量子计算系统的保真度估计的制作方法

本说明书涉及量子计算。

背景技术：

1、量子电路是用于量子计算的模型，在量子计算中，计算包括一系列量子门。例如由于退相干和其他量子噪声，量子电路对于误差敏感。量子电路中误差的影响可以由量子电路的保真度来进行特征描述。保真度是量子电路的指示量子电路的质量和可靠性的度量。

技术实现思路

1、本说明书涉及估计量子计算系统中的量子硬件的保真度。特别地，本说明书描述了用于估计具有多个量子位元的复杂非克利福德(non-clifford)量子电路的保真度的技术。

2、总体上，本说明书中描述的主题的一个创新性方面可以实现在一种方法中，所述方法包括下述动作：访问一组量子门；对来自所述一组量子门的量子门的子组进行采样，其中，所述量子门的子组限定量子电路；将所述量子电路应用于量子系统并且对所述量子系统执行测量以确定所述量子系统的输出信息；基于将所述量子电路应用于所述量子系统来计算所述量子系统的输出信息；以及基于所述量子系统的所确定的输出信息和所计算的输出信息来估计所述量子电路的保真度。

3、这个方面的其他实现方式包括对应的计算机系统、装置和记录在一个或多个计算机存储设备上的计算机程序，上述中的每个都配置为执行方法的动作。一个或多个计算机的系统可以被配置为执行特定操作或动作，这归因于在所述系统上安装有软件、固件、硬件或其组合，软件、固件、硬件或其组合在操作时使所述系统执行动作。一个或多个计算机程序可以被配置为执行特定操作或动作，这归因于包括指令，指令在由数据处理装置执行时使装置执行动作。

4、前述和其他实现方式均可以可选地单独或组合地包括一个或多个下述特征。在一些实现方式中，估计所述量子系统的保真度包括：将所述量子系统的所确定的输出信息拟合到所述量子系统的所计算的输出信息。

5、在一些情况下，将所述量子系统的所确定的输出信息拟合到所述量子系统的所计算的输出信息以估计所述量子电路的保真度包括：限定所述量子系统的所计算的输出信息和完全混合量子态的凸组合；以及通过将所限定的凸组合与所述量子系统的所确定的输出信息进行比较来估计所述量子电路的保真度。

6、在一些实现方式中，所述凸组合由下式给出：

7、

8、其中，α表示所述量子电路的保真度，|ψ>表示基于将所述量子电路应用于所述量子系统的所述量子系统的所计算的量子态，并且表示完全混合态。

9、在一些情况下，所述方法还包括：对来自所述一组量子门的量子门的子组进行重复采样直到事件的完成为止，其中，量子门的每个子组限定相应的量子电路；对于每个被采样的量子门的子组：将相应的量子电路应用于量子系统并且对所述量子系统执行相应的测量以确定所述量子系统的输出信息；基于将相应的量子电路应用于所述量子系统来计算所述量子系统的输出信息；以及基于所述量子系统的所确定的输出信息和所计算的输出信息来估计相应的量子电路的保真度。

10、在一些实现方式中，当估计的保真度的不确定度低于预定阈值时发生事件的完成。

11、在一些情况下，所述一组量子门包括一组通用的量子门。

12、在一些情况下，所述一组量子门包括单量子位元量子门和双量子位元量子门。

13、在一些实现方式中，所述一组量子门中的每个门与相应的量子门保真度关联。

14、在其他实现方式中，被采样的量子门的子组包括相同数量的可相当的相应量子门保真度的量子门。

15、在一些情况下，对来自所述一组量子门的量子门的子组进行采样包括：对来自所述一组量子门的量子门的子组进行随机采样。

16、本说明书中描述的主题可以以特定方式被实现为取得一个或多个下述优点。

17、量子硬件(例如量子门的系统)固有地容易出现误差，在能够修正误差之前需要特征描述误差。通过例如量子过程层析的过程来进行完全特征描述就成本和效率来说不切实际。例如，因为所需要的测量的数量指数地增长，所以当量子系统中的量子位元的数量增长时，量子过程层析变得成本过高。此外，完全特征描述通常没有必要，因为对于实际目的来说，估计更一般的量、例如平均保真度可能就足够了。

18、用于特征描述误差的替代方法包括在量子硬件中使用一组限制性的量子门。例如，利用克利福德(clifford)门的随机化定标是测量单量子位元门和双量子位元门的广扩展的方法。但是，不能应用这样的技术以直接测量利用通用量子门组的量子电路的保真度。使用这样的方法获得的结果因此可能不是直接感兴趣的或者可能被视为说明性和不切实际的，因为由这些限制性电路群组(family)产生的量子态相对于由具有通用量子门的电路产生的量子态在重要方面可能非常不同。例如，总是可以使用经典计算机来高效地模拟克利福德电路并且克利福德电路不展现波特-托马斯(porter-thomas)分布。

19、随着量子硬件的复杂度和多样性增长，不可避免的是要测量不是能够通过经典计算机来容易且高效地模拟的类型的量子电路的电路保真度。

20、在本说明书中描述的实现对于量子计算系统的保真度估计的系统能够估计复杂度不断增加的量子硬件的保真度。

21、在本说明书中描述的实现对于量子计算系统的保真度估计的系统适用于量子计算的数字模型和量子计算的模拟模型。在量子计算的数字模型的情况下，系统不需要使用一组限制性的量子门。例如，系统可以利用由选自一组通用的量子门的门构成的复杂随机量子电路，从而允许直接测量具有数量增加的量子位元和量子门的复杂度增加的量子电路的量子电路保真度。类似地，在量子计算的模拟模型的情况下，系统允许直接确定实现连续哈密顿算符演化的量子硬件的保真度。

22、与用于估计量子电路的保真度的其他系统和方法不同，在本说明书中描述的实现对于量子计算系统的保真度估计的系统使得能够估计量子电路的保真度而不需要执行量子位元的数量的指数数量的测量。

23、更具体地，本公开提供了一种用于对包括量子系统的量子硬件进行保真度定标的计算机实现的方法，所述方法包括:从量子硬件接收测量数据，其中，在由来自通用的一组量子门的门组成的随机量子电路被应用于量子系统之后，通过测量量子系统来获得所述测量数据；模拟随机量子电路对量子系统的应用，以确定所述量子系统的预期统计；以及基于量子系统的测量数据和预期统计来估计随机量子电路的保真度。

24、本说明书的主题的一个或多个实现方式的细节在附图和下面的描述中阐述。根据以下描述、附图和权利要求书，所述主题的其他特征、方面和优点将变得明了。

技术特征：

1.一种用于对包括量子系统的量子硬件进行保真度定标的计算机实现的方法，所述方法包括:

2.根据权利要求1所述的方法，其中基于量子系统的测量数据和预期统计来估计随机量子电路的保真度包括将所述测量数据拟合到i)量子系统的预期统计和ii)完全混合量子态的凸组合。

3.根据权利要求1所述的方法，其中基于量子系统的测量数据和预期统计来估计随机量子电路的保真度包括将量子系统的预期统计和完全混合量子态的凸组合与测量数据进行比较。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，将量子系统的预期统计和完全混合量子态的凸组合与测量数据进行比较包括将所述测量数据拟合到量子系统的预期统计和完全混合量子态的凸组合。

5.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，所述凸组合由下式给出：

6.根据权利要求5所述的方法，其中将测量数据拟合到量子系统的预期统计和完全混合量子态的凸组合包括对α进行求解。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一组量子门包括单量子位元量子门和双量子位元量子门。

8.一种系统，包括一个或多个计算机和一个或多个存储可操作的指令的存储设备，所述指令当由所述一个或多个计算机执行时，以使得所述一个或多个计算机根据权利要求1至7中任一项所述的方法执行操作。

9.一种计算机可读存储介质，包括存储在其上的指令，所述指令可由处理设备执行，并且在这种执行时使得所述处理设备根据权利要求1至7中任一项所述的方法来执行操作。

技术总结
本公开提供了一种用于对包括量子系统的量子硬件进行保真度定标的计算机实现的方法，所述方法包括:从量子硬件接收测量数据，其中，在由来自通用的一组量子门的门组成的随机量子电路被应用于量子系统之后，通过测量量子系统来获得所述测量数据；模拟随机量子电路对量子系统的应用，以确定所述量子系统的预期统计；以及基于量子系统的测量数据和预期统计来估计随机量子电路的保真度。

技术研发人员：J·马蒂尼斯,丁楠,R·巴布什,S·V·伊萨科夫,H·内文,V·斯梅尔扬斯基,S·B·卡斯特里洛
受保护的技术使用者：谷歌有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15