保真度(Fidelity):衡量量子邏輯閘的指標

作者:
林昱誠(Yu-Cheng Lin)
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# 保真度(Fidelity):衡量量子邏輯閘的指標 量子電腦在真實的工作環境會受到許多因素影響,例如 qubit 乾不乾淨、環境乾不乾淨、雷射引入的擾動等等,為了評估實際量子邏輯閘的表現與理想表現的距離差多遠,我們定義了 gate fidelity 指標(保真度,$F$),可以想成這 quantum gate 的錯誤率多少。 Fidelity 是介於 0~1 的數字,通常用百分比表示,即 0~100%。100% 表示 gate 與完美的 quantum gate 一模一樣,0% 則表示這閘錯得非常離譜。 ## Fidelity 的計算 Fidelity 的定義看似簡單,但他的計算方法百家爭鳴,每種公式算出來的結果都不一樣。以下是教科書常會介紹的公式: \begin{split} F(\rho,\sigma)&=tr{\sqrt{\sqrt{\rho}\sigma\sqrt{\rho}}}\\ &\text{or} \\ F(\rho,\sigma)&=(tr{\sqrt{\sqrt{\rho}\sigma\sqrt{\rho}}})^2 \end{split} tr 代表矩陣的 trace(跡),即矩陣上對角線的數字(元素)都加起來,$\rho$ 和 $\sigma$ 哪個是真實 quantum gate,哪個是理想 quantum gate 沒差,因為算出來的數字都一樣
這邊只有列出 state fidelity,實際上還有 unitary gate fidelity 和 process fidelity 等等
## Fidelity 的測量 將 Fidelity 的公式應用於實際物理系統上是一門學問,因此測量方法也是一堆,常常實驗結果與理論不一定對得上,畢竟這是個發展中的領域,以下介紹兩種常用的方法: ### Quantum process tomography 這種方法能夠全面地測量 quantum gate 的 fidelity,但對於所有 errors 太敏感,包括初始化和測量過程中可能的錯誤,但我們的重點在於邏輯閘操作這這段過程有多少錯誤,也因為對錯誤太敏感,得出來的數字都偏低。 ### Random Benechmark 為了更真實地反映邏輯閘操作的錯誤率是多少,Joseph Emerson 提出了這種方法。它幫助研究者區分錯誤的來源,是操作上引進的錯誤,還是系統本身的 noise 引起的錯誤。 ## Fidelity 的標準 量子電腦的 fidelity 要多高才算好?一般來說,量子電腦的論文中會列出 "fidelity of 1-qubit gate" 和 "fidelity of 2-qubit gate",由於 2-qubit gate 涉及到糾纏(或耦合),通常 2-qubit gate 的 fidelity 比 1-qubit gate 低。 要做出能用的量子電腦,fidelity 至少要 99%(口語上常用 two nines 表達),這樣才能使用 quantum error correction 來進一步降低錯誤率,要做到 fault tolerance,fidelity 至少要 99.9%(口語上常用 three nines 表達)。
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