- 研究提出新方法驗證量子計算機的量子閘，無需內部設計知識。
- 新方法基於量子非局域性現象，能自我測試量子系統。
- 驗證單位閘的正確性對量子處理器運行至關重要。
- 這項研究有助於增強對量子計算的信任，尤其在發展中國家。
量子計算長期以來內部存在一個矛盾：如果量子計算機最終能解決任何傳統機器無法處理的問題，如何確保其答案的正確性？這一挑戰不僅限於檢查最終結果，研究人員還需要確保量子硬件本身能夠按照其宣稱的方式運行。來自波蘭格但斯克大學的博士後研究員 Shubhayan Sarkar 表示：「量子計算機提出了一個根本不同的挑戰。由於它們預期能解決超越傳統計算機能力的問題，可能沒有有效的傳統方法來對其進行基準測試。」
新方法解決量子驗證問題
目前，Sarkar 提出了一種驗證量子計算機最重要的組件之一——量子閘的方法，無需依賴機器內部設計的詳細知識。這項工作解決了該領域長期以來未解決的問題，未來可能使量子處理器更具可信性。
將量子驗證轉變為網絡問題，Sarkar 的解決方案基於早期研究顯示，量子狀態和測量可以通過一種稱為量子非局域性的現象自我測試。量子非局域性，其實驗驗證促成了 2022 年物理學諾貝爾獎的頒發，使得遙遠的量子系統能夠產生無法僅通過傳統物理解釋的相關性。通過分析這些相關性，研究人員可以在不打開系統和檢查其硬件的情況下，證明系統是真正的量子系統。在之前的工作中，Sarkar 和他的同事們開發了一種能夠自我測試任意量子狀態和測量的方法，而這項新研究將這一概念擴展到了量子操作，特別是單位閘。
單位閘是一種數學操作，用於操控量子信息，同時保持其完整性，成為量子邏輯閘的理想表示。
Sarkar 解釋道：「由於任何量子計算機將基於基本上是單位閘的量子芯片，自我測試單位閘就是在認證量子計算機的『磚塊』。」簡言之，驗證這些閘的正確性對於證明量子處理器的運行正確至關重要。為了實現這一點，Sarkar 設計了一種基於網絡的認證方案。想像一個中央伺服器與幾個外部節點以星形排列相連。中央伺服器與每個外部節點之間設置了一個可開關的量子閘。當閘關閉時，研究人員首先使用特別設計的貝爾不等式對外部節點及其量子連接進行認證——這些不等式是數學測試，揭示觀察到的行為是否只能通過量子力學解釋。
一旦這些周邊組件獲得驗證，閘會再次開啟。由於其餘網絡已經獲得認證，研究人員可以利用產生的統計模式來判斷閘本身是否正常運作。
更重要的是，所有數據都在單個實驗中收集，然後一起分析以認證每個組件。這項研究實際上提出了兩個版本的協議。較簡單的版本稱為「幾乎設備獨立」方案，理論上可以自我測試任何量子單位閘，只要該閘不將量子狀態移出其原始數學子空間。這使得實施變得顯著簡單，同時避免了對處理器內部硬件的詳細假設。研究人員還開發了一個完全設備獨立的版本，這種方法更為嚴謹，但也更具挑戰性，因為它要求在網絡內部建立額外的量子隱形傳輸鏈接。
在進行閘驗證過程之前，這些鏈接必須通過進一步的貝爾測試進行認證。
這項工作的特別之處在於支持這兩種方案的理論結果。Sarkar 證明每個量子操作都與一組獨特的可觀察相關性相關。簡言之，每個量子閘都留下其獨特的統計指紋。通過檢查實驗中產生的相關性，科學家可以確定特定的閘——而不是其他閘——是否生成了觀察到的行為，除了少數幾個無法在實驗中消除的模糊性。這一能力對於缺乏資源或基礎設施以在國內製造先進量子處理器的發展中國家和組織尤其重要。
隨著量子技術的廣泛可用，許多可能需要從外國供應商進口量子芯片，並將其整合到自己的計算平台中。這樣，他們可以使用這種認證方法獨立驗證進口硬件是否正確運行。
驗證量子計算的信任基礎
在量子時代建立信任。這項工作仍然是原理驗證，而不是準備投入使用的技術。儘管小型星形量子網絡已經在實驗上得到了驗證，但研究中描述的完整認證協議尚未在真實量子處理器上進行測試。這種方法還依賴多個貝爾測試和對獨立量子源的假設，這可能使得大規模實施變得挑戰重重。儘管如此，這一影響深遠。隨著各國政府和科技公司在量子計算上投入數十億美元，對於驗證、透明度和可靠性的擔憂越來越重要。
最近圍繞 Microsoft 基於 Majorana 的量子技術的討論突顯了外部機構獨立評估新興量子硬件性能的困難。一個穩健的認證框架可以提供一種客觀評價這些聲明的方法。Sarkar 的下一個目標是通過減少所需的貝爾測試數量，使該協議更具可行性，並確保即使在現實世界的噪音和缺陷存在的情況下也能保持可靠。他還希望將這一方法調整為公開可訪問的量子計算平台，例如 IBM Quantum 提供的服務。
如果成功，使用者將能夠在不必信任運營公司的情況下，驗證量子計算機執行的操作。
「這不僅會對這些公司的量子計算進行基準測試，還將增強公眾對量子計算的信任。」Sarkar 總結道。這項研究發表於《物理評論快報》期刊上。
量子計算信任的關鍵挑戰
量子計算的發展面臨著如何確保其可靠性的挑戰，尤其是在驗證硬件的正確性方面。Sarkar 的研究提供了一種新方法，能夠在不依賴內部設計的情況下，驗證量子閘的運行。這對於依賴進口量子芯片的國家尤為重要，因為它們需要獨立驗證所使用的硬件是否正常運作。隨著量子技術的普及，建立信任將成為推動行業發展的關鍵因素。