Quantum information processing, that is, information processing that relies its principles on the laws of quantum mechanics can go beyond the limitations of today's information technologies. One of the challenging problems toward realizing practical quantum information applications is to tackle the intervention of quantum noise. The currently available quantum technologies, however, contain noise in all the steps such as preparation, manipulation, and measurement of qubits, dubbed noisy intermediate-scale quantum (NISQ) technologies. In NISQ systems, errors may occur due to unwanted interactions both with an environment and within systems, for which little is yet known about verification, characterization, and quantification of the errors. In the present thesis, we present the verification of noise existing in a measurement of multiple qubits in NISQ systems by performing quantum tomography on detectors in IBMQ and Rigetti via cloud-based quantum computing services. It turns out that detectors in the NISQ devices share unwanted correlations when multiple qubits are measured, and cause the so-called measurement crosstalk errors. The correlations existing in a quantum measurement also contain entanglement whenever detectors work for more than two qubits. We also provide a method of analyzing and quantifying crosstalk errors in a quantum measurement.
양자 물리학의 법칙을 정보처리의 원리로 활용한 양자정보처리는 현재의 정보기술의 한계를 넘어 더 효율적이고 더 높은 수준의 정보기술을 구현할 수 있다. 실용적인 양자정보처리의 구현을 위해 해결해야 할 중요한 문제는 양자계에 존재하는 잡음을 규명하고 제거하는 방법이다. 실제로 현재의 양자 기술은 정보처리의 모든 단계에서 잡음을 포함한 NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum) 장비를 활용하여 구현된다. NISQ 장비는 외부환경 뿐 아니라 내부 장비의 상호작용에 의해서도 발생하는 잡음을 포함하며, 이러한 잡음의 성질과 분석 및 정량화에 대해서는 현재까지 규명된 바가 없다. 본 학위 논문은 클라우드 양자 컴퓨팅 서비스를 통해 IBMQ와 Rigetti의 측정 장비에 대한 양자 토모그래피를 수행하여 NISQ 환경의 측정에서 발생하는 잡음을 규명하고 분석한다. NISQ 환경의 양자 측정은 외부 환경 뿐 아니라 시스템 내부의 상호작용에 기인한 잡음을 포함하는 것을 밝혔고 일반적으로 누화 오류를 발생하는 것을 규명하였다. 3개 이상의 큐비트를 측정할 때 측정 장치 간에 얽힘을 포함하는 것을 규명하였다. 양자 측정에서 발생하는 누화 오류를 분석하는 정량화하는 방법을 제시하였다.
