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实验量子信息处理领域发展迅速，从大约二十年前基本构建模块的演示到如今推动功能信息处理器发展的卓有成效的应用。虽然如今的应用已经进入了传统设备受到挑战的领域，但在有意义的工业或科学问题中展示量子优势仍然是一项悬而未决的任务。这部分是由于系统尺寸相对较小以及门操作的质量。随着在设计越来越大的量子设备方面不断取得进展，人们的关注点已经从原理演示转向能够大规模部署量子机器。设计、方法和设备的可扩展性已成为持续发展的主要考虑因素。在本文中，我们利用基于 40 个 Ca + 离子串的中型设备来解决当今设备的可扩展性挑战，这些离子串被限制在线性 Paul 陷阱中。然而，这里介绍的所有方法都是与硬件无关的，并且可以同样应用于不同的平台。一个关键挑战是，当量子计算机在无法进行传统检查的状态下运行时，如何确保其输出正确。至关重要的是，现有方法在认证系统规模超过少数信息载体（即所谓的量子比特）时会消耗大量资源。另一个关键挑战是开发即使部分量子比特丢失也能保持设备正常运行的概念。本论文报告的第一个实验展示了一种可扩展的表征方法，可以从单一测量设置中获得多量子比特系统的完整断层扫描信息。这是通过扩大底层希尔伯特空间来实现的，并且与系统大小无关。在后处理方面，我们用所谓的“经典阴影”分析的改编版本来补充这种单一设置断层扫描，以比标准方法快几个数量级的方式有效地预测密度矩阵的任意多项式函数。虽然系统表征对于改进设置功能至关重要，但大型设备的缺点是某些问题的计算结果无法再在经典模拟中得到确认。第二个实验基于一种新理论，展示了通过纯经典方法验证量子计算。此外，量子系统无法完全与环境隔离，因此总是容易出错。虽然量子纠错有望克服固有的噪声限制，但现有协议仅限于纠正改变逻辑状态的错误。然而，现实中的量子计算机不仅会遭受此类计算错误，而且以相当的速率，可能会完全丢失存储的信息或信息载体。我们提出了第一个实时纠正量子比特损失的确定性实验。这第三项工作标志着朝着纠错量子信息处理器迈出了重要一步。我们的损失实验还具有按顺序测量和经典前馈的特点，这在现代半经典算法中越来越普遍。虽然这种实验结构越来越容易获得，但它的时间演化可能会偏离幺正性，不再能用标准工具来描述。在第四项工作中，我们
大规模量子系统的表征、验证和保护
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