量子计算机是一种利用量子力学现象进行计算的设备，在某些任务和优化问题上有可能超越经典计算机。近年来，学术机构和IT公司的研究团队一直在努力实现这一预测，以更好地解决特定问题，这被广泛称为“量子优势”。
为了可靠地证明量子计算机比经典计算机性能更好，除了其他事情之外，人们应该在计算机内部收集精确的测量数据，并将它们与经典计算机中收集的数据进行比较。然而，由于这两种类型的设备的不同性质，这样做有时可能具有挑战性。
美国NIST/马里兰大学、加州大学伯克利分校、加州理工学院和其他研究所的研究人员最近推出并测试了一种新的协议，可以帮助可靠地验证量子计算机的优势。该协议发表在《自然物理》杂志上，它依赖于中路测量和加密技术。
“在我看来，这项研究背后的最终灵感是量子计算机提供的计算优势是否可以有效验证的问题，”进行这项研究的研究人员之一朱岱伟告诉Phys.org。换句话说，如果量子计算机比任何经典模拟都更强大，我们如何通过交叉检验来验证它的输出?
“这可能是当前所有量子优势展示所面临的挑战。最近的突破利用加密交互证明的思想找到了这个问题的答案。”
密码学交互证明本质上是交互协议，通过该协议，经典计算机可以通过一系列问题和指令验证功能强大得多的量子计算机。朱和他的同事们使用的协议最初是在加州大学伯克利分校的研究人员之前的研究中提出的自然物理)和加州理工学院(发表于ACM学报）. 在他们最近的研究中，朱的团队进行了一个原理验证演示这些协议的执行，使用离子阱量子计算机。
“在整个交互计算过程中，我们根据它们的功能(在哪个阶段需要读出它们)将量子位排列成几个部分，”朱解释说。“在每个读出阶段，我们将目标段与其他量子位分开，并将它们传送出去执行读出。这样，存储在其他段中的相干/量子信息就可以在剩余的计算中保留下来。”
朱和他的同事所遵循的程序产生了目标片段(即他们感兴趣的量子比特)的读数。然后将这些片段与量子计算进行交互检查，以验证量子优势。
“一方面，我们成功地将中路测量集成到任意量子电路中，使用长离子链具有足够高的整体保真度，”朱说。“这可以应用于许多其他交互式算法。另一方面，我们的演示，当适当地扩展到更大的系统时，有望有效验证量子计算的优势。”
该研究小组介绍和评估的新协议与其他现有的测试量子优势的方法相比具有显着的优势。例如，与同样可有效验证的Shor算法相比，他们的协议可以用少一个数量级的量子门操作来实现。
在未来，新的交互协议可以在其他实验中实现和评估。此外，朱和他的同事们希望设计额外的交互协议来评估量子计算的其他方面和维度。
“从理论角度来看，我们现在有兴趣将交互协议应用于其他任务，如可验证随机数生成、远程状态准备和验证任意量子计算，”朱补充说。“在实验上，利用中路测量能力，我们也很高兴探索新的现象，如纠缠相变，以及相干反馈协议的演示，包括量子纠错。”
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