La evaluación comparativa aleatoria es un método para evaluar las capacidades de las plataformas de hardware de computación cuántica mediante la estimación de las tasas de error promedio que se miden bajo la implementación de largas secuencias de operaciones de puerta cuántica aleatorias . [1] Es el estándar utilizado por los desarrolladores de hardware cuántico como IBM [2] y Google [3] para probar la validez de las operaciones cuánticas, que a su vez se utiliza para mejorar la funcionalidad del hardware. La teoría original de la evaluación comparativa aleatoria [1] asumió la implementación de secuencias de Haar-randomu operaciones pseudoaleatorias, pero esto tenía varias limitaciones prácticas. El método estándar de evaluación comparativa aleatoria (RB) que se aplica hoy en día es una versión más eficiente del protocolo basada en operaciones de Clifford uniformemente aleatorias , propuesto en 2006 por Dankert et al. [4] como una aplicación de la teoría de diseños en T unitarios . En el uso actual, la evaluación comparativa aleatorizada a veces se refiere a la familia más amplia de generalizaciones del protocolo de 2005 que involucran diferentes conjuntos de puertas aleatorias [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [ 14]que puede identificar varias características de la fuerza y el tipo de errores que afectan las operaciones elementales de la puerta cuántica. Los protocolos de evaluación comparativa aleatoria son un medio importante para verificar y validar las operaciones cuánticas y también se utilizan de forma rutinaria para la optimización de los procedimientos de control cuántico. [15]
La evaluación comparativa aleatoria ofrece varias ventajas clave sobre los enfoques alternativos para la caracterización de errores. Por ejemplo, el número de procedimientos experimentales necesarios para la caracterización completa de errores (llamado tomografía ) crece exponencialmente con el número de bits cuánticos (llamados qubits ). Esto hace que los métodos tomográficos no sean prácticos incluso para sistemas pequeños de solo 3 o 4 qubits. Por el contrario, los protocolos de evaluación comparativa aleatorios son los únicos enfoques conocidos para la caracterización de errores que escalan de manera eficiente a medida que aumenta el número de qubits en el sistema. [4]Por tanto, RB se puede aplicar en la práctica para caracterizar errores en procesadores cuánticos arbitrariamente grandes. Además, en la computación cuántica experimental, los procedimientos para la preparación y medición de estados (SPAM) también son propensos a errores y, por lo tanto, la tomografía de proceso cuántico no puede distinguir los errores asociados con las operaciones de puerta de los errores asociados con el SPAM. Por el contrario, los protocolos RB son resistentes a errores de medición y preparación de estados [1] [7]
Los protocolos de evaluación comparativa aleatoria estiman las características clave de los errores que afectan un conjunto de operaciones cuánticas al examinar cómo la fidelidad observada del estado cuántico final disminuye a medida que aumenta la longitud de la secuencia aleatoria. Si el conjunto de operaciones satisface ciertas propiedades matemáticas, [1] [4] [7] [16] [10] [11] [12] tales como una secuencia de giros [5] [17] con dos diseños unitarios , [4] entonces se puede demostrar que la caída medida es una exponencial invariante con una tasa fijada únicamente por las características del modelo de error.