在噪声量子设备上利用泡利检验进行期望值估计的外推方法

《IEEE Transactions on Quantum Engineering》：Extrapolating Pauli Checks for Expectation Value Estimation on Noisy Quantum Devices

　　

摘要：

Pauli Check Sandwiching（PCS）是一种错误检测方案，通过插入成对的奇偶校验来保护量子电路，并丢弃那些表明存在错误的序列。然而，每增加一个校验都会引入噪声，并使采样成本呈指数级增长。为了解决这些限制，我们提出了Pauli Check Extrapolation（PCE）这种错误缓解技术，它从具有不同数量校验的电路中获取测量得到的期望值，并类似于ZNE方法，将其外推到“最大校验”极限——即实现单位保真度所需的理论校验数量。我们测试了线性和指数形式的假设，并根据马尔可夫错误模型推导出指数形式。在对具有模拟退极化噪声的随机Clifford电路进行基准测试时，发现PCE在处理较大规模电路时优于ZNE。在真实的IBM硬件上，PCE的准确率可达到99.2%（比基线提高了56.2%），而ZNE的准确率为82%（比基线提高了29.1%），适用于4量子比特的电路。为了展示一个实际应用案例，我们将PCE应用于减轻经典影子测量中的错误。我们的结果表明，PCE能够实现比现有的Robust Shadow估计更高的保真度，同时通过消除校准程序的需求显著减少了所需的样本数量。我们在完全连接的拓扑结构和模拟的IBM硬件后端上验证了这些发现。