用于算术和函数合成的量子算法制造技术

量子电路和相关联的方法使用重复直到成功(RUS)电路来对作为在辅助量子位上编码的旋转提供的输入值执行近似乘法和近似平方。所谓的齿轮箱和可编程辅助电路被耦合以将输入值的偶数或奇数结果编码为目标量子位的旋转。在其他示例中，量子RUS电路提供与使用级数展开表示的倒数相关联的目标量子位旋转。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
量子计算机承诺用于诸如因式分解、量子模拟和优化之类的大量重要问题的大幅加速。尽管量子特性已经被证明是这些算法的强大的资源，但是这些算法中许多的基础通常归纳为具有Hadamard门的经典可逆逻辑。这对于诸如量子线性系统算法之类的算法尤其如此，其承诺指数加速，但强烈地依赖于实现经典算术。对于实际的反演问题，可能需要数百个辅助(ancilla)量子位来实现可逆地执行算术所需的算术运算。通常，算术运算的量子实现使用可逆电路来通过使用由Kitaev在“Quantumcomputations：algorithmsanderrorcorrection，”RussianMath.Surveys52：1191-1249(1998)、以及Cleve等人在“Quantumalgorithmsrevisited，”Proc.LondonSocietyofLondon(SeriesA)454：339-354(1997)中所描述的“相位反冲(phase-kickback)”方法来实现目标系统的旋转。不幸的是，基于经典算法和相位反冲的方法需要许多量子位，因此需要替代方法。
技术实现思路
量子重复直到成功(RUS)乘法电路耦合到具有与函数变量的值相关联的相位的辅助量子位。在目标量子位输出处，如果耦合到辅助量子位的测量电路指示成功，则目标量子位相位是基于耦合到具有辅助量子位的RUS乘法电路的相位的结果。否则，校正电路被耦合来对目标量子位应用校正，并且重复乘法处理。齿轮箱(GB)和可编程辅助旋转(PAR)电路可以用于乘法，并且在附加的GB或PAR电路或其组合的所选误差限制内校正任何误差项。可以基于例如Taylor级数表示来估计函数，并且RUS电路被布置为提供对应于Taylor级数表示中的项的输入值的乘法。在一些示例中，多个辅助量子位耦合到RUS乘法电路，并且目标量子位相位基于应用到具有多个辅助量子位的RUS乘法电路的相位的结果。在一些情况下，目标量子位相位对应于应用到具有多个辅助量子位的RUS乘法电路的相位的结果的偶数或奇数幂，并且基于偶数或奇数幂是否将被选择，来选择齿轮箱或PAR电路计算。校正电路可以包括至少一个Clifford门。下面参照附图阐述本公开的这些和其他特征和方面。附图说明图1示出了基于Bloch球上的旋转角度的编码。图2示出了代表性的重复直到成功(RUS)乘法电路。图3示出了RUS电路的操作。图4示出齿轮箱(GB)电路。图5示出了可编程辅助旋转(PAR)电路。图6A-图6B示出了用于使用RUS乘法电路来估计函数的值的方法。图7示出了电路设计的方法。图8A是列出各种量子算术电路的属性的表。图8B是列出PAR电路的一些附加属性的表。图9是列出所选择的乘法电路的属性的表。图10示出了基于PAR电路的乘法电路。图11示出了替代的乘法电路。图12是用于在计算倒数中使用的Chebyshev近似的表。图13示出了迭代地应用的齿轮箱电路的方波特性。图14示出了利用齿轮箱电路产生的方波。图15-图16示出了将齿轮箱方波函数拟合到网格以便拟合函数的方法。图17示出了包括齿轮箱子电路的代表性PAR电路。图18是其中可以实现所公开的方法的代表性计算环境的框图。图19是包括经典和量子处理的代表性计算环境的框图。具体实施方式如本申请中和权利要求书中所使用的那样，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”，“一个”和“该”包括复数形式。另外，术语“包括”是指“包含”。此外，术语“耦合”不排除在耦合的项之间存在中间元件。本文所描述的系统、装置和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开单独地以及以彼此的各种组合和子组合的方式涉及了各种公开实施例的所有新颖的和非显而易见的特征和方面。所公开的系统、方法和装置不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和装置也不要求存在任何一个或多个具体优点或者解决问题。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和装置不限于这样的操作理论。尽管为了方便呈现而以特定的顺序次序描述了所公开的方法中的一些方法的操作，但是应当理解，除非下面阐述的特定语言需要特定的排序，这种描述方式包括重新布置。例如，顺序描述的操作在一些情况下可以进行重新布置或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能未示出所公开的系统、方法和装置可以与其他系统、方法和装置结合使用的各种方式。另外，描述有时使用诸如“产生”和“提供”之类的术语来描述所公开的方法。这些术语是对所执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作将取决于特定实现而变化，并且本领域的普通技术人员可以容易地辨别。在一些示例中，数值、过程或装置被称为“最低”，“最佳”，“最小”等。应当理解，这样的描述旨在指示可以在许多使用的功能替代中进行选择，并且这样的选择不需要更好、更小或者优选于其他选择。本文公开了允许使用数值近似的数值分析的量子计算方法和装置。代表性的数学分析可能需要基本的算术运算，例如整数或实数的加法、乘法和除法。其他分析还包括在一个或多个变量中的函数的评估、插值、微分和积分。在一些代表性示例中，公开了可以对在Bloch球表示中被编码为旋转状态的数字执行变换的量子计算算术方法和装置。所公开的电路和方法通常使用辅助量子位来表示输入变量的值。测量这些辅助量子位的状态以确定方法/电路成功。输出值被编码在这里被称为目标量子位的量子位上。编码为Qubit旋转的数据在量子计算机中实现算术和数值分析操作的常规方法通常使用多个量子位来将数字编码为量子位串。尽管可以使用这样的编码，但在所公开的示例中，通常将单个量子位用于编码。图1示出Bloch球的截面100，具体而言是YZ平面中的截面。向量102相对于Y轴具有围绕X轴(进入图1的页面)的旋转角度其中是多个变量θ1，...，θk的函数。角度因此表示函数的值。在其他示例中，可以使用围绕其他轴的旋转。因此，旋转角度用于对数值进行编码，并且不需要多量子位编码。例如，围绕X轴的旋转幅度f(x)被应用到在状态|ψ>中的单个量子位，其中X是PauliX算子，以对状态|ψ>上的值进行编码。这种编码方法的一个优点是不需要是已知x的值：承诺输出e-iφX的量子电路足够。因此，可以对幅度执行算术，或者等效地对旋转角执行算术，以替代对量子比特串进行算术。这可以大大减少执行某些量子计算所需的存储器。在一些示例中，量子数据包括在状态|ψ>中被初始化的仅一个量子位，并且要被应用到|ψ>的操作是围绕X轴的旋转，其中旋转角由函数给出，其中f是已知函数。换句话说，实现了酉(unitary)可以基于串联执行的旋转的和与差来对加法和减法操作进行编码。下面讨论用于旋转角度的乘法电路和方法。基于这些操作的实现，可以获得用于任意平滑函数的电路。图2是表示量子电路200的示意图，所述量子电路200接收对应于具有辅助量子位202，204的旋转角的编码值。目标量子位206耦合到电路200，以便在对应于的状态中被输出，其中f是变量的任意函数。参考Clifford+T门集合描述所公开的示例。该集合包括Hadamard门，CNOT门和T门。这种门集合特别方便，但是所公开的方法不限于这种特定的门集合。数值通常被表示为旋转角，并且在一些示例中假设附加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种量子电路，包括：重复直到成功(RUS)乘法电路，所述RUS乘法电路在相应的RUS乘法电路输入处耦合到第一辅助量子位和目标量子位，以便基于在所述第一辅助量子位处耦合到所述RUS乘法电路的相位的结果，在目标量子位输出处产生目标量子位相位；测量电路，所述测量电路在RUS乘法电路输出处耦合到所述第一辅助量子位；以及校正电路，所述校正电路耦合到所述测量电路以便如果所述测量电路指示失败则对所述目标量子位应用校正。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.06 US 62/009,0661.一种量子电路，包括：重复直到成功(RUS)乘法电路，所述RUS乘法电路在相应的RUS乘法电路输入处耦合到第一辅助量子位和目标量子位，以便基于在所述第一辅助量子位处耦合到所述RUS乘法电路的相位的结果，在目标量子位输出处产生目标量子位相位；测量电路，所述测量电路在RUS乘法电路输出处耦合到所述第一辅助量子位；以及校正电路，所述校正电路耦合到所述测量电路以便如果所述测量电路指示失败则对所述目标量子位应用校正。2.根据权利要求1所述的量子电路，其中所述乘法电路是齿轮箱电路或可编程辅助旋转(PAR)电路。3.根据权利要求1所述的量子电路，其中多个辅助量子位被耦合到所述RUS乘法电路，并且所述目标量子位相位是基于提供给与所述多个辅助量子位相关联的所述RUS乘法电路的相位的结果的。4.根据权利要求3所述的量子电路，其中所述RUS乘法电路是齿轮箱电路，并且所述目标量子位相位对应于提供给具有所述多个辅助量子位的所述RUS乘法电路的相位的结果的偶数幂。5.根据权利要求3所述的量子电路，其中所述RUS乘法电路是齿轮箱电路，并且所述目标量子位相位对应于提供给具有所述多个辅助量子位的所述RUS乘法电路的相位的结果的奇数幂。6.根据权利要求1所述的量子电路，其中所述目标量子位相位与倒数相关联，并且所述校正电路包括至少一个Clifford门。7.至少一个计算机可读介质，所述计算机可读介质包括用于方法的计算机可执行指令，所述方法包括：获得多个变量的函数的表示；基于所述多个变量的至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·维贝，M·罗特勒，
申请(专利权)人：微软技术许可有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US