Multiple-shot discrimination of quantum unitary channels and its implementation

Abstract

This thesis investigates multiple-shot discrimination of unitary quantum channels on NISQ hardware, comparing parallel, sequential, and hybrid strategies. On the theoretical side, we introduce a hybrid geometric solver for constructing optimal input states for perfect discrimination tasks. Experimentally, we observe that theoretically suboptimal circuits can outperform optimal ones on noisy quantum devices. Results obtained on 6- and 11-qubit systems with M3 error mitigation highlight the importance of hardware-aware transpilation, with high-depth, low-width circuits proving more robust than highly entangled parallel schemes. Finally, we report an unexpected anomaly on IBM hardware when evaluating purely parallel strategies.

Tato práce zkoumá vícenásobné rozlišování unitárních kvantových kanálů na NISQ hardwaru, přičemž porovnává paralelní, sekvenční a hybridní konfigurace. V teoretické části představujeme geometrický algoritmus pro nalezení diskriminátoru pro dokonalé rozlišení. Experimentální data však ukazují, že teoreticky suboptimální obvody mohou na zašuměných zařízeních dosahovat lepších výsledků. Experimenty využívající 6 a 11 qubitů s metodou zmírňování chyb M3 navíc naznačují, že hardwarově přizpůsobená transpilace je žádoucí, jelikož konfigurace s velkou hloubkou a malou šířkou se ukazují jako spolehlivější než vysoce provázaná paralelní schémata. Při testování čistě paralelních schémat se na hardwaru IBM objevila anomálie.