基于多维量子纠错的消除噪声干扰的信息传输方法技术

本发明专利技术涉及量子信息传输技术领域，具体地说，涉及基于多维量子纠错的消除噪声干扰的信息传输方法。包括对量子信息进行初始化、对量子信息进行传输、捕获噪声、对量子进行纠错校正、解码量子并还原信息等步骤。本发明专利技术设计只要在基础设备增加产生量子态的设备；通过将量子位的状态由环面转移到空间状态，增加了量子位信息的可处理性，保证了信息的完整性，加快了量子计算的速度；利用量子比特代码的拓扑性，构造稳定器生成器，以保证量子态在传输过程中不会发生坍缩；机器学习解码器的加入大大提高了解码速度，保证了信息传输的时效性并且减少通信过程的时延，使经典通信的负担大大降低；其整体方案较为简单，易于在实际量子计算机中实现。机中实现。机中实现。

【技术实现步骤摘要】
基于多维量子纠错的消除噪声干扰的信息传输方法


[0001]本专利技术涉及量子信息传输
，具体地说，涉及基于多维量子纠错的消除噪声干扰的信息传输方法。

技术介绍

[0002]随着量子信息技术的新兴，量子加密传输等信息传输手段发展起来，量子信息是量子力学与信息科学结合产生的交叉学科，是引入量子力学方法实现经典信息无法实现的功能。虽然数据传输速率大幅度提升，并且破解加密速度呈指数增长，但是信息的完整性在量子计算机或者超级计算机上受噪声影响很容易受到破坏，导致接收方难以收到完整的信息内容。所以，解决量子信息传输受噪声因素影响是非常必要的。
[0003]为实现量子信息传输和信息解密的迫切性，一些理论性的算法逐渐实际化。由于量子密钥等传输协议的规范性，针对信息传输的安全性，文献《利用经典驱动场增大耗散超导比特系统的稳态量子相干性》中提出了基于经典驱动场来增加量子态的稳定性，但是并没有保证量子信息稳定传输的完整性并且增加了巨大开销。虽然在信息传输上实现了超导比特系统，但是以极大的硬件开销代价只能传输很少的量子比特信息并且安全性很低。目前，却没有将多维量子纠错(即将量子比特错误信息从环面映射到三维空间做信息纠正)应用于消除传输信息中的噪声干扰的技术，鉴于此，我们提出了基于多维量子纠错的消除噪声干扰的信息传输方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供基于多维量子纠错的消除噪声干扰的信息传输方法，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，提供了基于多维量子纠错的消除噪声干扰的信息传输方法，包括如下步骤：
[0006]S1、对量子信息进行初始化：制备量子态，并对量子位进行立体空间的转换；
[0007]S2、对量子信息进行传输：发送方在量子计算机中传输量子位信息，接收方接收信息后并进行检验；
[0008]S3、捕获噪声：筛选针对错误类型相对应的校正子以获得相应的噪声信息；
[0009]S4、对量子进行纠错校正：获取作为量子位错误校正的校正子信息，做量子态叠加处理及校正；
[0010]S5、解码量子并还原信息：利用机器学习解码器来还原量子位信息。
[0011]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的具体方法包括如下步骤：
[0012]S1.1、利用量子寄存器，通过测量每个基矢的振幅来得到需制备的量子态；
[0013]S1.2、量子态制备完毕后，将环面量子位做立体空间映射，即利用代码的拓扑性将环面的量子位转换为三维立体空间上的量子位，并利用两对逻辑算子检验信息的完整性，
避免量子态的坍缩；
[0014]S1.3、在量子态成功映射到高维空间后，利用拓扑纠错码的自由度1/2旋转性，对量子位进行标准化处理，使得所有量子位都具有自对偶性，方便后续量子位发生错误的信息寻找。
[0015]作为本技术方案的进一步改进，所述S1.1中，制备量子态的具体算法公式为：
[0016][0017]为了通过尽量少的基本量子门操作制备出|ψ>，首先利用二分法将所有的基矢分为两组：
[0018][0019]然后再将已分成两组的基矢再对半分，并分别求出这4组的测量概率，求解公式为：
[0020][0021]作为本技术方案的进一步改进，所述S2中，对量子信息进行传输的具体方法包括如下步骤：
[0022]S2.1、假设在量子计算机中传输量子位信息时，+1的稳定器为未发生错误的量子态；
[0023]S2.2、当发送方发送信息时，拟定该信息经过量子计算机传输发生错误，如比特翻转错误和相位翻转错误；
[0024]S2.3、接收方收到量子计算机传输的信息后进行稳定器测量检验；其中，测量的只是整个稳定器生成器的本征值，不会破坏量子态独有的特性；
[0025]S2.4、当测量结果不为+1时，则证明量子信息传输在量子计算机内部受到了噪声的干扰。
[0026]其中，所述S2.2中，信息经过量子计算机传输发生的错误包括但不限于比特翻转错误和相位翻转错误等，比特翻转错误和相位翻转错误的表达式分别为：
[0027][0028]作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，捕获噪声的具体方法包括如下步骤：
[0029]S3.1、拓扑纠错码针对信息错误类型，产生与错误类型相对应的的校正子(其中，校正子都是成对产生的)；
[0030]S3.2、筛选校正子的存在位置和类型，利用Grove搜索算法对整个三维空间的量子位进行搜索，寻找稳定器结果为非+1，搜索完毕后利用量子位的自逆性进行包括但不限于比特翻转错误和相位翻转错误等错误的校正；其中，比特翻转错误的表达式为：α|0>+β|1>
→
α|000>+β|111>；相位翻转错误的表达式为：H(α|0>+β|1＞)＝α|+>+β|
‑
＞；
[0031]S3.3、根据步骤S3.2中得到的错误信息，得出相应的包括但不限于去极化噪声和独立翻转噪声的噪声信息；其中，去极化噪声的表达式为：独立翻转噪声的表达式为：p
X
＝p
Y
＝p
Z
＝p
eff
/3。
[0032]作为本技术方案的进一步改进，所述S3.1中，与错误类型相对应的校正子中，除了三维空间末端的量子位之外，其余量子位的校正子均为对易的，而三维空间末端的量子位是反对易的，具体表达如下式中的X算子A
T
和Z算子B
U
：
[0033][A
T
,A
T
]＝[A
T
,B
U
]＝0；[B
U
,B
U
]＝[A
T
,B
U
]＝0。
[0034]作为本技术方案的进一步改进，所述S4中，对量子进行纠错校正的具体方法包括如下步骤：
[0035]S4.1、根据捕获的噪声信息和grover搜索算法得到的校正子信息做量子位的错误校正，去除未发生稳定器错误的量子位校正子相关信息；
[0036]S4.2、筛选剩余的校正子，做量子态叠加处理为校正过程和处理后的校正过程；其中，以量子态叠加处理为校正过程的计算表达式为：Q|ψ>＝QS|ψ>＝SQ∣ψ>，处理后的校正过程的计算表达式为：Q|ψ>＝QS|ψ>＝
‑
SQ∣ψ>；
[0037]S4.3、定义使得到p
eff
的概率最大的消除融合规则来保证最大可能性纠错，对应到三维空间即量子位的闭合链为同一平面(平凡环)则视为校正成功。
[0038]作为本技术方案的进一步改进，所述S4.3中，定义的融合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于多维量子纠错的消除噪声干扰的信息传输方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、对量子信息进行初始化：制备量子态，并对量子位进行立体空间的转换；S2、对量子信息进行传输：发送方在量子计算机中传输量子位信息，接收方接收信息后并进行检验；S3、捕获噪声：筛选针对错误类型相对应的校正子以获得相应的噪声信息；S4、对量子进行纠错校正：获取作为量子位错误校正的校正子信息，做量子态叠加处理及校正；S5、解码量子并还原信息：利用机器学习解码器来还原量子位信息。2.根据权利要求1所述的基于多维量子纠错的消除噪声干扰的信息传输方法，其特征在于：所述S1中，对量子信息进行初始化的具体方法包括如下步骤：S1.1、利用量子寄存器，通过测量每个基矢的振幅来得到需制备的量子态；S1.2、量子态制备完毕后，将环面量子位做立体空间映射，即利用代码的拓扑性将环面的量子位转换为三维立体空间上的量子位，并利用两对逻辑算子检验信息的完整性，避免量子态的坍缩；S1.3、在量子态成功映射到高维空间后，利用拓扑纠错码的自由度1/2旋转性，对量子位进行标准化处理，使得所有量子位都具有自对偶性。3.根据权利要求2所述的基于多维量子纠错的消除噪声干扰的信息传输方法，其特征在于：所述S1.1中，制备量子态的具体算法公式为：为了通过尽量少的基本量子门操作制备出|ψ>，首先利用二分法将所有的基矢分为两组：然后再将已分成两组的基矢再对半分，并分别求出这4组的测量概率，求解公式为：4.根据权利要求2所述的基于多维量子纠错的消除噪声干扰的信息传输方法，其特征在于：所述S2中，对量子信息进行传输的具体方法包括如下步骤：S2.1、假设在量子计算机中传输量子位信息时，+1的稳定器为未发生错误的量子态；S2.2、当发送方发送信息时，拟定该信息经过量子计算机传输发生错误，如比特翻转错误和相位翻转错误；S2.3、接收方收到量子计算机传输的信息后进行稳定器测量检验；
S2.4、当测量结果不为+1时，则证明量子信息传输在量子计算机内部受到了噪声的干扰。5.根据权利要求4所述的基于多维量子纠错的消除噪声干扰的信息传输方法，其特征在于：所述S3中，捕获噪声的具体方法包括如下步骤：S3.1、拓扑纠错码针对信息错误类型，产生与错误类型相对应的的校正子；S3.2、筛选校正子的存在位置和类型，利用Grove搜索算法对整个三维空间的量子位进行搜索，寻找稳定器结果为非+1，搜索完毕后利用量子位的自逆性进行包括但不限于比特翻转错误和相位翻转错误等错误的校正；S3.3、根据步骤S3.2中得到的错误信息，得出相应的包括但不限于去极化噪声和独立翻转噪声的噪声信息。6.根据权利要求5所述的基于多维量子纠错的消...

【专利技术属性】
技术研发人员：马鸿洋，王浩文，田艳兵，薛韵佳，初鹏程，王一诺，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：