IBM量子计算机上通用纠缠门的完整量子过程层析成像

表征量子动力学是贯穿量子物理、量子信息科学和量子计算领域的基石性追求。量子门在操控输入基态及其复杂叠加态方面的精度至关重要。在本研究中，我们使用真实的量子硬件，对通用双量子比特纠缠门SQSCZ门进行了全面分析。该门融合了SWAP的平方根（$\sqrt{SWAP}$）和受控Z的平方根（$\sqrt{CZ}$）门，是构建包括受控非门在内的通用门的基础元件。我们首先阐述了量子过程层析成像（QPT）背后的理论，探讨了\textit{Choi-Jamiolkowski}同构或量子过程的Choi矩阵表示，以及利用Choi表示的QPT算法。随后，我们详细介绍了使用基于transmon的超导量子比特量子计算机实验实现SQSCZ门的过程。为了全面评估该门在含噪声中等规模量子（NISQ）计算机上的性能，我们在不同环境下进行了QPT实验，同时使用了IBM Quantum的模拟器和IBM Quantum的真实量子计算机。在我们的QPT实验中利用Choi矩阵，可以对我们的量子操作进行全面表征。我们的分析揭示了SQSCZ门具有值得称赞的保真度和噪声特性，其过程保真度分别达到了$97.27098\%$和$88.99383\%$。这些发现对推进量子计算领域的理论理解和实际应用具有重要前景。