扫描（FQPT）的高维量子光子学系统生成和实现示意图。图片来源：渥太华大学

渥太华大学量子技术研究所（NexQT）的一组研究人员在Francesco Di Colandrea博士的领导下，在物理学副教授Ebrahim Karimi教授的监督下，开发了一种用于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上，代表了量子计算领域的重大飞跃。

在快速发展的量子技术环境中，确保量子设备的功能和可靠性至关重要。以高精度和高速度表征这些器件的能力对于它们有效地集成到量子电路和计算机中至关重要，从而影响基础研究和实际应用。

表征有助于确定设备是否按预期运行，这在设备出现异常或错误时是必要的。识别和解决这些问题对于推进未来量子技术的发展至关重要。

传统上，科学家们依赖于量子过程断层扫描（QPT），这种方法需要大量的“投射测量”来完全重建设备的操作。然而，QPT中所需的测量数量与操作的维数呈二次方关系，这带来了重大的实验和计算挑战，特别是对于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里叶量子过程断层扫描（FQPT）的优化技术。这种方法允许以最少的测量次数对量子操作进行完整的表征。

FQPT 没有执行大量的投影测量，而是利用众所周知的映射傅里叶变换在两个不同的数学空间中执行部分测量。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，大大减少了所需的测量次数。例如，对于尺寸为 2d 的过程（其中 d 可以任意高），只需要 7 次测量。

研究团队在他们的实验室。从左到右：Karimi教授、Francesco Di Colandrea、Nazanin Dehghan和Allesio D'Errico。图片来源：渥太华大学

为了验证他们的技术，研究人员进行了一项使用光学偏振对量子比特进行编码的光子实验。量子过程是利用最先进的液晶技术实现的复杂的空间相关偏振变换。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Francesco Di Colandrea说：“实验验证是探索该技术对噪声的弹性的基本步骤，确保在现实的实验场景中进行稳健和高保真度的重建。

这项新技术代表了量子计算的显着进步。研究团队已经在积极致力于将FQPT扩展到任意量子操作，包括非厄米特和高维实现，并实施AI技术以提高准确性并减少测量。

这项新技术代表了量子技术进一步发展的有希望的途径。

更多信息：Francesco Di Colandrea 等人，傅里叶量子过程断层扫描，npj 量子信息 （2024）。DOI： 10.1038/s41534-024-00844-7

期刊信息： npj Quantum Information