混合态的制备与利用在量子程序测试中的应用

《ACM Transactions on Software Engineering and Methodology》：Preparation and Utilization of Mixed States for Testing Quantum Programs

量子单元测试中引入混合态测试案例提升效率与检测能力。通过混合量子态替代纯态测试案例，在保证输入域覆盖的同时降低测试时间成本。混合态能更有效发现量子程序故障，本文提出包含混合态生成与执行的测试框架，并给出两种参数化量子电路实现混合态制备。实验表明混合态测试案例在时间和故障检测率上均优于纯态方案。

　　

摘要

由于对高质量量子程序（QPs）的需求不断增加，单元测试被用来检查量子程序的行为。在测试的量子输入方面，大多数研究将测试输入限制在纯态上，而代表纯态概率混合的混合态几乎被排除在测试过程之外。此外，在实现输入域覆盖时，需要使用大量的以纯态为输入的纯态测试用例（PSTCs），这导致测试时间成本较高。为了解决这个问题，本文探讨了使用混合态作为测试输入，以更好地利用量子信息。从输入域覆盖的角度来看，使用混合态测试用例（MSTCs）替代PSTCs可以简化测试套件，从而提高测试效率。由于混合了多个纯态，单个MSTC比PSTC更有可能检测到故障，从而提高测试效果。本文随后提出了一个单元测试框架，包括MSTCs的生成和执行。此外，本文还提出了两条指导原则和两个参数化的量子电路，用于生成所需的混合态。实证研究评估了MSTCs的性能，实验结果表明，MSTCs通常比PSTCs消耗更少的时间，并能检测到更多的故障。