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量子软件与量子云

信息通信技术与政策 2020年第7期 49-57页

作者：赵勇杰吴伟合肥本源量子计算科技有限责任公司合肥230088 中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室合肥230026

量子计算技术对国家的国际地位、经济发展、科技进步和国防力量提升等发挥着关键作用。与国际先进水平相比,目前国内在量子软件和量子云的发展上虽处于相对落后的位置,但并不存在技术代差,只要保持投入和追赶,未来有望占据优势地位。通... 详细信息

量子计算技术对国家的国际地位、经济发展、科技进步和国防力量提升等发挥着关键作用。与国际先进水平相比,目前国内在量子软件和量子云的发展上虽处于相对落后的位置,但并不存在技术代差,只要保持投入和追赶,未来有望占据优势地位。通过介绍量子计算的技术背景,论述量子软件以及量子云的基本体系结构、发展现状和未来趋势,对量子软件与量子云的市场发展前景作出了展望。

关键词：量子计算量子算法量子软件量子云量子计算机

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基于概率克隆的量子程序断点调试

中国科学:物理学力学天文学 2025年

作者：姜楠程晓钰王健王子臣北京工业大学计算机学院北京交通大学智能交通数据安全与隐私保护技术北京市重点实验室

量子计算机的发展引起了人们对量子编程的极大关注.然而目前还没有有效的对量子程序进行调试的方法.由于量子态的不可克隆性,以及对量子寄存器的观察会导致量子态塌缩,所以无法像经典环境那样调试量子程序.本文提出一种基于概率克隆的... 详细信息

量子计算机的发展引起了人们对量子编程的极大关注.然而目前还没有有效的对量子程序进行调试的方法.由于量子态的不可克隆性,以及对量子寄存器的观察会导致量子态塌缩,所以无法像经典环境那样调试量子程序.本文提出一种基于概率克隆的量子调试方案QDebug.通过在量子程序中概率性地克隆一个量子比特,然后测量其副本,得以在量子程序中设置断点,间接地查看量子程序中量子比特的状态,来判断量子程序运行是否正确.该方法不会因为测量操作影响量子程序的正常执行.本文还分析了QDebug在调试过程中的可行性,通过将QDebug应用于量子程序来证明其有效性.

关键词：量子程序调试概率克隆量子编程量子软件量子计算

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量子计算及其在空气动力学中的应用前景

航空学报 2020年第4期41卷 1-14页

作者：卢风顺陈波江雄中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所绵阳621000

量子计算是最重要的后摩尔计算技术之一,拥有经典计算机无可比拟的超强计算能力,未来能够对各行业应用产生颠覆性的影响。针对量子计算给空气动力学带来的机遇和挑战,详细综述了量子计算机、量子算法、量子底层软件栈等方面的研究进展... 详细信息

量子计算是最重要的后摩尔计算技术之一,拥有经典计算机无可比拟的超强计算能力,未来能够对各行业应用产生颠覆性的影响。针对量子计算给空气动力学带来的机遇和挑战,详细综述了量子计算机、量子算法、量子底层软件栈等方面的研究进展。结合空气动力学领域常用的基础方法,在综述量子计算线性方程组求解、插值操作、数值积分、优化搜索等最新进展的基础上,结合典型量子算法深入分析了量子计算在空气动力学领域的应用前景,并指出了需要重点关注的研究方向。

关键词：量子计算量子算法量子计算机量子软件空气动力学

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量子绝热近似求解最大割问题的最优解

计算机工程 2020年第1期46卷 25-30页

作者：王富民倪明周明吴永政中国电子科技集团公司第三十二研究所

经典近似算法求解最大割问题时,时间复杂度与图的复杂度呈正相关。为提高求解效率,使用量子绝热近似算法求解无向图最大割问题哈密顿量的基态,其基态对应该问题的最优解。该算法的时间复杂度不依赖于图的顶点个数及边的条数,可以在有限... 详细信息

经典近似算法求解最大割问题时,时间复杂度与图的复杂度呈正相关。为提高求解效率,使用量子绝热近似算法求解无向图最大割问题哈密顿量的基态,其基态对应该问题的最优解。该算法的时间复杂度不依赖于图的顶点个数及边的条数,可以在有限步骤内计算得到最大割解。基于ProjectQ量子软件进行编程模拟,建立由初始哈密顿量线性变化到最大割问题哈密顿量的演化路径,分析该路径下最大割问题哈密顿量期望值的变化,判断算法能否求出最优解。数值分析结果表明,量子绝热近似算法能够以较高准确率计算出最大割解,其求解3个顶点无向图和6个顶点无向稀疏图最大割问题的准确率为0.9999,求解6个顶点无向完全图最大割问题的准确率为0.9696。

关键词：量子计算量子绝热近似最大割问题哈密顿量量子软件

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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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基于超导量子计算体系的量子算法调度与量子门优化研究

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基于超导量子计算体系的量子算法调度与量子门优化研究

作者：陈鑫淼中国电子科技集团公司电子科学研究院

学位级别：硕士

作为一种新型计算机,量子计算机以其得天独厚的超高算力受到了各行各业的广泛关注。特别是超导量子计算机,以其量子线路参数的灵活性,更低的控制和读取的难度,更适合于工程化的独有优势成为量子计算的主流。本文设计并实现了一个基于超... 详细信息

作为一种新型计算机,量子计算机以其得天独厚的超高算力受到了各行各业的广泛关注。特别是超导量子计算机,以其量子线路参数的灵活性,更低的控制和读取的难度,更适合于工程化的独有优势成为量子计算的主流。本文设计并实现了一个基于超导量子计算体系的量子算法优化调度方法。本文设计的量子算法优化调度方法包含量子门和微波控制脉冲两个层面。在量子门的层面主要分为三个部分,分别是量子门分解、量子比特初始化和(2门的插入策略。在微波控制脉冲优化的层面上,本文使用基于梯度的方法对三能级体系下的微波控制脉冲进行优化,同时改进梯度优化的方法,将对脉冲序列的优化改进为对固定函数波形的参数优化。量子门分解成功地将逻辑上设计的量子门分解为量子芯片支持的基础门组,使得量子线路有了能在量子计算机上运行的条件。量子比特初始化完成了从逻辑上的量子比特到物理上的量子比特的映射,选择最优的量子比特保障了量子线路的可靠性与性能,基于启发式搜索的(2门插入策略极大幅度减少了由于插入(2门对量子线路性能和可靠性的影响,使量子线路的运行时间仅为优化前的1/2左右。微波控制脉冲的优化解决微波控制脉冲向高能级泄露的问题,提升了量子门的可靠性,优化固定波形的微波控制脉冲的改进策略大大降低了AWG生成微波控制脉冲的难度,从而缩小实际中生成的微波控制脉冲与理论上微波控制脉冲之间的差距,从工程方面提升了量子门的可靠性。

关键词：量子计算量子线路与量子门优化调度方法优化调度算法量子软件

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光量子密码系统实际设备脆弱性研究

光量子密码系统实际设备脆弱性研究

作者：武志豪国防科技大学

学位级别：硕士

基于量子效应所构建的量子信息处理系统拥有本质上强于一切经典装置的强大能力,这种优越性在加密技术领域有着充分体现。当前,经典密码技术中被广泛使用的RSA加密算法的安全性依赖于计算性假设。然而,这一假设并不是绝对可靠的。相关研... 详细信息

基于量子效应所构建的量子信息处理系统拥有本质上强于一切经典装置的强大能力,这种优越性在加密技术领域有着充分体现。当前,经典密码技术中被广泛使用的RSA加密算法的安全性依赖于计算性假设。然而,这一假设并不是绝对可靠的。相关研究人员已经提出了能够有效解决大数质因子分解问题的量子算法,这一成果意味着拥有量子计算机的攻击者可以破解经RSA算法加密的信息。另一方面,基于量子效应的密码技术则不依赖于计算性假设,这一类技术能够利用物理定律保护密钥在信息理论上的绝对安全性。在这一领域,以量子密钥分发、量子秘密共享为代表的各类量子密码技术得到了广泛的关注,部分技术已经基于光子体系进行了一定程度的实验验证,并出现了相关商用产品。由于实际实现的光量子密码系统存在一系列物理因素的制约,实际系统相较于其理论模型往往存在一些偏差,而攻击者可以利用这种偏差实现信息的窃取。对于BB84量子密钥分发系统,研究人员针对其探测端的物理实现偏差提出了连续光致盲攻击、门后攻击、死时间攻击等多种攻击方法。相应地,系统设计者针对这些攻击提出了异常电流检测、随机化探测效率等防御方案。这些防御方案在实际系统中取得了一定效果,但并没有被纳入量子密钥分发协议的安全性证明,其潜在脆弱性仍未得到充分研究。另一方面,尽管相关人员提出了关闭探测端所有漏洞的测量设备无关协议,其物理实现的困难性使其短时间内无法取代当前流行的制备-测量协议。因此,针对现阶段量子密钥分发系统的各类防御方案的进一步脆弱性研究对于提升光量子密码系统实际设备安全性至关重要。此外,随着光子信息处理系统的发展,物理上可实现的光量子密码系统的规模和复杂度都在不断提升。由于量子系统的希尔伯特空间随系统规模呈指数增长,当前研究人员的手动计算方法无法有效完成对这类系统内部机理的推导及安全性验证。近期复杂中等规模光量子密码系统的建模与安全性分析需要高效的自动化工具辅助完成,而相关研究仍处于空白阶段。本课题针对各类光量子密码系统进行了实际设备脆弱性研究,发现了多种存在的漏洞,提出了相应的攻击方法,并提供了辅助光量子密码系统验证分析的模拟器。具体贡献包括:·发现了当前量子密钥分发系统上广泛部署的异常电流检测防御方案的高频滤波特性为安全性漏洞,提出了能够绕过该防御实现窃听的脉冲光致盲攻击。我们基于现有的配备了该防御方案的量子密钥分发系统进行了脉冲光致盲攻击实验测试,成功在不触发异常电流警报的前提下产生了致盲时间。基于实验数据,我们对该攻击下的系统进行了安全性分析,说明了当系统信道长度大于20km时异常电流检测防御方案存在实质的安全性风险。·发现了量子密钥分发领域最新提出的随机化探测效率防御方案的实际脆弱性,提出了针对性的攻击方案。我们针对该防御方案的几条安全性假设进行了深入研究,设计出了能破坏其假设的部分探测器控制攻击,通过安全性分析说明了该攻击可以在不触发警报的情况下将系统密钥率从0.02比特每脉冲降低至0.016比特每脉冲。我们还列举出了真实攻击下物理设备性质与该方案多条安全性假设之间的一系列差异,包括多探测器间探测效率不匹配问题、随机衰减器有限调制率、脉冲光致盲的无入射光致盲时间。这一工作充分说明了随机化探测效率防御方案存在实际安全性问题。·设计实现了能够有效模拟复杂中等规模光量子密码系统的软件Photoni QLAB。该模拟器基于二次量化方法的代数表示与面向对象方法,除了提供“虚拟实验室”式的友好人机交互接口外,Photoni QLAB的代数模拟算法在复杂度理论上远优于传统矩阵向量模拟算法,能够有效模拟各类近期中等规模光量子密码系统,以验证其实际安全性。这一工具填补了领域空白,为自动化建模验证复杂中等规模光量子密码系统提供了基础软件。

关键词：光量子密码量子密钥分发量子软件

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量子云计算平台的现状与发展

信息通信技术与政策 2020年第7期 43-48页

作者：崔子嵬王维语翁文康南方科技大学物理系深圳518055 南方科技大学量子科学与工程研究院深圳518055 华为数据中心技术实验室深圳518129

量子计算机的运作需要严苛的物理环境,可以预见,量子云平台将成为未来量子计算应用的主要方式之一。本地用户可以通过互联网去连接作为云服务后端的量子处理器,获得量子计算的体验。通过介绍国内外主流量子云平台的进展,梳理了量子云平... 详细信息

量子计算机的运作需要严苛的物理环境,可以预见,量子云平台将成为未来量子计算应用的主要方式之一。本地用户可以通过互联网去连接作为云服务后端的量子处理器,获得量子计算的体验。通过介绍国内外主流量子云平台的进展,梳理了量子云平台的主流架构,并对未来我国量子云平台的发展进行了展望。

关键词：量子计算量子软件云计算量子云平台