新的“指纹”技术可在部署前揪出有缺陷的量子硬件

利用星形网络，研究人员找到了一种方法来认证量子计算机核心操作。

量子计算长久以来一直内含一个悖论：如果一台量子计算机最终解决了任何经典计算机都难以应付的问题，人们又怎能知道它的答案是否正确？

挑战并不仅限于核对最终结果。研究人员还需要知道量子硬件本身是否真的做到了它所宣称的事情。

格但斯克大学的博士后研究员舒巴扬·萨卡尔表示：“量子计算机带来了一种根本不同的挑战。由于人们期待它们解决超出经典计算机能力范围的问题，或许根本就不存在一种有效的经典方法来为它们设立基准。”

如今，格但斯克大学博士后研究员舒巴扬·萨卡尔的一项新研究提出了一种方法，可以在不依赖对机器内部设计详尽了解的情况下，验证量子计算机最重要的构件之一——量子门。

这项工作解决了一个该领域内基本上仍未解决的问题，并可能最终使未来的量子处理器变得远为可信。

将量子验证转化为网络问题

萨卡尔的解决方案建立在早期研究的基础上，这些研究显示量子态和测量可以借助一种称为量子非定域性的现象进行自测试。

非定域性允许相距遥远的量子系统产生仅凭经典物理无法解释的关联，对其进行的实验验证助力赢得了2022年诺贝尔物理学奖。

通过分析这些关联，研究人员无需打开系统、检查其硬件，就能认证一个系统是真正的量子系统。

在先前的工作中，萨卡尔及其同事开发出了一种能够自测试任意量子态和测量的方法。

这项新研究将这一思想扩展到了量子操作，具体来说是幺正门。幺正门是一种在操纵量子信息的同时又能将其保存下来的数学运算，这使其成为量子逻辑门的理想表示。

正如萨卡尔所解释的：“由于任何量子计算机都将建立在本质上就是幺正门的量子芯片之上，因此自测试幺正门就是在认证量子计算机的‘砖块’。”

简而言之，验证它们对于证明量子处理器正在正常运行至关重要。

用于测试量子门的星形网络

为了实现这一点，萨卡尔设计了一种基于网络的认证方案。想象一台中央服务器，以星形排列方式与多个外部节点相连。在服务器与每个外部节点之间，放置着一个可以开启或关闭的量子门。

当门关闭时，研究人员首先使用专门设计的贝尔不等式——一种能揭示观测到的行为是否只能用量子力学解释的数学检验——来认证外部节点及其量子连接。

一旦这些周围组件得到验证，就将门重新开启。由于网络的其余部分已经过认证，研究人员可以利用所产生的统计模式来判断门本身是否在正确运行。

更重要的是，所有数据都在单次实验中收集，然后一并分析，以认证每一个组件。

这项研究实际上给出了该协议的两个版本。较简单的版本被称为“准设备无关”方案，原则上只要门不把量子态移出其原始数学子空间，就可以自测试任何量子幺正门。

这使得它实施起来显著更容易，同时仍避免对处理器内部硬件做出细致的假设。

每个量子操作都留下独一无二的指纹

研究人员还开发了一个完全设备无关的协议版本。这种方法更严格，但也要求更高，因为它需要在网络中添加额外的量子隐形传态链路。这些链路本身必须通过进一步的贝尔检验得到认证，然后门验证流程才能继续进行。

使得这项工作尤为重要的一点是支撑这两种方案的理论结果。萨卡尔证明，每一个量子操作都与一组独特的可观测关联相对应。

简而言之，每个量子门都会留下自己独特的统计指纹。通过检查实验中产生的关联，科学家可以确定是否是一个特定的门——而非其他门——产生了观察到的行为，除了少数无法通过实验消除的不可避免的歧义之外。

这种能力对于缺乏在国内制造先进量子处理器的资源或基础设施的发展中国家和组织来说，可能格外宝贵。

随着量子技术日趋普及，许多实体可能需要从外国供应商那里进口量子芯片，并将其集成到自己的计算平台中。与其仅依赖制造商的声明，他们可以采用像这样的认证方法，独立验证进口硬件是否完全按预期运行。

在量子时代建立信任

这项工作尚处于原理验证阶段，而非一项准备就绪的可部署技术。尽管小规模星形量子网络已在实验上得到演示，但该研究描述的完整认证协议尚未在真实的量子处理器上进行测试。

该方法还依赖多次贝尔检验以及对独立量子源的假设，这可能使大规模实施变得具有挑战性。尽管如此，其影响是重大的。

随着各国政府和科技公司在量子计算领域投入数十亿美元，对验证、透明度和可靠性的关切正变得日益重要。

近期围绕微软基于马约拉纳费米子的量子技术所声称成果的争论，凸显了外部人士独立评估新兴量子硬件性能有多么困难。一个稳健的认证框架可以为评估此类声明提供一种客观的方式。

萨卡尔的下一个目标是让该协议更加实用，即减少所需的贝尔检验次数，并确保即便存在真实世界的噪声和不完美因素，它依然保持可靠。

他还希望将这一方法适配到可公开访问的量子计算平台，例如 IBM Quantum 所提供的那些平台。如果成功，用户有朝一日将能验证量子计算机执行的操作，而无需信任运营它的公司。

萨卡尔总结道：“这不仅能为这些公司的量子计算设立基准，还能增加公众对量子计算的信任。”

这项研究发表在《物理评论快报》期刊上。

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