基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法技术

本发明专利技术涉及量子计算机技术领域，具体地说，涉及基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法。包括对量子信息进行初始化处理、对量子信息传输的错误进行检测、对量子信息传输的错误进行校正、对量子信息传输的信息进行解码等步骤。本发明专利技术设计易于检测及校正错误信息，提高信息的安全性；只要增加产生量子态的设备，使用稳定器可以对码的对称性、错误检测测量和校正进行分析；奇偶校验测量不会揭示编码的量子比特的任何信息，使量子比特编码状态保持不变；在对抗网络中使用双层卷积神经网络模型，可以找到效果最佳的纠错链，提高错误校正效果，保证信息通信的正确性；其整体方案较为简单，所需条件和设备简易，易于在实际应用中实现。实现。实现。

【技术实现步骤摘要】
基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法


[0001]本专利技术涉及量子计算机
，具体地说，涉及基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法。

技术介绍

[0002]由于量子计算机具有在某些问题上远超经典计算机的运算能力，因此量子计算机可以为在普通计算机上需要指数时间的某些计算问题提供快速解决方案。但量子比特受到噪声的影响易失去量子特性，量子态的相干叠加性会随着时间的流逝而渐渐消失，导致信息受到影响发生错误，因此保证信息在量子计算机中不被破坏是建造一个成熟量子计算机的必要条件
[0003]建造量子计算机的主要挑战是量子比特非常脆弱，容易受到噪声的影响，使得物理量子位引起比特翻转或相位翻转错误。在错误信息接收之前需要对其进行检测和纠正。纠正错误信息的挑战是，错误本身无法被检测到，而物理量子位阵列的拓扑中存储逻辑量子位的拓扑码可以。传统量子电路可能由于基本门的不准确性和量子退相干而受到限制。拓扑量子纠错码目前是量子存储器和计算机中最有前途的实现之一。拓扑码被编码为量子比特的二维结构，能保证一个错误不会传播成量子纠错码无法校正的多量子比特错误并且消耗的资源较少具有高效性。克服量子信息在传输过程中退相干现象和传输不准确的影响。然而，目前却没有将拓扑量子纠错码应用于对错误信息传输进行校正的技术，鉴于此，我们提出了基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为实现上述技术问题的解决，本专利技术的目的之一在于，提供了基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法，包括如下步骤：
[0006]S1、对量子信息进行初始化处理，编码量子位，建立稳定器形式，对量子位进行拓扑排列；
[0007]S2、利用奇偶校验测量对量子信息传输的错误进行检测；
[0008]S3、对量子信息传输的错误进行校正；
[0009]S4、使用双层卷积神经网络模型对量子信息传输的信息进行解码。
[0010]作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，对量子信息进行初始化处理的具体方法包括如下步骤：
[0011]S1.1、使用相同的三位重复编码对量子位进行编码，并确定代码空间；
[0012]S1.2、将单位运算符定义为Pauli运算符，使用Pauli运算符来构建稳定器，方便后期在稳定器形式中定义稳定器代码进行错误校正；
[0013]S1.3、将已经编码好的量子位信息分布到具有拓扑性质的LxL方形晶格上，由作用
于最邻近的量子位奇偶校验运算符来对代码空间进行错误检测。
[0014]其中，所述S1.2中，稳定器代码是通过指定两组运算符、一组稳定器生成器和一组编码的逻辑运算符来定义的，而不是直接用码字的状态矢量包来定义。
[0015]其中，所述S1.3中，由于代码空间的量子位都在二维量子晶格上，因此可以由作用于最邻近的量子位奇偶校验运算符进行错误检测。
[0016]作为本技术方案的进一步改进，所述S1.1中，编码量子位的具体算法流程包括如下：
[0017]首先使用相同的三位重复编码对量子位进行编码，具体为：
[0018][0019][0020]其中，因一个单量子位的纯量子比特状态为|ψ>＝α|0>+β|1>，因此三量子位的量子比特被编码为：
[0021]|ψ>
L
＝α|000>+β|111>；
[0022]其中，状态|0>
L
和|1>
L
为码字基础状态，所有三量子位的量子比特编码状态跨越的状态空间为代码空间。
[0023]其中，任何表示量子状态无错误编码的状态都位于代码空间中。
[0024]作为本技术方案的进一步改进，所述S2中，利用奇偶校验测量对量子信息传输的错误进行检测的具体方法包括如下步骤：
[0025]S2.1、测量量子比特相对于计算基础的奇偶校验，即等同于测量量子比特上的可观测其中，偶校验位与+1本征值相关，奇校验位与
‑
1本征值相关；
[0026]S2.2、在传输正确信息编码状态的任何一对量子位之间进行奇偶校验测量以得到偶校验；
[0027]S2.3、针对信息传输过程中受到的包括但不限于比特翻转错误、相位翻转错误等噪声影响，得到一个或多个
‑
1的本征值；
[0028]S2.4、根据以稳定器发生器的测量结果集为校正子的值判断错误发生位置，X或Z运算符串根据判断错误发生位置生成多个校正链。
[0029]其中，所述S2.2中，进行奇偶校验测量时，例如正常传输情况下测量和值时，都将返回+1的特征值。
[0030]进而，所述S2.4中，当存在相位翻转错误，例如那么其中两个测量值(此处为和)可以得到信息的检测结果为
‑
1；同时，三量子比特量子码稳定器中的算子与用于检测代码中的位翻转错误的算子相同；则三量子比特量子码中同样检测到错误时，将返回一个或多个
‑
1的本征值。
[0031]作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，对量子信息传输的错误进行校正的具体方法包括：
[0032]首先，在步骤S2中检测到的发生错误的位置处，解码器可见的仅是校正子，即校正子是逻辑量子位所在区域的不同状态之间映射的逻辑操作，具体由环绕环面的X或Z运算符
串给出，并分别对应于逻辑位(比特)翻转和相位翻转操作；
[0033]其次，这些校正子形成校正链，利用解码器消除校正子；
[0034]进而，若校正链最终形成一个平凡循环，使量子比特返回到原始状态，说明校正成功；否则，若校正链组成缠绕环面的非平凡循环，则已经消除了错误校正子，但是对应于逻辑位翻转来说改变了量子位的状态，即说明校正错误的任务失败。
[0035]其中，校正子由一组测量结果+1和
‑
1组成，当结果为+1时，准粒子的电荷为0，当结果为
‑
1时，相关的准粒子的电荷为1；无错误代码状态下的Z错误会在相邻顶点上创建一对+1带电的准粒子，而与+1准粒子相邻的Z错误会将准粒子移动到与该误差相邻的另一个顶点；如果两个准粒子移动到同一个目标区域上，则可以做到校正子的成对消除。
[0036]作为本技术方案的进一步改进，所述S4中，对量子信息传输的信息进行解码的具体方法包括如下步骤：
[0037]S4.1、在对抗网络中使用双层卷积神经网络模型，针对校正子找到效果最佳的最优纠错链，直至最终生成平凡环校正链或非平凡环校正链；
[0038]S4.2、在找到效果最佳的纠错链后，引入双Q算法和RestNet网络来提高纠错成功率和训练速度。
[0039]其中，所述S4.1中，寻找最优纠错链意味着经过一系列比特翻转或相位翻转操本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、对量子信息进行初始化处理，编码量子位，建立稳定器形式，对量子位进行拓扑排列；S2、利用奇偶校验测量对量子信息传输的错误进行检测；S3、对量子信息传输的错误进行校正；S4、使用双层卷积神经网络模型对量子信息传输的信息进行解码。2.根据权利要求1所述的基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法，其特征在于：所述S1中，对量子信息进行初始化处理的具体方法包括如下步骤：S1.1、使用相同的三位重复编码对量子位进行编码，并确定代码空间；S1.2、将单位运算符定义为Pauli运算符，使用Pauli运算符来构建稳定器；S1.3、将已经编码好的量子位信息分布到具有拓扑性质的LxL方形晶格上，由作用于最邻近的量子位奇偶校验运算符来对代码空间进行错误检测。3.根据权利要求2所述的基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法，其特征在于：所述S1.1中，编码量子位的具体算法流程包括如下：首先使用相同的三位重复编码对量子位进行编码，具体为：首先使用相同的三位重复编码对量子位进行编码，具体为：其中，因一个单量子位的纯量子比特状态为|ψ>＝α|0>+β|1>，因此三量子位的量子比特被编码为：|ψ>
L
＝α|000>+β|111>；其中，状态|0>
L
和|1>
L
为码字基础状态，所有三量子位的量子比特编码状态跨越的状态空间为代码空间。4.根据权利要求2所述的基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法，其特征在于：所述S2中，利用奇偶校验测量对量子信息传输的错误进行检测的具体方法包括如下步骤：S2.1、测量量子比特相对于计算基础的奇偶校验，即等同于测量量子比特上的可观测其中，偶校验位与+1本征值相关，奇校验位与
‑
1本征值相关；S2.2、在传输正确信息编码状态的任何一对量子位之间进行奇偶校验测量以得到偶校验；S2.3、针对信息传输过程中受到的包括但不限于比特翻转错误、相位翻转错误等噪声影响，得到一个或多个
‑
1的本征值；S2.4、根据以稳定器发生器的测量结果集为校正子的值判断错误发生位置，X或Z运算符串根据判断错误发生位置生成多个校正链。5.根据权利要求4所述的基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法，其特征在于：所述S3中，对量子信息传输的错误进行校正的具体方法包括：首先，在步骤S2中检测到的发生错误的位置处，解码器可见的仅是校正子，即校正子是逻辑量子位所在区域的不同状态之间映射的逻辑操作，具体由环绕环面的X或Z运算符串给出，并分别对应于逻辑位(比特)翻转和相位翻转操作；
其次，这些校正子形成校正链，利用解码器消除校正子；进而，若校正链最终形成一个平凡循环，使量子比特返回到原始状态，说明...

【专利技术属性】
技术研发人员：王淑梅，薛韵佳，田艳兵，马鸿洋，邱田会，王浩文，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：