一种用于量子信息编码的方法

1.本发明属于量子计算和量子线路优化领域，尤其涉及一种用于量子信息编码的方法。


背景技术：

2.量子信息编码是将经典采样后的信号编码到量子基上的过程，由于经典信号包括整个实数域，所以量子信息编码要实现将量子基的幅度任意改变，包括正负符号。量子信息编码的准确程度可以用保真度来描述，保真度定义是0≤f(ρ,σ)≤1，其中ρ和σ分别是两个量子态的密度矩阵，若两个量子态都是纯态，保真度可简化为f(ρ,σ)＝|《ψρ|ψσ》|2。
3.在进行量子信息编码的过程中，从初始态|0
…
0》到任意量子态制备的通用方法是一个关键点，现有技术有只针对幅度是正数的量子态制备方法，也有为了降低线路复杂度的机器学习方法，且方法不是单独针对实数信号的量子信息编码的通用方法。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种用于量子信息编码的方法,以解决现有技术中存在没有针对实数信号通用的量子信息编码方法及原量子编码线路深度较深的不足的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
6.一种用于量子信息编码的方法，实现量子信息编码线路并使用zx计算简化线路，包括如下步骤：
7.步骤1、将nyquist(奈奎斯特)采样后得到的离散信号进行数据压缩；
8.步骤2、将压缩后的数据按照用户的使用要求编码到选定的量子基上；
9.步骤3、按照流程设计量子线路，实现量子信息编码线路的制定；
10.量子信息编码线路的制定方法步骤为：
11.步骤3.1、数据压缩后的离散信号，按照模方和的算术平方根进行归一化；
12.步骤3.2、将归一化后的信息编码到量子比特的幅度和相位上得到需要制备量子态；
13.步骤3.3、将需要制备量子态书写成条件概率的形式；
14.步骤3.4、根据量子态的条件概率的形式,计算量子比特前系数；
15.步骤3.5、将量子比特前系数展开成二进制小数形式；
16.步骤3.6、通过辅助量子比特实现将辅助比特代表的数值编码到目标量子比特的幅度相位上；
17.步骤4、将量子信息编码线路用zx计算进行简化和还原操作，化简量子线路；
18.步骤5、初始量子态|0
…
00》经过简化量子信息编码线路制备出编码后量子态，并计算保真度f。
19.进一步的，步骤1中将采样后的离散信息进行经典数据的压缩。
20.进一步的，所述步骤4中将量子编码线路重写为zx图的规则如下：
21.步骤4.1.1、zx图是灰白连线图，其中灰点表示单比特x旋转门，相位标记在圆点内部；白点表示单比特z旋转门，相位标记在圆点内部；此外，白色的方框表示hadamard(哈达玛门)；
22.步骤4.1.2、量子线路转换为zx图中，原先的连线保持不变，将原先的量子门转换为zx图中的节点表示；
23.步骤4.1.3、两比特cnot门改写是控制端用白点表示，且相位为零，受控端用灰点表示，相位为零；
24.步骤4.1.4、通用单比特量子门改写成白点、灰点、白点相互相连形式，并忽略改写过程中全局相位造成的影响。
25.进一步的，步骤4中对量子编码线路进行zx计算的简化和还原操作，具体简化操作包括：
26.步骤4.2.1、相同颜色点相互融合，相位相加；
27.步骤4.2.2、白色方框经过一个点，该点的颜色需要改变成相反颜色；
28.步骤4.2.3、颜色不同的两个点之间如果有两条线相连，则可以同时消除这两条线；
29.步骤4.2.4、相位小工具的结构等效改写,实现cnot门从阶梯状到树状分布。
30.进一步的，zx计算还原操作包括：zx改写规则的逆运算和高斯消除法实现。
31.本发明的一种用于量子信息编码的方法，具有以下优点：
32.本发明提供一种用于量子信息编码的方法，通过编码后的量子线路使用zx计算，在zx图上进行简化的操作，实现再转换回的线路具有更简洁的特点，并高效的进行量子信息的编码。
附图说明
33.图1为本发明的工作流程图；
34.图2为本发明的实施例中设计的量子信息编码线路图；
35.图3为本发明实施例中zx简化后量子信息编码线路。
具体实施方式
36.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种用于量子信息编码的方法做进一步详细的描述。
37.如图1所示为进行量子信息编码的流程图，包括如下步骤：
38.步骤1、将nyquist(奈奎斯特)采样后得到的离散信号进行数据压缩；
39.将采样后的离散信息进行经典数据的压缩。经典操作就是现在经典计算机当中的算法操作。是本领域公知，经典的数据压缩有很多已经成熟的方案，按照使用的不同需求可以选择不同的压缩方式。
40.步骤2、将压缩后的数据按照要求编码到选定的量子基上；
41.步骤3、按照理论流程设计量子线路，实现量子信息编码线路的制定；
42.设计方法步骤为：
43.步骤3.1、数据压缩后的离散信号sn，按照模方和的算术平方根进行归一化得到
44.步骤3.2、将归一化后的经典信息编码到n-qbit幅度和相位上得到n位量子态|ψ》；
45.步骤3.3、将n位量子态|ψ》书写成条件概率的形式；
46.步骤3.4、记α为量子态|ψ》的条件概率形式的系数，比如α
01
则对应上述举例的条件概率形式中第一bit是|0》，第二个bit|1》前面系数。通过n位量子态|ψ》的条件概率形式分别计算2
n+1-2个w0,w1,w
00
,w
01
,w
10
,w
11
,
…w111
…1组成w；
47.步骤3.5、将w中元素展开成二进制小数得到数组
48.步骤3.6、使用n+k位量子比特，其中k位作为辅助比特，用来实现将cos(2πw)值编码到|0》和sin(2πw)值编码到|1》。
49.步骤4、将量子信息编码线路用zx计算进行化简和还原操作，简化量子线路；
50.对量子编码线路进行zx计算的简化和还原操作，将量子编码线路重写为zx图的规则如下：
51.步骤4.1.1、zx图是灰白连线图，其中灰点(单输入单输出)表示单比特x旋转门，相位标记在圆点内部；白点(单输入单输出)表示单比特z旋转门，相位标记在圆点内部。此外，白色的方框(单输入单输出)表示hadamard(哈达玛)门；
52.步骤4.1.2、量子线路转换为zx图中，原先的连线保持不变，将原先的量子门转换为zx图中的节点表示；
53.步骤4.1.3、两比特cnot门改写是控制端用白点表示，且相位为零，受控端用灰点表示，相位为零；
54.步骤4.1.4、通用单比特量子门改写成白点、灰点、白点相互相连形式，并可忽略改写过程中全局相位造成的影响；
55.具体简化操作包括：
56.步骤4.2.1、相同颜色点相互融合，相位相加；相同颜色的点表示相同类型的旋转门，这是zx计算中的规则和定义。
57.步骤4.2.2、白色方框经过一个点，该点的颜色需要改变成相反颜色；白色方框表示hadamard门(哈达玛门)这是zx计算中的规则和定义。
58.步骤4.2.3、颜色不同的两个点之间如果有两条线相连，则可以同时消除这两条线；
59.步骤4.2.4、相位小工具的结构等效改写,实现cnot门从阶梯状到树状分布。相位小工具是zx计算中的一种方法，文献中是phase gadgets。
60.zx计算还原操作包括：zx改写规则的逆运算和其它算法实现。其它算法包括高斯消除法，这是文献中的一种算法，还可以有其他还原的算法。
61.步骤5、初始量子态|0
…
00》经过简化量子信息编码线路制备出编码后量子态，并计算保真度f。
62.如图2所示为设计的量子信息编码线路(q0,q1…
q7为辅助量子比特，q8,q9,q
10
为编码的量子态)，其编码的具体流程如下：
63.步骤1、将满足nyquist(奈奎斯特)采样定理后得到的m个离散信号rm进行经典数
据的压缩得到2n个离散信号sn，本实施例中采用删掉所有0的压缩方式；本例：
[0064][0065][0066]
步骤2、将压缩后的数据按照用户的使用要求编码到选定的量子基上
[0067]
步骤3.1、将数据压缩后的离散信号sn，按照模方和的算术平方根进行归一化得到本例：
[0068][0069]
步骤3.2、将归一化后的经典信息编码到n-qbit幅度和相位上得到n位量子态|ψ》；本例：
[0070][0071]
步骤3.3、将n位量子态|ψ》书写成条件概率的形式，计算到w；本例：
[0072][0073]
步骤3.4、记α为量子态|ψ》的条件概率形式的系数，比如α
01
则对应上述举例的条件概率形式中第一bit是|0》，第二个bit|1》前面系数通过n位量子态|ψ》的条件概率形式分别计算2
n+1-2个w0,w1,w
00
,w
01
,w
10
,w
11
,
…w111
…1；由于前n-1位量子态优先提取正数系数，所以可将需要计算的w数目，缩减到2
n-1；前n-1位系数计算出的w满足：cos2(2πw
β0
)＝(α
β0
)2,第n位前面的系数满足w
β
∈[0,1)；本例：
[0074]
w＝[0.0833 0.1667 0.0833 0.4167 0.1250 0.8333 0.1250]
[0075]
步骤3.5、将w中元素展开成二进制小数得到数组本例保留8位(采取0舍1入，保留位数和精度有关)。本例：
[0076][0077]
步骤3.6、本例中使用n+8位量子比特，其中8位作为辅助比特，用来实现将cos(2πw)值编码到|0》和sin(2πw)值编码到|1》。改变辅助比特的数目计算保真度得到下表：
[0078][0079]
步骤4、如图3所示为量子信息编码线路按照zx图通用简化规则和已探索的一些规则进行优化操作，并还原回量子线路，得到简化量子编码线路，简化后线路相比于图2原线路，具有更浅的深度和更少的量子门。
[0080]
步骤5、初始量子态|0
…
00》经过简化量子信息编码线路制备出编码后量子态，并计算保真度f。
[0081]
本方法是单独针对实数信号的量子信息编码的通用方法。对于线路复杂的问题，使用zx计算解决这个问题，zx计算是一种针对量子计算专门制定的张量网络，其由zx图和重写规则构成，可以实现任意的量子线路重写成zx图，即主要由白点和灰点构成的图。在zx计算中，zx图具有很多的等效规则，灵活的运用等效规则可以对zx图进行化简，也等价对原量子线路进行化简再改写成zx图。
[0082]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。