量子设备变得越来越复杂和强大。因斯布鲁克大学的研究人员与林茨约翰·开普勒大学和悉尼科技大学合作，现在提出了一种仅使用单一测量设置即可表征大型量子计算机的方法。
表征量子设备的黄金标准是量子断层扫描，类似于医学断层扫描，可以从一系列系统快照中绘制出一个量子系统的完整图像。虽然提供了大量的见解，但断层扫描所需的测量数量迅速增加，每增加一个量子比特所需的测量数量是3倍。由于执行所有这些测量需要大量时间，断层扫描只能在具有少量量子比特的设备上进行。然而，量子计算机的最新发展已经成功地扩大了系统规模，远远超出了断层扫描的能力，使其表征成为一个令人生畏的瓶颈。
单一测量设置
由因斯布鲁克大学实验物理系 的Martin Ringbauer领导的物理学家团队，与来自Linz和Sydney的理论物理学家合作，现在已经开发并展示了一种实用的方法，可以表征即使是大规模的量子系统，只依赖单一的测量设置，与系统大小无关。这是通过部分脱离量子计算机及其经典前辈固有的二进制计算来实现的。事实上，用于量子信息处理的原子离子的特征远不止是人为限制的两个量子比特级别。参与更多级别有可能为每个粒子存储更多信息。
“因此，将量子比特扩展到四级量子夸脱使我们能够一次性存储和测量断层扫描所需的全部信息，”因斯布鲁克物理学家 Roman Stricker 说。将这种测量方式与最初由约翰内斯·开普勒大学林茨分校的 Richard Küng 及其同事开发的名为“经典阴影”的数据分析方法相结合，该团队展示了一种高效的表征方法。使用组合技术，他们第一次能够实时完整地表征一个8量子比特系统。Küng 强调，他们的框架有可能实现对未来大型设备的实时表征，这是朝着量子计算机可扩展性迈出的重要一步。
广泛适用的技术
主要的技术挑战是将量子比特信息精确地转换为ququart的四种状态，然后在一次实验中提取它。“到目前为止，我们的读出能力每次检测只能区分两个级别，因此我们调整了我们的设置，以便我们可以连续检测三次以识别所有四个级别”，因斯布鲁克大学的 Michael Meth 解释说。Thomas Monz 解释说：“我们通过对快速相机读数进行编程，并通过采用额外的激光冷却步骤来抵消检测引起的离子加热，设法克服了这个问题。” 这些适应对于防止在扩展检测过程中丢失量子信息至关重要。Innsbruck团队的负责人Martin Ringbauer强调，“这项工作中开发的所有构建模块都很容易适用于其他能够访问更高维信息载体的量子计算机架构”。
这项研究工作发表在《PRX量子》杂志上，由奥地利科学基金FWF、通过SFB BeyondC、奥地利研究促进机构FFG和欧盟等资助。
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