一种基于实时估计量子计算机中叠加态制备错误率的随机数生成方法技术

本发明专利技术涉及量子信息通信技术领域，公开一种基于实时估计量子计算机中叠加态制备错误率的随机数生成方法，包括：在初始态|0＞应用RY(π/2)门，将量子比特制备到叠加态并将制备好的叠加态传送到可信的测量端；利用一串随机种子，随机地选择X基或者Z基对叠加态进行测量；根据X基测量结果实时估计X基测量结果中的叠加态制备错误率e

【技术实现步骤摘要】
一种基于实时估计量子计算机中叠加态制备错误率的随机数生成方法


[0001]本专利技术涉及量子信息通信
，尤其涉及一种基于实时估计量子计算机中叠加态制备错误率的随机数生成方法。

技术介绍

[0002]在现代社会中，随机数的应用随处可见，在众多领域都起着重要的作用，如蒙特卡洛模拟抽样、博彩、数值计算模拟、信息安全等领域，特别是在密码学和保密通信中，随机数扮演者至关重要的作用(Alferd J.Menezes,Scott A.Vanstone,Paul C.van Oorschot.Handbook of Applied Cryptography[M]//Handbook of applied cryptography,1997.)(Schneier B.Applied Cryptography[M].Wiley John+Sons,2009.)。
[0003]现有技术中，依靠经典的确定性的数学算法或者根据经典的物理过程产生的随机数被称为伪随机数。虽然伪随机数可以满足随机数的统计特性，但是其生成原理是确定性的过程，产生的随机数实际上是可以被预测的，并不是真正的随机数。因此，在对随机数的随机性要求比较高的领域，伪随机数的安全性是无法满足这些应用的要求。
[0004]现有技术中还提出了根据量子力学原理生成的量子随机数，量子随机数被认为是理论上信息理论安全可证明的真随机数。现有的量子随机数生成协议中，主要是基于量子光学器件实现的，例如，利用单光子探测、真空涨落和激光相位噪声等方案。另一方面，量子计算机物理实现的研究迅速发展，尤其是基于超导电路实现的量子计算机方案。同时通过量子计算硬件与软件等惠普服务的量子云计算，为实现量子计算能力提供了方便。量子计算机中存在的量子叠加态和量子纠缠资源，使得量子计算机有可能产生量子随机数。
[0005]但是目前的量子计算机都是含有噪声的，其中初始态的制备、量子门操作和量子读出操作等都有错误。在现有的基于超导量子计算机的随机数生成协议中，一般是通过哈达玛量子门把初始态制备为叠加态，对叠加态重复测量得到随机数，产生的随机数的随机性依赖于量子计算机性能的好坏，无法对制备的叠加态的好坏进行估计。已存在的利用量子计算机生成随机数的协议，具体做法是首先制备初始态，通过哈达玛量子逻辑门操作，把初始态制备到叠加态在计算基|0>和|1>下对叠加态进行测量，可以得到0或1，经过多次测量后的结果组成随机数。但是目前存在的量子计算机，由于环境噪声或者控制机理的不完美，制备的叠加态|+>是存在一定误差的，也就是说，对制备的量子态进行多次测量，无法得到1和0均衡的序列，组成的随机数的安全性和随机性无法得到保证。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对在现有的基于超导量子计算机的随机数生成协议中，一般是通过哈达玛量子门把初始态制备为叠加态，对叠加态重复测量得到随机数，产生的随机数的随机性依赖于量子计算机性能的好坏，无法对制备的叠加态的好坏进行估计的问题，提出一种基
于实时估计量子计算机中叠加态制备错误率的随机数生成方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种基于实时估计量子计算机中叠加态制备错误率的随机数生成方法，包括：
[0009]步骤1：在初始态|0>应用RY(π/2)门，将量子比特制备到叠加态并将制备好的叠加态传送到可信的测量端；
[0010]步骤2：利用一串随机种子，随机地选择X基或者Z基对叠加态进行测量，量子线路一共运行n次，包括n
x
次X基测量的量子线路和n
z
次Z基测量的量子线路；
[0011]步骤3：根据X基测量结果实时估计X基测量结果中的叠加态制备错误率e
bx
，并根据e
bx
对Z基下的叠加态制备的错误率e
z
进行估计；
[0012]步骤4：利用Z基下的测量结果生成随机数，组成随机序列，在随机序列中数字0表示测量结果是|0>，数字1表示测量结果是|1>，其中Z基测量的量子线路一共运行n
z
次，可以产生n
z
个随机比特；
[0013]步骤5：利用Toeplitz后处理方法对生成的原始数据进行随机性提取。
[0014]进一步地，所述根据X基测量结果实时估计X基测量结果中的叠加态制备错误率e
bx
包括：
[0015]根据已知的X基测量结果计算出没有读出错误的情况下|0>和|1>的个数：
[0016][0017]其中，N0和N1分别表示X基测量结果中|0>和|1>的数量，并且满足N0+N1＝n
x
；n0和n1表示在没有读出错误的理想情况下，X基测量结果中|0>和|1>的数量；r0表示|0>的读出错误率，即制备的是|0>但是读出的结果是|1>所占比例；r1表示|1>的读出错误率，即制备的是|1>但是读出的结果是|0>所占比例；
[0018]n0和n1满足下式：
[0019][0020]在X基测量结果中叠加态制备的错误率，即|
‑
>出现的概率为：
[0021][0022][0023]其中，δ表示绕着Y轴旋转的角度与角存在的偏差，φ表示绕着Z轴旋转的偏差角。
[0024]进一步地，所述根据e
bx
对Z基下的叠加态制备的错误率e
z
进行估计包括：
[0025]Z基下的叠加态制备的错误率e
z
满足下式：
[0026]e
z
≤e
bx
+θ
[0027]其中θ表示统计波动引起的误差，满足下式：
[0028][0029]其中ζ(θ)＝H(e
bx
+θ+q
x
θ)
‑
q
x
H(e
bx
)
‑
(1
‑
q
x
)H(e
bx
+θ)，q
x
＝n
x
/n是选择X基测量的比例，H()表示香农熵；ε
e
是一个给定的固定参数，表示失败的概率；Prob(e
z
>e
bx
+θ)表示Z基中叠加态制备的错误率e
z
大于e
bx
+θ的概率，即对e
z
的值估计失败的概率。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：
[0031]目前现有技术中，量子计算机中存在的各种噪声对生成的随机数的随机性有较大的影响，且本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于实时估计量子计算机中叠加态制备错误率的随机数生成方法，其特征在于，包括：步骤1：在初始态|0>应用RY(π/2)门，将量子比特制备到叠加态并将制备好的叠加态传送到可信的测量端；步骤2：利用一串随机种子，随机地选择X基或者Z基对叠加态进行测量，量子线路一共运行n次，包括n
x
次X基测量的量子线路和n
z
次Z基测量的量子线路；步骤3：根据X基测量结果实时估计X基测量结果中的叠加态制备错误率e
bx
，并根据e
bx
对Z基下的叠加态制备的错误率e
z
进行估计；步骤4：利用Z基下的测量结果生成随机数，组成随机序列，在随机序列中数字0表示测量结果是|0>，数字1表示测量结果是|1>，其中Z基测量的量子线路一共运行n
z
次，可以产生n
z
个随机比特；步骤5：利用Toeplitz后处理方法对生成的原始数据进行随机性提取。2.根据权利要求1所述的一种基于实时估计量子计算机中叠加态制备错误率的随机数生成方法，其特征在于，所述实时估计X基测量结果中的叠加态制备错误率e
bx
包括：根据已知的X基测量结果计算出没有读出错误的情况下|0>和|1>的个数：其中，N0和N1分别表示X基测量结果中|0>和|1>的数量，并且满足N0+N1＝n
x
；n0和n1表示在没有读出错误的理想情况下，X基测量结果中|0>和|1>的数量；r0表示|0>的读出错误率，即制备的是|0>但是读出的结果...

【专利技术属性】
技术研发人员：李元昊，费洋扬，王卫龙，王洪，马智，孟祥栋，段乾恒，王娜，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：