量子信道噪声估计方法及装置、电子设备和介质与流程

1.本公开涉及计算机领域，尤其涉及量子计算机技术领域，具体涉及一种量子信道噪声估计方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。


背景技术：

2.非局域噪声常见于各种量子系统和量子设备。例如，串扰(crosstalk)作为电子和通信科学广泛使用的概念，描述了两个信道之间存在意外的耦合，使得系统的运行中出现不可控的未知行为并带来各种隐患。在量子计算中，串扰指系统的某个部分，如一部分量子比特(qubit)、某一条量子信道(quantum channel)等意外地被其他子系统影响。类似串扰的非局域噪声极大地损害了量子设备的效率与可靠性。


技术实现要素：

3.本公开提供了一种量子信道噪声估计方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。
4.根据本公开的一方面，提供了一种量子信道噪声估计方法，所述量子信道包括至少两个量子比特，所述方法包括：确定所述量子信道所对应的第一子系统和第二子系统、以及所述第一子系统和第二子系统分别对应的第一辅助系统和第二辅助系统，其中，所述第一辅助系统与所述第一子系统的量子比特数相同，所述第二辅助系统与所述第二子系统的量子比特数相同；执行以下操作三次以获得第一量子态和第二量子态，其中所述第一量子态为对所述第一子系统和所述第二子系统中的一个子系统所对应的输出量子态取偏迹所得到的量子态，所述第二量子态为所述第一量子态所对应的直积态：初始化所述第一子系统、所述第二子系统、所述第一辅助系统和所述第二辅助系统各自对应的量子态，以使得所述第一子系统和所述第一辅助系统处于最大纠缠态、以及所述第二子系统和所述第二辅助系统处于最大纠缠态，并且所述第一子系统和所述第一辅助系统的组合量子态与所述第二子系统和所述第二辅助系统的组合量子态之间为直积态；将所述量子信道作用于所述第一子系统和所述第二子系统所对应的量子态；确定所述第一量子态和所述第二量子态之间的第一相似度，以基于所述第一相似度估计所述量子信道的噪声强度。
5.根据本公开的另一方面，提供了一种量子信道噪声估计装置，所述量子信道包括至少两个量子比特，所述装置包括：第一确定单元，配置为确定所述量子信道所对应的第一子系统和第二子系统、以及所述第一子系统和第二子系统分别对应的第一辅助系统和第二辅助系统，其中，所述第一辅助系统与所述第一子系统的量子比特数相同，所述第二辅助系统与所述第二子系统的量子比特数相同；第一操作单元，配置为执行以下操作三次以获得第一量子态和第二量子态，其中所述第一量子态为对所述第一子系统和所述第二子系统中的一个子系统所对应的输出量子态取偏迹所得到的量子态，所述第二量子态为所述第一量子态所对应的直积态：初始化所述第一子系统、所述第二子系统、所述第一辅助系统和所述第二辅助系统各自对应的量子态，以使得所述第一子系统和所述第一辅助系统处于最大纠
缠态、以及所述第二子系统和所述第二辅助系统处于最大纠缠态，并且所述第一子系统和所述第一辅助系统的组合量子态与所述第二子系统和所述第二辅助系统的组合量子态之间为直积态；将所述量子信道作用于所述第一子系统和所述第二子系统所对应的量子态；第二确定单元，配置为确定所述第一量子态和所述第二量子态之间的第一相似度，以基于所述第一相似度估计所述量子信道的噪声强度。
6.根据本公开的另一方面，提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，该指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行本公开所述的方法。
7.根据本公开的另一方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，该计算机指令用于使计算机执行本公开所述的方法。
8.根据本公开的另一方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序在被处理器执行时实现本公开所述的方法。
9.根据本公开的一个或多个实施例，通过引入辅助系统以与相对应的子系统形成量子纠缠，极大地避免了计算复杂度过高的问题；通过引入辅助系统，将判断因果性的问题转换为判断量子信道的输出态是否为直积态的问题。
10.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
11.附图示例性地示出了实施例并且构成说明书的一部分，与说明书的文字描述一起用于讲解实施例的示例性实施方式。所示出的实施例仅出于例示的目的，并不限制权利要求的范围。在所有附图中，相同的附图标记指代类似但不一定相同的要素。
12.图1示出了根据本公开的实施例的量子信道噪声估计方法的流程图；
13.图2示出了根据本公开的实施例的通过算符指数化操作确定相应输出态的流程图；
14.图3示出了根据本公开的实施例的量子信道噪声估计装置的结构框图；以及
15.图4示出了能够用于实现本公开的实施例的示例性电子设备的结构框图。
具体实施方式
16.以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
17.在本公开中，除非另有说明，否则使用术语“第一”、“第二”等来描述各种要素不意图限定这些要素的位置关系、时序关系或重要性关系，这种术语只是用于将一个元件与另一元件区分开。在一些示例中，第一要素和第二要素可以指向该要素的同一实例，而在某些情况下，基于上下文的描述，它们也可以指代不同实例。
18.在本公开中对各种所述示例的描述中所使用的术语只是为了描述特定示例的目的，而并非旨在进行限制。除非上下文另外明确地表明，如果不特意限定要素的数量，则该
要素可以是一个也可以是多个。此外，本公开中所使用的术语“和/或”涵盖所列出的项目中的任何一个以及全部可能的组合方式。
19.下面将结合附图详细描述本公开的实施例。
20.迄今为止，正在应用中的各种不同类型的计算机都是以经典物理学为信息处理的理论基础，称为传统计算机或经典计算机。经典信息系统采用物理上最容易实现的二进制数据位存储数据或程序，每一个二进制数据位由0或1表示，称为一个位或比特，作为最小的信息单元。经典计算机本身存在着不可避免的弱点：一是计算过程能耗的最基本限制。逻辑元件或存储单元所需的最低能量应在kt的几倍以上，以避免在热胀落下的误动作；二是信息熵与发热能耗；三是计算机芯片的布线密度很大时，根据海森堡不确定性关系，电子位置的不确定量很小时，动量的不确定量就会很大。电子不再被束缚，会有量子干涉效应，这种效应甚至会破坏芯片的性能。
21.量子计算机(quantum computer)是一类遵循量子力学性质、规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理设备。当某个设备处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，他就是量子计算机。量子计算机遵循着独一无二的量子动力学规律(特别是量子干涉)来实现一种信息处理的新模式。对计算问题并行处理，量子计算机比起经典计算机有着速度上的绝对优势。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果，这种计算称为量子并行计算。量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作，例如一个很大的自然数的因子分解。量子相干性在所有的量子超快速算法中得到了本质性的利用。因此，用量子态代替经典态的量子并行计算，可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能，同时节省了大量的运算资源。
22.量子计算机的技术正在飞速地发展，越来越多的量子应用在不断涌现，量子计算机硬件的技术也在逐年提升。但是，在近期量子计算机上，量子数据(即量子态，quantum state)的存储和传输仍然有着一定的技术缺口。尤其是传输过程中的噪声影响仍旧是现阶段亟需研究和改进的问题。随着量子计算设备规模的增长，类似串扰的非局域噪声极大地损害了量子计算设备的效率与可靠性，甚至成为规模进一步增长的瓶颈问题。能够在量子硬件电路中实现对串扰问题的探测和量化会对量子设备性能的衡量以及未来量子设备的研发带来极大价值。
23.具体地，量子数据是通过量子信道(quantum channel)进行传输的。量子系统之间的相互作用可以记作量子信道。量子信道是量子计算、量子信息领域中最基本的研究对象。在实际的问题中，量子数据在量子信道中的传输往往会受到噪声的影响，导致可能无法得到高保真度的量子数据，而这样的影响往往可以用有噪量子信道(noisy quantum channel)来描述。如果能获得某个未知的有噪量子信道的信息，就可以事先知道量子数据在该量子信道内传输会受到怎样的影响。同时，对于一个量子信道，如果能用经典数据对其进行刻画并将刻画的信息存储下来，将有利于对该量子信道进行更多场景下的分析。
24.通常，探测给定量子系统中的非局域噪声，相当于在给定了一个量子信道后，确定该量子信道的不同输入部分是否会互相影响。简而言之，如果通道的输入被分割为a、b两个子系统，在没有非局域噪声的情况下，子系统a的输入输出将不受子系统b的影响，这个性质也被称为因果性(causality)。
25.当前对非局域噪声的探测和定量评估的指标仍然处在较初级的阶段，多集中于采用经典理论而且需要引入额外的假设，例如量子过程层析方法(quantum process tomography)、基于预设串扰形式进行噪声探测。
26.由于量子信道对输入态的线性特性，在选定一组基(basis)后，所需要判断的因果性问题就成为了判断量子信道的有限个可能输入是否能够符合预期的问题。量子过程层析方法即为通过检查量子信道的输入输出来判断因果性。当两个子系统a,b的希尔伯特空间维度分别为da,db时，该方法至少需要遍历的元素数量为当量子信道的规模增大时，其对应系统的希尔伯特空间维数指数级增加，带来不可接受的成本。并且，由于实践中往往难以如理论要求一样输入要求的量子态，因此其潜在成本更高，甚至难以在实际体系中应用。此外，量子过程层析方法能够取得目标量子信道的所有信息，远远超过了噪声探测的范围，存在资源浪费。
27.基于预设串扰形式进行噪声探测，往往基于经典信息论和经典的假设检验方法。虽然通常具有较小的时间复杂度，但其对串扰形式的假设往往过强，甚至远离实际情况。为了检测所有可能类型的串扰，基于预设串扰形式的探测方法潜在复杂度很大。此外，通过假设检验的方法进行间接检测会遭受统计误差等非物理因素的影响，难以保证其可靠性。
28.因此，根据本公开的实施例提供了一种量子信道噪声估计方法。所述量子信道包括至少两个量子比特。图1示出了根据本公开的实施例量子信道噪声估计方法的流程图，如图1所示，所述方法100包括：确定量子信道所对应的第一子系统和第二子系统、以及第一子系统和第二子系统分别对应的第一辅助系统和第二辅助系统(步骤110)；执行以下操作三次以获得第一量子态和第二量子态，第一量子态为对第一子系统和第二子系统中的一个子系统所对应的输出量子态取偏迹所得到的量子态，第二量子态为第一量子态所对应的直积态(步骤120)：初始化第一子系统、第二子系统、第一辅助系统和第二辅助系统各自对应的量子态，以使得第一子系统和第一辅助系统处于最大纠缠态、以及第二子系统和第二辅助系统处于最大纠缠态，并且第一子系统和第一辅助系统的组合量子态与第二子系统和第二辅助系统的组合量子态之间为直积态(步骤1201)；将所述量子信道作用于第一子系统和第二子系统所对应的量子态(步骤1202)；确定所述第一量子态和所述第二量子态之间的第一相似度，以基于所述第一相似度估计所述量子信道的噪声强度(步骤130)。
29.在本公开中，第一辅助系统与第一子系统的量子比特数相同，第二辅助系统与第二子系统的量子比特数相同。
30.在本公开中，量子信道ε包括至少两个量子比特，因此该量子信道可以被二分为两个子系统a,b。例如，当该量子信道为2比特时，可以分成两个单比特的子系统a,b；当该量子信道为3比特时，可以分成一个单比特的子系统a和一个双比特的子系统b。将量子信道二分为两个子系统a,b可以由本领域技术人员方便地实现，在此不再赘述。从而，判断量子信道ε是否具有因果性，即判断该量子信道在子系统a(b)上的作用是否会依赖于子系统b(a)的输入。
31.进一步地，确定子系统a,b各自对应的辅助系统a
′
,b
′
，辅助系统a
′
的量子比特数与子系统a的量子比特数相同，辅助系统b
′
的量子比特数与子系统b的量子比特数相同。然后，初始化子系统a,b、辅助系统a
′
,b
′
各自对应的量子态，以使得子系统a和辅助系统a
′
处于最大纠缠态、以及子系统b和辅助系统b
′
处于最大纠缠态，并且子系统a和辅助系统a
′
的
组合量子态与子系统b和辅助系统b的组合量子态之间为直积态，即，
[0032][0033]
其中，|i,i》
aa
′
和|j,j》
bb
′
分别表示子系统a和辅助系统a
′
的组合量子态、以及子系统b和辅助系统b的组合量子态，da,db分别为子系统a,b的希尔伯特空间的维度。
[0034]
在一些示例中，如果要判断该量子信道在子系统a上的作用是否会依赖于系统b的输入，即在将该量子信道作用于对子系统a,b的初始量子态后，对子系统b所对应的输出量子态取偏迹，得到系统aa
′b′
上的第一量子态ρ1、以及系统aa
′
和b
′
上的第二量子态ρ2，第二量子态ρ2为第一量子态ρ1所对应的直积态。本公开将判断因果性的问题转换为判断量子信道的输出态是否为直积态的问题，也即转换为确定第一量子态ρ1和第二量子态ρ2是否相同或相似的问题。确定第一量子态ρ1和第二量子态ρ2否相同或相似，可以通过任何合适的算法实现，包括但不限于f范数、迹距离、保真度等。
[0035]
具体地，为了证明：所得到的系统aa
′b′
上的量子态是系统aa
′
和b
′
上之间的直积态,那么就意味着量子信道ε在子系统a上的作用不会依赖于系统b的输入，则有以下推导：
[0036]
如果将上述公式写为密度矩阵的形式，则得到：
[0037][0038]
其中，
[0039][0040]
那么，将量子信道ε作用于引入辅助系统的量子系统(其只会影响ab子系统)，得到：
[0041][0042]
假设对子系统b所对应的输出量子态取偏迹，所得到的量子态为：
[0043][0044]
其中，将简记为t
ij,i
′j′
。需要注意到，对于其输入量子态为最大纠缠态时，该量子信道具有如下性质：
[0045][0046]
而，
[0047][0048]
对于任意的量子信道，总能找到一个定义在更大空间上的酉矩阵u使得：
[0049][0050]
其中，c是酉矩阵表示中额外的系统，dc是它的希尔伯特空间的维度。因此得到：
[0051][0052]
如果ρ1是bb
′
上的直积态，根据ρ2的定义：
[0053][0054]
则有ρ1＝ρ2。而两个矩阵相等当且仅当它们的所有矩阵元对应相等,这意味着如果：
[0055][0056]
则可以得到：
[0057]
t
ij,i
′j′
＝r
ij
δi′j′
[0058]
其中r
ij
是一个矩阵。假设两个子系统上的输入分别为ρa,ρb,能够用这组基展开为：ρa＝∑
ij
ρ
a,ij
|i》《j|，ρb＝∑i′j′
ρ
b,i
′j′
|i
′
》《j
′
|，
[0059][0060]
注意到对密度矩阵具有归一化条件：∑kρ
kk
＝1，从而
[0061][0062]
等号右边与ρb完全无关，满足因果性的要求。从而证明，量子信道ε具有子系统b的
输入不影响子系统a的特性。
[0063]
根据本公开的实施例，通过引入辅助系统以与相对应的子系统形成量子纠缠，极大地避免了计算复杂度过高的问题；通过引入辅助系统，将判断因果性的问题转换为判断量子信道的输出态是否为直积态的问题。
[0064]
通过上述操作，可以确定该量子信道在子系统a上的作用是否会依赖于子系统b的输入，或者确定该量子信道在子系统b上的作用是否会依赖于子系统a的输入。这取决于所述第一量子态是为对第一子系统和第二子系统中的哪一个子系统所对应的输出量子态取偏迹所得到的。为了更好地对量子信道的噪声进行评估，可以在确定该量子信道在子系统a上的作用是否会依赖于子系统b的输入后，再进一步确定该量子信道在子系统b上的作用是否会依赖于子系统a的输入，以综合评估噪声水平。
[0065]
因此，根据一些实施例，根据本公开的方法还可以包括：执行以下操作三次以获得第三量子态和第四量子态，其中所述第三量子态为对所述第一子系统和所述第二子系统中的另一个子系统所对应的输出量子态取偏迹所得到的量子态，所述第四量子态为所述第三量子态所对应的直积态：初始化所述第一子系统、所述第二子系统、所述第一辅助系统和所述第二辅助系统各自对应的量子态，以使得所述第一子系统和所述第一辅助系统处于最大纠缠态、以及所述第二子系统和所述第二辅助系统处于最大纠缠态，并且所述第一子系统和所述第一辅助系统的组合量子态与所述第二子系统和所述第二辅助系统的组合量子态之间为直积态；将所述量子系统作用于所述第一子系统和所述第二子系统所对应的量子态；确定所述第三量子态和所述第四量子态之间的第二相似度，以基于所述第一相似度和所述第二相似度估计所述量子信道的噪声强度。
[0066]
根据一些实施例，基于所述第一相似度和所述第二相似度估计所述量子系统的噪声强度包括：将所述第一相似度和所述第二相似度进行加权求和，以基于求和结果估计所述量子系统的噪声强度。
[0067]
根据一些实施例，确定所述第一量子态和所述第二量子态之间的第一相似度包括：通过算符指数化操作确定与所述第一量子态相对应的第一输出态以及与所述第二量子态相对应的第二输出态；以及基于所述第一输出态和所述第二输出态确定所述第一相似度，以基于所述第一相似度估计所述量子信道的噪声强度。
[0068]
根据一些实施例，确定所述第三量子态和所述第四量子态之间的第二相似度包括：通过算符指数化操作确定与所述第三量子态相对应的第三输出态以及与所述第四量子态相对应的第四输出态；以及基于所述第三输出态和所述第四输出态确定所述第二相似度，以基于所述第一相似度和所述第二相似度估计所述量子系统的噪声强度。
[0069]
在该实施例中，将判断直积态的问题通过算符指数化操作进行解决，从而进一步降低了时间复杂度，适用于较大规模的物理系统。
[0070]
算符指数化操作(exponentiation)是一种特别的量子线路，它被用来高效地从一个厄米算符(通常是某个密度矩阵)ρ出发，在目标量子态σ上模拟以下演化操作，并通过相应的演化时间t对误差进行控制，得到输出结果。
[0071]
f(ρ,σ；t)＝e-iρt
σe
iρt
+o(t2)
[0072]
根据一些实施例，如图2所示，通过算符指数化操作确定与所述第一量子态相对应的第一输出态以及与所述第二量子态相对应的第二输出态(方法200)可以包括：确定与所
述第一量子态相对应的第三辅助系统、以及与所述第二量子态相对应的第四辅助系统(步骤210)；初始化所述第三辅助系统和所述第四辅助系统各自对应的量子态，以使得所述第一量子态和所述第三辅助系统对应的量子态处于最大纠缠态、以及所述第二量子态和所述第四辅助系统对应的量子态处于最大纠缠态(步骤220)；分别基于所述第一量子态和所述第二量子态构造第一酉算符和第二酉算符(步骤230)；基于所述第一酉算符对所述第一量子态和所述第三辅助系统对应量子态所形成的组合态进行算符指数化操作，以获得所述第一输出态(步骤240)；以及基于所述第二酉算符对所述第二量子态和所述第四辅助系统对应量子态所形成的组合态进行算符指数化操作，以获得所述第二输出态(步骤250)。
[0073]
在根据本公开的示例性实施例中，引入两个辅助系统a
′
,b
′
，它们的尺寸同a,b相等。利用预设好的量子线路制备好初始态，它令a,a
′
和b,b
′
各自处在最大纠缠态，但a,a
′
和b,b
′
之间为直积态，即，
[0074][0075]
其中，基矢|i》,|j》可任意选取。
[0076]
将量子信道ε作用于子系统a,b所对应的初始态，在输出态上对子系统b取偏迹(即，取除子系统b以外的其他子系统和辅助系统所对应的输出量子态)，其可以通过将子系统b从之后的操作中隔离实现，此时，得到输出量子态态(它是定义在系统a,a
′
,b
′
的量子态)：
[0077][0078]
重复制备初始态以及通过将量子信道ε作用于子系统a,b的操作两次，制备出与ρ1相对应的直积态ρ2,例如，
[0079][0080]
在一些实施例中，通过算符指数化操作构造和两个酉算符，通过引入额外的辅助系统(同aa
′b′
大小相等)构造最大纠缠态，然后分别通过酉算符得到通过算符指数化操作所对应的输出态，即：
[0081][0082]
其中，维度d正是复合系统aa
′b′
的希尔伯特空间维度。通过swap测试计算两个输出态|u1》、|u2》的相似度。
[0083]
根据一些实施例，根据以下公式确定所述第一输出态|u1》和所述第二输出态|u2》的第一相似度i：
[0084][0085]
其中，表示ρ1所对应复合系统aa
′b′
的希尔伯特空间维度，tr()表示矩阵的迹，ρ1和ρ2分别表示所述第一量子态和所述第二量子态，t表示所述算符指数化操作
所对应的演化时间，i为虚数单位。
[0086]
根据一些实施例，所述算符指数化操作所对应的演化时间t的数量级根据以下公式确定：
[0087][0088]
其中，d表示所述第一量子态所对应复合系统的希尔伯特空间维度。通过选择演化时间检查相似度i是否为1。为了确定性检测这一步需要多次测试，其最差复杂度为d，平均则为
[0089]
最后，输出因果性程度为i，它是一个取值范围在[0,1]上的数值。相同条件(演化时间和维度)下，因果性程度越大意味着因果性越好。当因果性程度为1时，意味着量子信道ε在b到a的方向上具有最强的因果性，此时量子信道在a上的作用完全不依赖于b的输入。
[0090]
在根据本公开实施例的一个应用中，考虑一个简单的两比特退极化信道，它被定义为：
[0091][0092]
根据本公开实施例所述的方法，将该信道作用于初始量子态，得到输出态(尚未对子系统b取偏迹)：
[0093][0094]
其中，求和指标i,i
′
遍历da＝2个基(单比特子系统)，j,j
′
遍历db＝2个基。
[0095]
对子系统b取偏迹，得到输出态ρ1为：
[0096][0097]
其中，bell态被定义为|bell》＝(|00》+|11》)/2。可以看出，ρ1是系统aa
′
和b
′
上的直积态，这正符合退极化通道的因果关系。
[0098]
为了更普遍地验证本公开实施例所述方法的正确性，可以随机生成一组因果的和非因果的量子信道。具体地，按照以下方法生成这些信道：
[0099]
1)、所生成的因果信道为一组直积通道的概率和；
[0100]
2)、非因果信道为在随机因果通道后加入一组cnot门，以形成耦合。
[0101]
两种量子信道的个数均为50个，其中a、b子系统均有两个量子比特(即希尔伯特空间维度为da＝db＝4)，如果算法返回的相似度大于0.97则判断具有因果性。实验显示，根据本公开实施例所述方法的成功率可达到95％。
[0102]
进一步地，可以展示几个常见量子信道(swap门、cnot门、退极化通道(参数值为0.3))的相似度i的值，同使用量子相对熵来比较ρ1,ρ2之间差异来进行对比。实验结果如下表1和表2所示。
[0103]
信道名称相似度相对熵swap0.68351.3863cnot0.77460.6931
退极化1.0000-0.0000
[0104]
表1：a、b子系统均有1个量子比特
[0105]
信道名称相似度相对熵swap0.83402.7726cnot0.84531.3863退极化1.0000-0.0000
[0106]
表2：a、b子系统均有2个量子比特
[0107]
可以看到，在相对熵等于0的时候相似度i为1，意味着量子信道拥有因果性。此外，相同条件下相对熵越小意味着因果性越弱，而相似度表现出同相对熵的负的相关性。注意到相对熵越小意味着两个量子态差距越小，这符合我们的预期：相似度越大(越接近1)，代表相对熵越小，从而ρ1,ρ2越接近，意味着因果性越强。
[0108]
根据本公开的实施例，利用确定的输入量子态态，不再受限于态制备的问题以及遍历可能输入带来巨大成本；将因果性探测等价于直积态探测，不需要对问题做出更多假设，同时也将不受限于平台，带来更高的通用性；实现了对不同量子通道的因果性性质进行定量的比较，这在大量的研究和生产中是实用的。
[0109]
根据本公开的实施例，如图3所示，还提供了一种量子信道噪声估计装置300，所述量子信道包括至少两个量子比特，所述装置300包括：第一确定单元310，配置为确定所述量子信道所对应的第一子系统和第二子系统、以及所述第一子系统和第二子系统分别对应的第一辅助系统和第二辅助系统，其中，所述第一辅助系统与所述第一子系统的量子比特数相同，所述第二辅助系统与所述第二子系统的量子比特数相同；第一操作单元320，配置为执行以下操作三次以获得第一量子态和第二量子态，其中所述第一量子态为对所述第一子系统和所述第二子系统中的一个子系统所对应的输出量子态取偏迹所得到的量子态，所述第二量子态为所述第一量子态所对应的直积态：初始化所述第一子系统、所述第二子系统、所述第一辅助系统和所述第二辅助系统各自对应的量子态，以使得所述第一子系统和所述第一辅助系统处于最大纠缠态、以及所述第二子系统和所述第二辅助系统处于最大纠缠态，并且所述第一子系统和所述第一辅助系统的组合量子态与所述第二子系统和所述第二辅助系统的组合量子态之间为直积态；将所述量子信道作用于所述第一子系统和所述第二子系统所对应的量子态；第二确定单元330，配置为确定所述第一量子态和所述第二量子态之间的第一相似度，以基于所述第一相似度估计所述量子信道的噪声强度。
[0110]
这里，量子信道噪声估计装置300的上述各单元310～330的操作分别与前面描述的步骤110～130的操作类似，在此不再赘述。
[0111]
根据本公开的实施例，还提供了一种电子设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。
[0112]
参考图4，现将描述可以作为本公开的服务器或客户端的电子设备400的结构框图，其是可以应用于本公开的各方面的硬件设备的示例。电子设备旨在表示各种形式的数字电子的计算机设备，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述
的和/或者要求的本公开的实现。
[0113]
如图4所示，电子设备400包括计算单元401，其可以根据存储在只读存储器(rom)402中的计算机程序或者从存储单元408加载到随机访问存储器(ram)403中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在ram403中，还可存储电子设备400操作所需的各种程序和数据。计算单元401、rom 402以及ram 403通过总线404彼此相连。输入/输出(i/o)接口405也连接至总线404。
[0114]
电子设备400中的多个部件连接至i/o接口405，包括：输入单元406、输出单元407、存储单元408以及通信单元409。输入单元406可以是能向电子设备400输入信息的任何类型的设备，输入单元406可以接收输入的数字或字符信息，以及产生与电子设备的用户设置和/或功能控制有关的键信号输入，并且可以包括但不限于鼠标、键盘、触摸屏、轨迹板、轨迹球、操作杆、麦克风和/或遥控器。输出单元407可以是能呈现信息的任何类型的设备，并且可以包括但不限于显示器、扬声器、视频/音频输出终端、振动器和/或打印机。存储单元408可以包括但不限于磁盘、光盘。通信单元409允许电子设备400通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据，并且可以包括但不限于调制解调器、网卡、红外通信设备、无线通信收发机和/或芯片组，例如蓝牙tm设备、802.11设备、wifi设备、wimax设备、蜂窝通信设备和/或类似物。
[0115]
计算单元401可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元401的一些示例包括但不限于中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、各种专用的人工智能(ai)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(dsp)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元401执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法100。例如，在一些实施例中，方法100可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元408。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由rom 402和/或通信单元409而被载入和/或安装到电子设备400上。当计算机程序加载到ram 403并由计算单元401执行时，可以执行上文描述的方法100的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元401可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法100。
[0116]
本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、专用标准产品(assp)、芯片上系统的系统(soc)、复杂可编程逻辑设备(cpld)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
[0117]
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
[0118]
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
[0119]
为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，crt(阴极射线管)或者lcd(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。
[0120]
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(lan)、广域网(wan)、互联网和区块链网络。
[0121]
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。
[0122]
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本公开中记载的各步骤可以并行地执行、也可以顺序地或以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
[0123]
虽然已经参照附图描述了本公开的实施例或示例，但应理解，上述的方法、系统和设备仅仅是示例性的实施例或示例，本发明的范围并不由这些实施例或示例限制，而是仅由授权后的权利要求书及其等同范围来限定。实施例或示例中的各种要素可以被省略或者可由其等同要素替代。此外，可以通过不同于本公开中描述的次序来执行各步骤。进一步地，可以以各种方式组合实施例或示例中的各种要素。重要的是随着技术的演进，在此描述的很多要素可以由本公开之后出现的等同要素进行替换。