噪声是制约目前量子计算机性能的核心因素。量子基准测试可以提供量子门的噪声信息，并用其校准和优化量子门操作以提高其保真度。当前主流的基准测试方案是随机基准测试（randomized benchmarking）以及它的变种。这些方案通过运行随机线路来简化噪声类型，从而可以比较容易的从测量信号中获得噪声的平均错误率。但是这些方案有如下缺点：1不能直接得到目标门的噪声信息；2只适用于特定集合的量子门；3不能直接得到相干错误的信息。
图2：一个Fsim门的基准测试。
图3：一个10比特Ising演化算符的基准测试。
为解决以上困难，我们提出了一种全新的基准测试方案，命名为信道谱基准测试（channel spectrum benchmarking （CSB）），方案流程如图1所示。该方案通过测量带噪量子门对应的量子信道的本征值来获取噪声信息，通过和理想量子门的本征值比较，我们可以得到目标量子门的过程保真度（也就是平均保真度）、随机保真度（也就是相干性）以及一些量子门相干参数。该方案对态制备和测量错误不敏感，可以表征通用的量子门，并且可以扩展到多比特系统。我们通过几个模拟实验来展示该方案的性能，比如两比特Fsim门（图2），10比特的Ising演化算符（图3）。可以看到，该方案准确地估计出了量子门的噪声信息。我们相信该基准测试方案结合量子门校准可以为发展更加干净和大规模的量子器件提供重要帮助。清华大学刘东副教授和博士后顾炎武（北京量子院/清华大学联合培养，已出站）为论文的通讯作者，顾炎武博士也是论文的第一作者，其他作者还包括北京量子院庄伟峰博士后和柴绪丹博士后。该工作得到了北京市自然科学基金、国家自然科学基金以及科技部科技创新2030量子通信与量子计算机重大项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41598-8
