Stima pratica della fedeltà per dispositivi quantistici rumorosi con protocolli diretti e basati sulla probabilità di sopravvivenza

Abstract degli autori

La caratterizzazione affidabile degli stati quantistici e dei processi quantistici è fondamentale per lo sviluppo di una computazione quantistica scalabile. Le tecniche di caratterizzazione standard, come la tomografia completa degli stati quantistici, diventano rapidamente impraticabili all’aumentare delle dimensioni del sistema. In questo lavoro presentiamo due protocolli di stima della fedeltà orientati al software, che evitano la ricostruzione tomografica completa pur restando rilevanti dal punto di vista sperimentale per i dispositivi quantistici rumorosi di scala intermedia. Il primo protocollo è la stima diretta della fedeltà (DFE), in cui la fedeltà tra uno stato bersaglio e uno stato preparato sperimentalmente viene stimata a partire da misurazioni di Pauli campionate mediante campionamento per importanza. Il secondo è un metodo basato sulla probabilità di sopravvivenza, che ricostruisce la fedeltà a partire da momenti accessibili sperimentalmente di un’evoluzione rumorosa e del suo inverso approssimato, ed è intrinsecamente robusto agli errori di preparazione e misurazione dello stato (SPAM). Discutiamo i fondamenti teorici di entrambi gli approcci, ne analizziamo la sensibilità al rumore e presentiamo evidenze numeriche su stati multiqubit rappresentativi in presenza di canali depolarizzanti, di dephasing e di damping dell’ampiezza. Per la DFE mostriamo che una correzione che tiene conto dell’attenuazione migliora la robustezza al rumore di misurazione. Per l’approccio basato sulla probabilità di sopravvivenza mostriamo che uno sviluppo ottimizzato in $L_2$ supera nettamente il troncamento ingenuo della serie di Taylor nei regimi ad alto rumore.