[论文解读] Device-Independent Inference of Physical Devices: Theory and Implementation

Michele Dall’Arno, Francesco Buscemi+1 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2018

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 1

一句话总结

本文提出了一种无需事先了解输入态或测量设置的器件无关方法，用于重建量子通道，仅通过观察数据推断器件行为，采用最小解释准则以最小化假设。该方法具有解析可解性，并在超导量子比特上通过实验验证，实现了无需量子层析假定的高保真度量子通道重建。

ABSTRACT

Given a physical device as a black box, one can in principle fully reconstruct its input-output transfer function by repeatedly feeding different input probes through the device and performing different measurements on the corresponding outputs. However, for such a complete tomographic reconstruction to work, full knowledge of both input probes and output measurements is required. Such an assumption is not only experimentally demanding, but also logically questionable, as it produces a circular argument in which the characterization of unknown devices appears to require other devices to have been already characterized beforehand. Here, we introduce a method to overcome such limitations present in usual tomographic techniques. We show that, even without any knowledge about the tomographic apparatus, it is still possible to infer the unknown device to a high degree of precision, solely relying on the observed data. This is achieved by employing a criterion that singles out the minimal explanation compatible with the observed data. Our method, that can be seen as a device-independent analogue of tomography, is solved analytically and experimentally tested in an actual implementation with superconducting qubits for a broad class of quantum channels.

研究动机与目标

• 为克服量子层析中的循环依赖问题，即器件表征需要预先表征的探测态和测量装置。
• 在不假设已知输入态或测量装置的前提下，实现对未知物理器件输入输出行为的完整重建。
• 开发一种理论严谨且实验可行的器件无关方法，用于表征量子器件。
• 在超导量子比特等真实量子硬件平台上，展示该方法的可行性和准确性。

提出的方法

• 该方法采用一种准则，选择与观察数据兼容的最小解释，从而有效最小化对器件和测量装置的假设。
• 将重建问题表述为对量子通道的优化问题，受观察到的统计结果约束，而无需了解输入态或测量算符。
• 该方法利用量子通道的结构和观察数据，通过凸优化框架推断器件的作用。
• 理论推导表明，在一般条件下，最小解释能唯一确定正确的通道。
• 该方法在实验中通过超导量子比特实现，其中使用随机化的输入态和测量结果来推断通道。
• 通过将推断的通道与已知基准进行比较，对重建结果进行验证，展示了高保真度和鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不了解输入态或测量设置的前提下，完全表征一个量子器件？
• RQ2 何种准则可确保推断的器件模型既最小化又与观察数据兼容？
• RQ3 仅使用观察到的统计结果，无需层析假定，能否高精度重建量子通道？
• RQ4 所提出的该方法是否可在真实量子硬件平台（如超导量子比特）上实现？
• RQ5 在缺乏器件表征的情况下，最小解释原则与真实物理通道之间存在何种关系？

主要发现

• 该方法仅使用观察到的输入输出统计结果，无需了解输入态或测量装置，即可以高保真度重建量子通道。
• 在一般条件下，最小解释准则能唯一识别出正确的通道，避免过拟合和循环依赖。
• 理论分析证实，该解在噪声和有限采样下具有解析可解性和稳定性。
• 在超导量子比特上的实验实现表明，该方法能准确重建一大类量子通道。
• 结果表明，器件无关推理的性能可与标准层析相媲美，但无需校准的探测态或测量装置。
• 该方法对实验不完美具有鲁棒性，并为表征未知量子器件提供了一个自洽的框架。