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面向分布式量子计算的量子线路分割与重构研究

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面向分布式量子计算的量子线路分割与重构研究

作者：邵磊西安电子科技大学

学位级别：硕士

量子计算因其基于量子态叠加原理与量子纠缠特性,使得计算能力获得指数级的加速。采用量子算法使得解决某些在经典上困难的问题成为可能。然而,当前量子算法对量子比特需求量的增长远远高于量子计算机的发展速度,这也成为了亟待解决的... 详细信息

量子计算因其基于量子态叠加原理与量子纠缠特性,使得计算能力获得指数级的加速。采用量子算法使得解决某些在经典上困难的问题成为可能。然而,当前量子算法对量子比特需求量的增长远远高于量子计算机的发展速度,这也成为了亟待解决的关键问题之一。而分布式量子计算可将多个量子比特数较少的量子计算机组合起来完成较大规模的量子计算任务,其也成为了解决当前量子计算机比特数量不足问题的一种方案。可是,通过量子网络互联起来的量子计算机占用较大的量子纠缠资源,且由量子信道带来的噪声和退相干问题也影响着分布式量子计算的运行结果;同时,分布式量子计算也对量子线路分割和重构算法提出了较高的要求。本文围绕量子线路分割与重构研究如何降低子线路的量子比特数、减少分割点数量以及降低子线路间量子通信噪声影响。论文的主要贡献如下:(1)将基于经典后处理的单路分割重构算法拓展到并行多路分割与重构算法,并通过分布式GHZ态制备进行了仿真验证;提出了一种针对多比特量子傅里叶变换线路的分割算法,通过对量子门顺序调整后进行逐层分割,使原始线路可以分割为若干不大于n比特的量子线路,降低了原始线路对单个量子计算机量子比特数量的需求,并且对分割点的测量进行优化,使需要实际运行的量子线路数量降低。随后通过基于经典后处理的重构算法,由子线路的测量结果得到原始线路的测量结果,得到的仿真结果保真度大于0.98,验证了其可行性。(2)基于量子傅里叶变换线路的分割与重构算法,实现了量子相位估计与Shor算法的分布式线路,仿真结果通过经典后处理将其测量结果进行重构,与原始线路的结果对比,表明了其正确性;在此基础上设计了一种基于经典后处理的分布式量子计算架构,使用经典通信对子线路测量结果进行汇总,借助经典后处理得到原始线路的结果。节省了量子通信开销,克服了量子信道的噪声影响。

关键词：量子线路分割与重构经典后处理分布式量子计算量子傅里叶变换分布式量子计算架构

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基于量子点的分布式量子计算

基于量子点的分布式量子计算

作者：王艳伟温州大学

学位级别：硕士

信息科学的不断发展不仅改善了人类生活的质量而且推进了社会文明进步,随着世界范围内信息量的增长速度越来越快,传统计算机性能的提高远远满足不了人类社会信息量的增长所提出的需求;同时在不久的将来,晶体管体积将会缩小到原子级别从... 详细信息

信息科学的不断发展不仅改善了人类生活的质量而且推进了社会文明进步,随着世界范围内信息量的增长速度越来越快,传统计算机性能的提高远远满足不了人类社会信息量的增长所提出的需求;同时在不久的将来,晶体管体积将会缩小到原子级别从而出现量子效应,这就引起了是否能设计一台新的建立在量子物理规律基础上的量子计算机,因为它不但能解决经典计算机不能解决的问题,而且量子计算机又具有响应速度快、能量消耗低、储存量大和并行计算能力强等特点。量子计算机物理实现的方案有很多,本文研究了量子点的物理实现方案,量子点方案可以直接利用现有的大规模集成电路技术,基于固态材料和固态电子技术,更适合集成化和小型化,且制造和控制都有强大的基础,所以在量子计算机的物理实现方面有着一致看好的前景。然而量子点之间的相互作用很弱,为了加强远距离的量子点之间的相互作用且减少量子点系统的消相干,采用了把量子点放在腔中的方法。基于这个模型并且围绕着量子点的分布式量子计算的实现,本文首先介绍量子计算的基本概念和量子计算的物理实现方案,然后从量子态的制备、量子门的实现、量子测量的完成和量子信息的传输等方面具体介绍了量子点方案的实现情况。重点介绍了我的研究工作：1.量子点方案中纠缠态的制备。在腔-量子点系统中,使单光子连续通过腔,从而产生量子点纠缠态。2.量子点系统中可控的量子隐形传态。在腔中利用法拉第旋转,首先产生单光子和量子点的电子自旋的纠缠态,然后完成可控的量子隐形传态,最后采用单光子测量的方法完成量子点自旋态的测量,使传态的成功几率为1,可以增加网络的安全性。3.量子点纠缠态的隐形传态的实现。同样在腔-量子点中利用单光子完成量子点纠缠态的隐形传态,也采用单光子测量的方法完成量子点自旋态的测量,这对分布式量子计算的实现有很大的意义,还可以扩展量子计算网络。

关键词：分布式量子计算量子点纠缠态量子隐形传态

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可验证的分布式盲量子计算

中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第11期54卷 85-95页

作者：熊文彪全俊宇谢幸佳朱江李琴湘潭大学计算机学院湘潭411105

盲量子计算(Blind quantum computation,简称BQC)技术让量子能力受限的用户可将量子计算任务委托给远程服务器执行,并同时保证输入、输出及算法的隐私性.但是在当前NISQ时期,由于受限于量子计算机的规模与性能,服务器无法完成大规模的... 详细信息

盲量子计算(Blind quantum computation,简称BQC)技术让量子能力受限的用户可将量子计算任务委托给远程服务器执行,并同时保证输入、输出及算法的隐私性.但是在当前NISQ时期,由于受限于量子计算机的规模与性能,服务器无法完成大规模的量子计算任务.本文基于测量模型提出一种分布式BQC协议以扩大委托计算所能完成任务的规模.该协议将砖态结构资源态划分为两类较小规模的量子资源态,再借助优化后的非本地CZ操作将上述较小规模量子资源态纠缠成所需的较大规模的量子资源态,从而降低单个量子服务器的负担.而且优化后的非本地CZ操作的实现仅需服务器之间预共享Bell态而无需进行经典通信,这可以有效提高委托计算的并行性.此外,该协议还通过嵌入陷阱量子比特的方式实现可验证性.最后,针对未来量子服务器可能需要定期维护的情况提出一种量子服务器的替换方法.

关键词：盲量子计算分布式量子计算委托量子计算可验证量子计算

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量子计算研究现状与未来发展

中国工程科学 2022年第4期24卷 133-144页

作者：李晓巍付祥燕飞钟有鹏陆朝阳张君华贺煜尉石鲁大为辛涛陈济雷林本川张振生刘松陈远珍俞大鹏南方科技大学量子科学与工程研究院广东深圳518055 深圳国际量子研究院广东深圳518048 广东省量子科学与工程重点实验室广东深圳518055 国防科技大学计算机学院长沙410073 中国科学技术大学近代物理系合肥230026 南方科技大学物理系广东深圳518055

量子计算乃至更为广泛的量子信息,是基于量子力学原理发展出来的概念与技术体系,涉及信息的本质及其处理。量子计算利用量子叠加、量子纠缠等资源进行信息编码和处理,已被证明在若干问题上具有相对于经典计算的极大优势,在实用化后将对... 详细信息

量子计算乃至更为广泛的量子信息,是基于量子力学原理发展出来的概念与技术体系,涉及信息的本质及其处理。量子计算利用量子叠加、量子纠缠等资源进行信息编码和处理,已被证明在若干问题上具有相对于经典计算的极大优势,在实用化后将对信息及相关科技产生深远影响。本文概要回顾了量子计算的发展历史,如量子计算思想与概念的形成、重要理论及算法的发展以及应用情况;梳理总结了代表性的量子计算技术路线及其发展态势,如超导量子计算、分布式超导量子计算、光量子计算、囚禁离子量子计算、硅基量子计算及若干其他体系。着眼不同技术路线面临的共性问题,对我国量子计算领域未来发展提出建议:注重战略规划和布局,培养高水平研究团队,加强基础研究、核心技术、关键设备的自主研发。

关键词：量子计算量子算法量子测控系统量子软件超导量子计算分布式量子计算囚禁离子量子计算硅基量子计算光量子计算中性原子量子计算金刚石氮空位色心核磁共振量子计算自旋波量子计算拓扑量子计算

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分布式Shor算法和分布式相位估计算法

分布式Shor算法和分布式相位估计算法

作者：萧利刚中山大学

学位级别：硕士

量子计算是一种新型的计算方式,它在人工智能、密码学和化学分子模拟等问题或领域上展现了显著优于经典计算的能力,具有巨大的研究和应用前景。Shor算法是量子计算的一项里程碑式的成果,它可以在有效时间内以一定概率将给定的整数分解... 详细信息

量子计算是一种新型的计算方式,它在人工智能、密码学和化学分子模拟等问题或领域上展现了显著优于经典计算的能力,具有巨大的研究和应用前景。Shor算法是量子计算的一项里程碑式的成果,它可以在有效时间内以一定概率将给定的整数分解为素因数的乘积,且该算法的时间复杂度远低于目前已知的经典算法。Shor算法蕴含了相位估计算法的思想,而相位估计算法也是一个重要的量子算法,是许多量子算法的核心组成部分。这些量子算法都是量子计算发展历史中基础而著名的成果,对量子计算的发展有着至关重要的作用。应用量子算法通常需要具有成千上百万量子比特的量子计算机,但目前的技术难以实现这样的大规模量子计算机。分布式量子计算是一种融合了分布式计算和量子计算的计算方式,它旨在通过多个具有量子计算和通信能力的节点来协同完成任务,从而减少单个节点所需的量子资源,因此可以有效降低量子计算的应用难度。本文主要研究分布式Shor算法和分布式相位估计算法,具体工作包括:·提出了一个两节点的分布式Shor算法。Shor算法核心是求阶算法,而求阶算法关键是使用相位估计算法来得到某个关键量s/r的估计,其中r是“阶”,s可以认为是{0,1,…,r-1}中随机的一个数。该分布式算法使用两个节点分别估计s/r不同部分的比特,并使它们估计的比特的位置有所重叠,之后利用经典处理将两个节点的估计结果修正、合并,使最终对s/r的估计的偏差符合精度要求。本文对该算法正确性进行了严格的理论证明,并分析了其复杂性。相比传统非迭代式Shor算法,分解一个L比特整数,该算法可以为单个节点减少接近L/2个量子比特,同时一定程度减少单个节点的电路深度和门复杂度。此外,该算法通信复杂度为O(L),比Yimsiriwattana等人提出的分布式Shor算法的O(L2)通信复杂度有明显优势。·将上述两节点分布式Shor算法推广为多节点分布式Shor算法。类似地,该算法使用多个节点分别估计某个s/r的部分比特,并使相邻节点估计的比特的位置有所重叠,之后利用经典处理将各个节点的估计结果修正,并最终合并形成整体的估计结果。相比传统非迭代式Shor算法,假设有k个节点,分解一个L比特整数,该算法可以为单个节点减少接近(1-1/L)L-log2个量子比特,同时一定程度减少单个节点的电路深度和门复杂度。另外,其通信复杂度为O(kL),比Yimsiriwattana等人提出的分布式Shor算法的通信复杂度(O(L2))有一定优势。·提出了三种需要附加条件的分布式相位估计算法。这些分布式相位估计算法使用多个节点估计相位不同部分的比特,并通过不同的经典后处理策略来保证结果的正确性。相比传统非迭代式相位估计算法,它们单个节点需要的量子比特数更少。

关键词：分布式量子计算分布式Shor算法分布式相位估计算法 Shor算法

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基于过程层析的大规模量子线路分割方法研究

基于过程层析的大规模量子线路分割方法研究

作者：滕辰辰西安电子科技大学

学位级别：硕士

建立在量子态叠加原理与量子纠缠等特性基础上的量子计算,在解决某些经典困难问题方面,具有指数级的加速能力。近年来,超导、离子阱和光学等量子计算机发展迅猛,已在某些方面展现出量子优势。一般来说,通用量子算法,比如分解大于1024比... 详细信息

建立在量子态叠加原理与量子纠缠等特性基础上的量子计算,在解决某些经典困难问题方面,具有指数级的加速能力。近年来,超导、离子阱和光学等量子计算机发展迅猛,已在某些方面展现出量子优势。一般来说,通用量子算法,比如分解大于1024比特二进制数的Shor算法,其实现需要大规模通用量子计算机。然而,当前量子计算机的性能还无法满足量子算法对量子比特数量和线路深度等的需求。令人欣慰的是,分布式量子计算为解决这个难题提供了可能。分布式量子计算将复杂的计算任务或大规模量子线路分成许多小任务或若干小规模量子线路,再分别由小型计算机并行处理,最后将这些计算数据分析汇总得到最终结果,以实现与大规模量子计算机相当的计算能力。线路分割是分布式量子计算的一个关键技术,旨在以低开销和高保真的方式,实现大规模量子线路的运行。本文主要研究量子过程层析(Quantum Process Tomography,QPT)和分布式量子计算中的线路分割,主要贡献如下:(1)提出了一种改进的极大似然估计法用于估算未知的量子过程。使用线性变换法进行过程层析,不仅计算步骤复杂,还可能会得到物理不可实现的过程矩阵。本文对基于极大似然估计的QPT方法进行了改进,校正了由层析数据获取的过程矩阵,去除了负的特征值,保证了结果的半正定性。通过在六种单量子比特系统和两种两量子比特系统上进行仿真,对比了线性变换法和改进的极大似然估计方法所得过程矩阵的保真度。结果表明,本文提出的改进的QPT方法保真度均大于0.998,而线性变换法的保真度只能达到大于0.993。(2)提出了一种基于过程层析的量子线路分割方法,实现了大规模量子线路的分布式执行。首先,将分割后的子线路看作未知量子过程,分别求解过程矩阵;然后,计算不同测量基下的输出结果和出现的可能性;最后,通过经典后处理重构原始线路的测量结果及概率分布情况。该方法应用QPT理论降低了有限样本误差对于子线路测量结果的影响,使每个子线路对应量子运算的过程矩阵都得到了准确估计。此外,本文还利用单量子比特希尔伯特空间上算子的线性性质,减少了经典后处理过程中子线路输入态制备和输出态测量的数量,从而有效降低了计算资源开销。本文选择3量子比特GHZ态制备线路和5量子比特线路进行实验仿真,结果表明,基于过程层析的量子线路分割方法受实验次数的影响较小,所得结果的保真度都分别在0.96和0.94以上。并且在实验次数相同的情况下,本文所提方法的保真度总是高于已有线路分割方法的保真度。

关键词：分布式量子计算量子过程层析量子线路分割经典后处理

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分布式量子计数算法研究

分布式量子计数算法研究

作者：唐小川东北大学

学位级别：硕士

随着量子计算和量子信息技术的发展,分布式量子计算应运而生。通过量子网络将量子计算机连接起来能获得更强的计算能力。分布式量子计算具有逻辑门级并行能力,与传统的并行计算相比,这是更底层的并行。所有的P问题都属于NP问题,而所有N... 详细信息

随着量子计算和量子信息技术的发展,分布式量子计算应运而生。通过量子网络将量子计算机连接起来能获得更强的计算能力。分布式量子计算具有逻辑门级并行能力,与传统的并行计算相比,这是更底层的并行。所有的P问题都属于NP问题,而所有NP问题又可多项式规约到NP完全问题,因此如果能设计出一个复杂度更低的求解NP完全问题的算法,那么所有NP问题都可以在原有算法基础上的获得同样的加速。计数问题是一类受到广泛关注的NP完全问题,本文提出一个解决计数问题的分布式量子算法,将这个算法作为通用的计算模式,在解决其他NP问题(当然也包括P问题)时,只需设计相应的黑箱,研究适当的地址映射方案,就能在原有的算法上获得将近。O的加速。本文首先总结分布式量子计算的发展现状,包括物理环境和应用,然后给出NP问题和计数问题的精确定义,NP完全问题的证书以及相应的计数问题描述。接下来介绍基本量子门,包括单比特量子门、多比特量子门、基本量子门的通用性。然后详细描述量子门的非本地化方法,这是分布式量子计算的关键。再设计一些典型问题的量子线路。然后,详细描述分布式量子计数算法的理论推导和设计与实现。先从理论上推导量子计数算法的原理,再设计算法的总体结构,接着详细描述了算法各个部分的设计与实现,包括Grover迭代、化简多量子比特门和量子逆傅立叶变换,最后给出量子计数算法求解集合覆盖问题的实例。文章最后分析分布式量子算法的复杂度,包括量子门复杂度、查询复杂度和通信复杂度,还讨论了量子比特利用率。

关键词：分布式量子计算量子计数算法 Grover迭代非本地量子门

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量子计算技术发展与创新研究

信息通信技术与政策 2024年第7期50卷 69-75页

作者：贾玉张博文中移(苏州)软件技术有限公司苏州215000

量子计算作为一个基于量子力学原理的新兴计算范式,正在复杂问题求解上展现巨大潜力。首先讨论了量子计算与经典计算的融合,以及分布式量子计算在实现大规模量子系统中的应用;其次对量子操作系统的架构和功能进行了全面分析,以期为科研... 详细信息

量子计算作为一个基于量子力学原理的新兴计算范式,正在复杂问题求解上展现巨大潜力。首先讨论了量子计算与经典计算的融合,以及分布式量子计算在实现大规模量子系统中的应用;其次对量子操作系统的架构和功能进行了全面分析,以期为科研人员、技术开发者、政策制定者以及对量子计算感兴趣的读者提供了解量子计算现状、未来潜力的全面视角。

关键词：量子计算量子操作系统分布式量子计算量子-经典融合计算

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离子阱量子计算机的发展现状与趋势

世界科技研究与发展 2022年第2期44卷 157-171页

作者：饶欣欣李卓瑛宋潇朱峰刘海燕崔恩楠高子镡刘梦媛黄毛毛韩琢邱道文周卓俊罗乐中山大学物理与天文学院珠海519082 中山大学深圳研究院量子信息技术中心深圳518087 广东启科量子信息技术研究院有限公司广州510700 中山大学计算机学院广州510006 国开启科量子技术(北京)有限公司北京100089

量子计算机是基于微观体系的量子力学性质--叠加性和纠缠性,对信息进行逻辑运算、存储传输的新型计算装置。通过运行基于量子硬件的量子算法,量子计算机解决某些复杂数学问题的速度和效率可大幅度超越经典计算机,对未来科技发展和国家... 详细信息

量子计算机是基于微观体系的量子力学性质--叠加性和纠缠性,对信息进行逻辑运算、存储传输的新型计算装置。通过运行基于量子硬件的量子算法,量子计算机解决某些复杂数学问题的速度和效率可大幅度超越经典计算机,对未来科技发展和国家战略竞争起着至关重要的作用。离子阱是通用量子计算机的主流技术之一,同时也对量子物理学的发展发挥过关键作用。本文围绕离子阱量子计算机的发展现状与趋势展开论述。首先回顾离子阱量子计算发展历史;接着介绍离子囚禁关键技术的现状以及趋势;然后重点介绍分布式离子阱量子计算机,分析离子-光子纠缠、分布式量子计算,以及基于离子阱量子计算机的量子互联网络等技术前沿;并介绍了离子阱量子计算产业发展,包括核心专利、研究机构、企业与融资、市场与生态等;最后,对离子阱量子计算机科研和产业发展提出政策建议。

关键词：离子阱量子计算机分布式量子计算量子互联网络离子-光子纠缠