一种容错实现通用量子计算的方法技术

本发明专利技术涉及量子信息领域，具体公开一种容错实现通用量子计算的方法，首先获取较多数目的非稳定子态cosθi|0>+sinθi|1>；以这些非稳定子态cosθi|0>+sinθi|1>为辅助态，经过Clifford群中的操作，容错实现Non-Clifford门，进而实现通用量子计算。采用该方法确保量子计算具有可靠性的处理系统，并提高了运算速度。本方法涉及用容错方式实现Non-Clifford门进而克服量子消相干问题达到通用量子计算的方法；使得容错通用门集中的Non-Clifford门更为稠密，使完成量子计算目标时所需消耗时间更短资源更少。

【技术实现步骤摘要】
一种容错实现通用量子计算的方法
本专利技术涉及量子信息量子计算领域，更具体地，涉及一种普适有效的容错实现通用量子计算的方法。
技术介绍
经典的摩尔定律终将走向极限，承接它的将是量子计算。量子计算由于其纠缠性和相干叠加性而具有强大的并行计算的能力，能够解决一些经典计算中不能够解决的问题，因此引起了人们广泛关注。如2012年诺贝尔物理学奖得主SergeHaroche和DavidJ.Wineland分别利用微米量级的高反射光学微腔实现了单个原子辐射光子的操作，以及利用可结合激光冷却技术，在离子阱中实现了单个离子的囚禁。他们突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能；近年来D-Wave公司推出了系列商用量子计算机D-WaveOne，D-WaveTwo等。此外中国在量子计算与量子模拟方向上也是取得一定成绩的，如中科大潘建伟院士研究小组，用一套全新的实验技术实现了八光子簇态的拓扑量子纠错，使我国在光子计算机方面达到国际领先水平。此外他们还在国际上首次成功实现了用量子计算机求解线性方程组的实验，使其可用于高准确度的气象预报等。量子计算机的前景光明，但仍面临着一系列现实困境。如由于系统的演化以及环境的影响，其纠缠相干性很容易被破坏，也就是说不可避免要遭受噪声的影响。如何克服噪声，保护信息不被丢失破坏。目前人们提出各种方案，如抗消相干子空间的方法(只能针对特定类型的错误)；拓扑量子计算的方法(不能够实现量子通用性)，以及容错量子计算的方法。容错量子计算是指单个错误在每个编码块内只能引起至多一个差错，而且每个编码块内的单个错都可以被检测纠正，这一特性也被称为横截性。首先介绍下PauliX,Y,Z算子为Clifford群操作可以定义为将Pauli群中的算子映射到Pauli群自身的一些操作，如相位门Hardmard门受控非门以及反向受控非等，通俗些讲就是比较容易实现的操作，我们一般视作这些操作是可以完美实现的，也即Clifford群操作可自动满足容错性要求。然而根据Gottesman-Knill定理，Clifford群操作可以被经典计算模拟，进而不能显示量子计算机的优势。要想实现量子计算的通用性，就需要有Non-Clifford门的加盟，容错量子计算一般适用于一些离散门集，也即用Clifford操作加上一个或几个Non-Clifford门构成容错通用量子计算门集。Non-Clifford门是与Clifford群门相对的一些门，一般容错性较差，容易造成错误的累积，不能够横截实施，最常用的有Toffoli门(即受控受控非门)，π/8门以及这里我们主要用到的绕Z轴Rz(θ)以及绕X轴的旋转门Rx(θ),θ指π的非整数倍。想要实现容错通用量子计算，一个重点方案就是找到更有效的，消耗更少且可以容错实施Non-Clifford门的方法。魔幻态是这样一类非稳定子态：通过一定纯化程序仅用Clifford群里的操作以及Pauli基中的测量就可以从较多数目的保真度较低的辅助态中获得较少数目具有更高保真度的量子态；有这些态的协助再加上Clifford群里的操作以及Pauli基中的测量就可以构成容错通用量子计算。现有典型的魔幻态有以及借用魔幻态来构筑Non-Clifford门的方案繁多，如SergeyBravyi和AlexeiKitaev提出的用魔幻态实现绕Z轴旋转-π/4，和-π/6门的操作，LandahlAJ等人借用魔幻态的纯化程序构造绕Z轴旋转的复杂指令集从而构成通用量子计算的方案等等。这些方案都是设计完成一个或少数几个Non-Clifford门的横截实施，从而用这个Non-Clifford门与Clifford群里的操作构成通用量子计算门集。再用具体算法来完成具体计算指令，对于这些方案共同的缺憾就是资源消耗居高不下，也就是完成所需特定计算指令过程所需要消耗的门的数目太多。而目前的量子计算机仅能实现几个量子比特位的操控，所以简化算法，找到消耗资源更少的实现通用量子计算的方法迫在眉睫。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术容错通用量子计算的不足，本专利技术提出一种通用的实现容错通用量子计算的方法，采用该方法能够横截实施从而有效克服量子计算机噪声问题，具有空间时间资源消耗低的特点。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种容错实现通用量子计算的方法，第一阶段是设计不同的可以容错实施的线路来获得较多数目的非稳定子态；第二阶段是以第一阶段中获得的非稳定子态做辅助态，对任意输入实现绕Z轴，X轴旋转的Non-Clifford门的操作，用这些Non-Clifford门的操作以及Clifford群中的操作构成通用门集，实现任意幺正算子，进而实现通用量子计算。即首先获取较多数目的非稳定子态cosθi|0>+sinθi|1>；以这些非稳定子态cosθi|0>+sinθi|1>为辅助态，经过Clifford群中的操作，容错实现Non-Clifford门，进而实现通用量子计算。在本方法中，所述非稳定子态cosθi|0>+sinθi|1>的获取方式为:1)全部以魔幻态H0为输入态，经过相应Clifford群中的反向受控非，Hardmard门，以及Pauli基中的测量，得到系列非稳定子态；2)以系列，Tj系列为初始输入，经过仅一个反向受控非的操作，以及PauliZ基下的测量，输出系列非稳定子态；3)以上述任意两个非稳定子态为输入，经过Clifford群中的操作，得到输入角度相加减的非稳定子态。在本方法中，实现绕X轴以及绕Z轴旋转的Non-Clifford门；以绕Z轴旋转的实现，非稳定子态cosθi|0>+sinθi|1>为辅助态，经过相位门K，Hardmard门，以及反向受控非门的作用之后，在PauliZ基下测量第一个量子比特，根据结果0或者1，得到对任意态实现Rz(±2θi)的操作；以绕X轴旋转的实现，非稳定子态cosθi|0>+sinθi|1>为辅助态，经过相位门K，PauliZ门，以及反向受控非门的作用之后，在PauliX基下测量第二个量子比特，根据测量结果0或者1，得到对任意态实现Rx(±2θi)的操作。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：采用该方法确保量子计算具有可靠性的处理系统，并提高了运算速度。本方法涉及用容错方式实现Non-Clifford门进而克服量子消相干问题达到通用量子计算的方法；使得容错量子计算里面能够横截实现的Non-Clifford门更加稠密，使量子计算过程更简便，且完成量子计算目标时所需消耗时间更短资源更少。想象一下，就如同在铸造测量物体质量的天平的砝码一样，由于这里没有游码，要想精确便捷地测量任意质量，唯有打造更多的砝码来称量。附图说明图1、2、3为第1类产生非稳定子态的方法线路示意图。图4为第2类产生非稳定子态的方法线路示意图。图5、6为第3类产生非稳定子态的方法线路示意图。图7、8为非稳定子态的应用—实现旋转线路示意图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。以下结合附图和具体实施办法对本专利技术提出的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种容错实现通用量子计算的方法，其特征在于，首先获取较多数目的非稳定子态cosθi|0>+sinθi|1>；以这些非稳定子态cosθi|0>+sinθi|1>为辅助态，经过Clifford群中的操作，容错实现Non‑Clifford门，进而实现通用量子计算。

【技术特征摘要】
1.一种容错实现通用量子计算的方法，其特征在于，首先获取较多数目的非稳定子态cosθi|0>+sinθi|1>；以这些非稳定子态cosθi|0>+sinθi|1>为辅助态，经过Clifford群中的操作，容错实现Non-Clifford门，进而实现通用量子计算；所述非稳定子态cosθi|0>+sinθi|1>的获取方式为:1)全部以魔幻态H0为输入态，经过相应Clifford群中的反向受控非，Hardmard门，以及Pauli基中的测量，得到系列非稳定子态；以为输入态，输入三份|H0〉，经过相应Clifford操作反向受控非以及Hardmard门以及PauliZ基下测量输出非稳定子态其中具体输入三份|H0〉，然后执行相应的和操作到相应的输入态上测量得到非稳态子态输入四份|H0>，执行反向受控非，Hardmard门，在PauliZ基下测量测量输出非稳定子态2)以系列，Tj系列为初始输入，经过仅一个反向受控非的操作，以及PauliZ基下的测量，输出系列非稳定子态；选择不同输入态，经过一个反向受控非，在PauliZ基下测量第一个量子比特，根据不同的测量结果，得到相应不同的非稳定子态；以下分析讨论不同输入情况下的输出：A.输入两个|H0>＝cosθ0|0〉+sinθ0|1〉,当测量结果为0时，得到输出|H1>，设输入分别为|H0>和|Hj>，|Hj〉＝cosθj|0>+sinθj|1>,tanθj＝tanj+1θ0，根据测量结果0或1，输出结果分别为|Hj+1>或|Hj-1>；假设通过连续地应用这一线路，将会得到一系列含有θ＝arctanxn,n＝1,2…这些角度的态；B.与|Hj>相似，定义tanθj＝tanj+1θ0,开始将两个|T0>作为输入，接着输入|T0〉，|Tn>，不断应用，得到一系列输出|Tj〉，分析|Tj>，得到结论：j＝4n+1(n＝0,1,2…)时，|Tj〉＝cosθj|0>±isinθj|1>；由此需要Z或者ZK作用到该量子态上，以得到目标态cosθj|0>+si...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴向艳，徐艳玲，张智明，於亚飞，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44