出处已验证第 3 级
门保真度
门保真度是硬件执行的物理操作与它应实现的理想逻辑门相一致的概率。
这是什么意思
在电路层，门是完美的数学对象——CZ门就是矩阵 diag(1, 1, 1, −1)，没有噪声也没有时间。但在真实硬件上，同一个门是持续约40纳秒的模拟微波（或磁通）波形，其振幅、时序和包络形状决定了实际操作与理想矩阵的接近程度。门保真度量化这种接近程度：它是硬件执行的物理操作与理想逻辑操作相一致的概率。保真度99.92%意味着每1万次操作约有8次错误。截至2026年，领先的超导处理器以99.9%以上的保真度为目标，而两量子比特门是瓶颈——它们比单量子比特门难得多，且每条连接（量子比特对）的数值各不相同并随时间漂移。平均保真度用随机化基准测试（RB）测量，特定门的保真度用交错RB（Interleaved RB）测量。保真度还蕴含一个权衡：门太快会泄漏到更高能级，门太慢则会失去相干性。生活类比
乐谱（电路图）上写的CZ是一个完美的音符；硬件演奏出的CZ是一段真实的40纳秒波形。保真度就是"演奏与乐谱有多接近"——同一个音符，不同的手指弹出不同的质量，保真度99.92%意味着每弹1万个音有8个错音。
保真度（英文fidelity，又作忠实度）源自拉丁语 fidelis（"忠诚的"）——与Hi-Fi音响（"高保真声音"）中的Fi是同一个词。汉字写作忠實度：忠（忠诚）＋實（真实）＋度（程度），即"对理想有多忠实的程度"。正如高保真音响忠实还原原始录音，高保真度的门忠实再现理想操作。
常见误解
- 保真度不等于校准数据——校准数据是脉冲参数本身（频率、振幅、持续时间），而保真度是给最终操作打分的质量指标。人们经常混淆这两者。
- 单个保真度数字掩盖了内部结构：单量子比特门和两量子比特门的保真度差异很大（两量子比特门难得多），而且每条连接的数值各不相同并随时间漂移。
要点总结
- 门保真度是硬件执行的物理操作与理想逻辑操作相一致的概率。
- 截至2026年，领先处理器以99.9%以上的门保真度为目标；两量子比特门是瓶颈。
- 平均保真度用随机化基准测试（RB）测量；特定门的保真度用交错RB测量。
- 保真度99.92%意味着每1万次操作约8次错误——单个门微不足道，但数千个门叠加后会复利式累积。
检验你的理解
某个门的保真度为99.92%。应用该门1万次，平均有多少次会偏离理想操作？
- A.0.8次
- B.8次
- C.80次
- D.800次
查看答案
答案: B. 8次
原因: 错误率为 1 − 0.9992 = 0.0008，0.0008 × 10,000 = 8次。
哪种技术测量的是某个特定门（如CNOT）的保真度，而不是整个门集合的平均值？
- A.标准随机化基准测试（RB）
- B.交错随机化基准测试（Interleaved RB）
- C.拉姆齐干涉法
- D.谱学测量（spectroscopy）
查看答案
答案: B. 交错随机化基准测试（Interleaved RB）
原因: 标准RB给出随机序列上的平均值；交错RB把目标门插入随机门之间并比较衰减率，从而分离出该门的保真度。
先修概念
一次文献: Magesan, Gambetta & Emerson, Phys. Rev. Lett. 106, 180504 (2011), doi:10.1103/PhysRevLett.106.180504
Average gate fidelity via RB per Magesan 2011; definition per Nielsen, Phys. Lett. A 303, 249 (2002).