中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子電路等價(jià)性實(shí)驗(yàn)研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、柳必恒等人與清華大學(xué)魏朝暉助理教授合作，實(shí)現(xiàn)了基于貝爾非局域性的量子電路等價(jià)性檢驗(yàn)。該工作于12月23日發(fā)表在國(guó)際知名期刊Physical Review Letters上。

量子電路模型是量子計(jì)算中廣泛應(yīng)用的理論模型。判斷兩個(gè)獨(dú)立量子電路能否實(shí)現(xiàn)相同功能是一個(gè)基礎(chǔ)性問題。類似于經(jīng)典計(jì)算的電路等價(jià)性問題，量子電路等價(jià)性檢驗(yàn)對(duì)于判斷量子算法編譯準(zhǔn)確性和提升量子電路優(yōu)化效率至關(guān)重要。此前，即使在量子電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)已知的情況下，等價(jià)性檢驗(yàn)仍被證明是QMA-hard問題。實(shí)際場(chǎng)景中，量子電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往不可直接觀察，使得該問題更具挑戰(zhàn)性。

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圖1.量子電路等價(jià)性檢驗(yàn)協(xié)議概念圖。

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圖2.不同3-比特量子電路等價(jià)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為解決上述難題，研究組提出了一種結(jié)合量子電路距離度量和貝爾非局域性的全新方案。該方案將待測(cè)量子電路插入標(biāo)準(zhǔn)貝爾測(cè)試中，通過測(cè)量其對(duì)非局域性的影響來(lái)度量不同待測(cè)電路之間的距離，最終完成等價(jià)性檢驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員在8×8維的光子系統(tǒng)中構(gòu)造了Hadamard門，Toffoli門組成的通用量子門集合，并利用其制備不同量子電路完成等價(jià)性檢驗(yàn)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)中量子噪聲，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了相應(yīng)的噪聲模型，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型結(jié)果高度吻合。此外，為展示等價(jià)性檢驗(yàn)在量子電路優(yōu)化中的重要作用，研究組設(shè)計(jì)了兩個(gè)門結(jié)構(gòu)不同但功能等價(jià)的量子電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其在等價(jià)性檢驗(yàn)中距離為0。

該工作是國(guó)際上首次利用貝爾非局域性進(jìn)行量子電路等價(jià)性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。值得注意的是，該協(xié)議所需量子電路運(yùn)行次數(shù)與電路規(guī)模無(wú)關(guān)，展現(xiàn)出極高的實(shí)際應(yīng)用潛力。

文章第一作者為中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生唐昊、特任副研究員郭鈺以及清華大學(xué)交叉信息研究院博士生孫維孝。本研究得到合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省和北京市的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.260602