В условиях быстро развивающегося рынка квантовых технологий обеспечение функциональности и надежности квантовых устройств имеет решающее значение. Способность определять характеристики этих устройств с высокой точностью и скоростью необходима для их эффективной интеграции в квантовые схемы и компьютеры, что влияет как на фундаментальные исследования, так и на практическое применение.

Определение характеристик помогает определить, работает ли устройство должным образом, что необходимо, когда устройства обнаруживают аномалии или ошибки. Выявление и устранение этих проблем имеет решающее значение для продвижения разработки будущих квантовых технологий.

Традиционно ученые полагались на квантовую технологическую томографию (QPT), метод, который требует большого количества "проекционных измерений" для полной реконструкции работы устройства. Однако количество требуемых измерений в QPT квадратично зависит от размерности операций, что создает значительные экспериментальные и вычислительные проблемы, особенно для многомерных квантовых информационных процессоров.

Исследовательская группа Оттавского университета впервые разработала оптимизированный метод, названный томографией квантовых процессов Фурье (FQPT). Этот метод позволяет получить полную характеристику квантовых операций с минимальным количеством измерений. Вместо выполнения большого количества проективных измерений, FQPT использует хорошо известную карту, преобразование Фурье, для выполнения части измерений в двух разных математических пространствах. Физическая взаимосвязь между этими пространствами расширяет информацию, извлекаемую из отдельных измерений, что значительно сокращает количество необходимых измерений. Например, для процессов с размерами 2d (где d может быть сколь угодно большим) требуется всего семь измерений.

Чтобы проверить правильность своей методики, исследователи провели фотонный эксперимент с использованием оптической поляризации для кодирования кубита. Квантовый процесс был реализован как сложное пространственно-зависимое преобразование поляризации с использованием новейшей жидкокристаллической технологии. Этот эксперимент продемонстрировал гибкость и надежность метода.

"Экспериментальная проверка - это фундаментальный шаг к проверке устойчивости метода к шуму, обеспечивающий надежную и высокоточную реконструкцию в реалистичных экспериментальных сценариях", - сказал Франческо Ди Коландреа, научный сотрудник Университета Оттавы.

Этот новый метод представляет собой значительный прогресс в квантовых вычислениях. Исследовательская группа уже активно работает над распространением FQPT на произвольные квантовые операции, включая неэрмитовы и многомерные реализации, а также над внедрением методов искусственного интеллекта для повышения точности и сокращения объема измерений. Этот новый метод представляет собой многообещающий путь для дальнейшего развития квантовых технологий.