KR20230149628A - Method and apparatus for counterfactual controlled quantum teleportation in an integrated quantum information processing system - Google Patents

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KR20230149628A
KR20230149628A KR1020220049079A KR20220049079A KR20230149628A KR 20230149628 A KR20230149628 A KR 20230149628A KR 1020220049079 A KR1020220049079 A KR 1020220049079A KR 20220049079 A KR20220049079 A KR 20220049079A KR 20230149628 A KR20230149628 A KR 20230149628A
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Abstract

양자 정보 처리 통합 시스템에서 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 장치 및 방법을 개시한다. 송신 단말에서 수행되는 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 방법은 2N 개의 GHZ( Greenberger-Horne-Zeilinger)상태를 반사실적으로 생성하는 단계와, N개의 GHZ 상태의 임의의 서브세트를 선택하고, 선택된 서브세트의 위치를 수신 단말 및 제어 단말로 통지하는 단계와, 상기 수신 단말 및 제어 단말의 큐빗 측정 결과를 수신하고 측정 결과의 일관성을 확인하는 단계 및 상기 측정 결과의 일관성이 기 설정된 임계 값까지 신뢰 가능한 경우 자신이 소유한 큐빗에 대해 벨 기반 측정을 수행함으로써, 미지의 양자상태를 순간이동 시키는 단계를 포함한다.Disclosed is an apparatus and method for supporting controlled counterfactual quantum teleportation in a quantum information processing integrated system. The controlled counterfactual quantum teleportation support method performed at the transmitting terminal includes the steps of counterfactually generating 2N GHZ (Greenberger-Horne-Zeilinger) states, selecting a random subset of the N GHZ states, and selecting the selected subset. Notifying the location of the set to the receiving terminal and the control terminal, receiving the qubit measurement results of the receiving terminal and the control terminal and confirming the consistency of the measurement results, and ensuring that the consistency of the measurement results is reliable up to a preset threshold. In this case, it includes the step of teleporting an unknown quantum state by performing a bell-based measurement on a qubit owned by the user.

Description

양자 정보 처리 통합 시스템에서 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR COUNTERFACTUAL CONTROLLED QUANTUM TELEPORTATION IN AN INTEGRATED QUANTUM INFORMATION PROCESSING SYSTEM}Apparatus and method for supporting controlled counterfactual quantum teleportation in a quantum information processing integrated system {METHOD AND APPARATUS FOR COUNTERFACTUAL CONTROLLED QUANTUM TELEPORTATION IN AN INTEGRATED QUANTUM INFORMATION PROCESSING SYSTEM}

기술 분야는 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 장치 및 방법에 관한 것이다. 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 장치 및 방법은 양자정보기술 통합 시스템에서 양자통신 플랫폼의 반사실 양자통신 처리부에 적용될 수 있다.The technical field relates to devices and methods for supporting controlled counterfactual quantum teleportation. The controlled counterfactual quantum teleportation support device and method can be applied to the counterfactual quantum communication processing unit of the quantum communication platform in the quantum information technology integrated system.

양자 순간이동(quantum teleportation)은 광자의 양자 얽힘을 이용해 양자정보를 한 곳에서 사라지게 하고 다른 곳에서 나타나게 하는 전송 방법으로 양자컴퓨터와 양자 통신 등에 응용될 수 있는 기술이다.Quantum teleportation is a transmission method that uses quantum entanglement of photons to make quantum information disappear in one place and appear in another, and is a technology that can be applied to quantum computers and quantum communication.

양자 순간이동은 다양한 양자 정보 처리 기술에 필수적인 자원이라 할 수 있다. 양자 순간이동을 이용하여 네트워크 참가자는 서로 다른 노드 사이에서 미지의 양자 상태를 전송할 수 있다. Quantum teleportation can be said to be an essential resource for various quantum information processing technologies. Using quantum teleportation, network participants can transmit unknown quantum states between different nodes.

1993년 Bennett et al.은 공유 EPR(Einstein-Pldolsky_Rosen) 쌍과 2비트의 고전적 정보 전송을 사용하여 한 장소에서 원격 장소로 미지의 양자 상태를 전송하는 최초의 프로토콜을 제시한 바 있다. 이후, 공유 EPR 쌍 대신 공유 GHZ(Greenberger-Horne-Zeilinger) 상태를 사용하는 제어 방식 등 지금까지 제어된 양자 상태 전달에 대한 다양한 연구가 진행되었다.In 1993, Bennett et al. presented the first protocol for transmitting an unknown quantum state from one location to a remote location using a shared EPR (Einstein-Pldolsky_Rosen) pair and 2-bit classical information transfer. Since then, various studies have been conducted on controlled quantum state transfer, including control methods using shared Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) states instead of shared EPR pairs.

종래기술에 따른 양자 순간이동은 미지의 양자상태의 순간 이동을 가능하게 하기 위해 채널을 통해 물리적 입자를 보내어 얽힘을 공유하는 공통점을 갖고 있다. 종래기술과 달리 GHZ 상태가 송수신 단말 및 관리자 단말 간에 비지역적으로 공유될 수 있는 반사실적 양자 순간이동을 구현할 필요가 있다. Quantum teleportation according to the prior art has in common the sharing of entanglement by sending physical particles through a channel to enable instantaneous movement of an unknown quantum state. Unlike the prior art, there is a need to implement counterfactual quantum teleportation in which the GHZ state can be shared non-locally between the transmitting/receiving terminal and the manager terminal.

또한, 제어된 반사실적 양자 순간이동 뿐만 아니라 관련된 기술의 구현 및 연구를 지원하기 위한 다양한 양자 정보 처리를 지원할 수 있는 양자 정보 통합 시스템이 필요하다.Additionally, a quantum information integration system is needed that can support controlled counterfactual quantum teleportation as well as a variety of quantum information processing to support the implementation and research of related technologies.

한국 등록특허 제10-2017839호(2019년 08월 28일, 반사실적 양자 벨 분석 방법, 장치 및 시스템)Korean Patent No. 10-2017839 (August 28, 2019, Counterfactual Quantum Bell Analysis Method, Device, and System) 미국 등록특허 제8,891,767호(Nov. 18, 2014, METHOD AND APPARATUS FOR DIRECT COUNTERFACTUAL QUANTUM COMMUNICATION)US Patent No. 8,891,767 (Nov. 18, 2014, METHOD AND APPARATUS FOR DIRECT COUNTERFACTUAL QUANTUM COMMUNICATION)

본 발명은 반사실적으로 즉, 채널을 통해 물리적 입자를 전송하지 않고 당사자들 사이에서 얽힘을 공유할 수 있는 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention aims to provide a controlled counterfactual quantum teleportation support device and method that can share entanglement between parties counterfactually, i.e. without transmitting physical particles through a channel.

또한, 본 발명은 제어된 반사실적 양자 순간이동 뿐만 아니라 관련된 기술의 구현 및 연구를 지원하기 위한 다양한 양자 정보 처리를 지원할 수 있는 양자 정보 통합 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.Additionally, the present invention aims to provide a quantum information integration system that can support controlled counterfactual quantum teleportation as well as various quantum information processing to support the implementation and research of related technologies.

일 실시예에 따른 송신 단말에서 수행되는 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 방법은 2N 개의 GHZ( Greenberger-Horne-Zeilinger)상태를 반사실적으로 생성하는 단계와, N개의 GHZ 상태의 임의의 서브세트를 선택하고, 선택된 서브세트의 위치를 수신 단말 및 제어 단말로 통지하는 단계와, 상기 수신 단말 및 제어 단말의 큐빗 측정 결과를 수신하고 측정 결과의 일관성을 확인하는 단계 및 상기 측정 결과의 일관성이 기 설정된 임계 값까지 신뢰 가능한 경우 자신이 소유한 큐빗에 대해 벨 기반 측정을 수행함으로써, 미지의 양자상태를 순간이동 시키는 단계를 포함한다. A controlled counterfactual quantum teleportation support method performed at a transmitting terminal according to an embodiment includes counterfactually generating 2N GHZ (Greenberger-Horne-Zeilinger) states, and generating a random subset of N GHZ states. selecting and notifying the location of the selected subset to the receiving terminal and the control terminal; receiving the qubit measurement results of the receiving terminal and the control terminal and confirming the consistency of the measurement results; and determining the consistency of the measurement results. It involves teleporting an unknown quantum state by performing a bell-based measurement on a qubit it owns if it can be trusted up to a threshold.

상기 제어 단말은 Hadamard 기저로 큐빗을 측정하고 미지의 양자 상태를 재구성하도록 수신 단말에게 측정 결과를 통지할 수 있다. The control terminal can measure the qubit based on the Hadamard basis and notify the receiving terminal of the measurement result to reconstruct the unknown quantum state.

상기 제어 단말은 제어된 반사실적 양자 순간이동을 승인하기 위해 고전적 정보인 m의 1비트를 통해 상기 측정 결과를 통지할 수 있다. The control terminal may notify the measurement result through 1 bit of classical information m to approve controlled counterfactual quantum teleportation.

상기 제어 단말에 의해 통신이 승인되면, 벨 상태 에 대응하는 세트로부터 고전적 정보인 m1m2 2비트를 통해 측정 결과를 상기 수신 단말에게 통지할 수 있다. If communication is approved by the control terminal, the bell state corresponding to The measurement result can be notified to the receiving terminal through 2 bits m1m2, which is classical information from the set.

상기 수신 단말은 양자 상태를 재구성하기 위해 상기 송신 단말 및 제어 단말의 측정 결과에 기초하여 큐빗 rj에서 수학식 4와 같이 정의되는 유니터리 오퍼레이션(unitary operation)을 수행할 수 있다.The receiving terminal may perform a unitary operation defined as Equation 4 on the qubit r j based on the measurement results of the transmitting terminal and the control terminal to reconstruct the quantum state.

본 발명의 실시예에 따르면, 채널을 통해 물리적 입자를 전송하지 않고 당사자들 사이에서 얽힘을 공유할 수 있다. According to embodiments of the present invention, entanglement can be shared between parties without transmitting physical particles through a channel.

본 발명의 실시예에 따르면, 반사실적 속성과 측정의 일관성 검사로 인해 다양한 도청 전략에 대한 저항력이 개선되는 효과를 갖는다. According to an embodiment of the present invention, resistance to various eavesdropping strategies is improved due to the consistency check of counterfactual properties and measurements.

본 발명의 실시예에 따르면, 제어된 반사실적 양자 순간이동 뿐만 아니라 관련된 기술의 구현 및 연구를 지원하기 위한 다양한 양자 정보 처리를 지원할 수 있다.According to embodiments of the present invention, it is possible to support controlled counterfactual quantum teleportation as well as various quantum information processing to support the implementation and research of related technologies.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반사실적 얽힘 분배(Counterfactual Entanglement Distribution) 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제어된 양자 순간이동의 개념을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 장치의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 큐비트 전송에서 QST를 수행하기 위한 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도 5는 순수 상태들 (a)과 혼합 상태들 (b)에 대한 재구성 상태와 실제 상태 의 Log 부정확도(infidelity)를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 단층 촬영 장치의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 양자정보기술 통합 시스템을 나타내는 도면이다.
Figure 1 is a diagram for explaining a counterfactual entanglement distribution model according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing the concept of controlled quantum teleportation according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a flowchart showing the operation of a controlled counterfactual quantum teleportation support device according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram explaining a mechanism for performing QST in qubit transmission.
Figure 5 shows the Log infidelity of the reconstructed state and the actual state for pure states (a) and mixed states (b).
Figure 6 is a block diagram of a tomographic imaging device according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a diagram showing a quantum information technology integrated system according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for describing embodiments and is not intended to limit the invention. As used herein, singular forms also include plural forms, unless specifically stated otherwise in the context. As used herein, “comprises” and/or “comprising” refers to the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements. or does not rule out addition.

본 명세서에서 사용되는 “실시예”, “예”, “측면”, “예시” 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.As used herein, “embodiment,” “example,” “aspect,” “example,” etc. should be construed to mean that any aspect or design described is better or advantageous than other aspects or designs. It's not like that.

또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다. Additionally, the term 'or' means 'inclusive or' rather than 'exclusive or'. That is, unless otherwise stated or clear from the context, the expression 'x uses a or b' means any of the natural inclusive permutations.

또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.Additionally, as used in this specification and claims, the singular expressions “a” or “an” generally mean “one or more,” unless otherwise indicated or it is clear from the context that the singular refers to singular forms. It should be interpreted as

또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Additionally, terms such as first and second used in this specification and claims may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with meanings that can be commonly understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Additionally, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless clearly specifically defined.

한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Meanwhile, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the terminology used in this specification is a term used to appropriately express the embodiments of the present invention, and may vary depending on the intention of the user or operator or the customs of the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반사실적 얽힘 분배(Counterfactual Entanglement Distribution) 모델을 설명하기 위한 도면이다.Figure 1 is a diagram for explaining a counterfactual entanglement distribution model according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 제1 단말(Alice)(110), 제2 단말(Bob)(120) 및 제3 단말(Charlie)(130) 각각은 모두 송신 단말, 수신 단말 및 제어 단말로 동작할 수 있다. 예를 들어, Alice(110)가 Bob(120)에게 양자 정보를 보내는 경우 Charlie(130)는 제어 단말의 역할을 수행하고, 반대로 Bob(120)이 Alice(130)에게 양자 정보를 보내는 경우도 가능하다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제어된 양자 순간 이동 프로토콜은 3자 양자네트워크를 가정한다.Referring to FIG. 1, the first terminal (Alice) 110, the second terminal (Bob) 120, and the third terminal (Charlie) 130 can each operate as a transmitting terminal, a receiving terminal, and a control terminal. there is. For example, when Alice (110) sends quantum information to Bob (120), Charlie (130) acts as a control terminal, and conversely, it is also possible for Bob (120) to send quantum information to Alice (130). do. As such, the controlled quantum teleportation protocol according to an embodiment of the present invention assumes a three-party quantum network.

한편, 도 1에서 참조부호 140 'SW'는 전환 가능 미러(Switchable Mirror)의 및 전환 가능 회전자 등을 포함하는 양자 채널을 의미하고, QAO는 quantum absorptive object의 약칭이고, V-CQZ는 수직(Vertical) CQZ 게이트를 포함함을 나타내고, H-CQZ는 수평(Horizontal) CQZ 게이트를 포함하고 있음을 나타낸다. Meanwhile, in FIG. 1, reference numeral 140 'SW' refers to a quantum channel including a switchable mirror and a switchable rotor, QAO is an abbreviation for quantum absorptive object, and V-CQZ is a vertical ( Vertical) indicates that it contains a CQZ gate, and H-CQZ indicates that it contains a horizontal (Horizontal) CQZ gate.

[제1 단계][Step 1]

제1 단계에서 각 단말은 2N 개의 GHZ 상태를 반사실적으로 생성한다.In the first step, each terminal counterfactually generates 2N GHZ states.

제어된 반사실적 양자 순간이동을 안전하게 수행하기 위하여, Alice, Bob 및 Charlie는 CQZ (Counterfactual quantum Zeno) gate를 사용하여 2N GHZ 상태를 반사실적으로 생성한다. 여기서, N은 자연수를 나타내고, 각 단말은 2N GHZ 상태의 큐빗을 하나씩 갖는 2N 삼각(tripartie) GHZ 상태를 생성한다.To safely perform controlled counterfactual quantum teleportation, Alice, Bob, and Charlie use a CQZ (Counterfactual quantum Zeno) gate to counterfactually generate 2N GHZ states. Here, N represents a natural number, and each terminal generates a 2N tripartie GHZ state with one qubit of the 2N GHZ state.

송신 단말로 가정한 Alice는 얽힘을 반사실적으로 분배하기 위하여, GHZ 상태 생성의 각 라운드에서 자신의 큐빗이 양자 흡수 객체(quantum absorptive object, QAO)로 동작하는 상태에서 큐빗을 준비한다. 이때, Bob과 Charlie는 각각 인 상태에서 큐빗을 준비한다.Alice, assumed to be a transmitting terminal, has her qubit operate as a quantum absorptive object (QAO) in each round of GHZ state creation in order to counterfactually distribute entanglement. Prepare the qubit in this state. At this time, Bob and Charlie each and Prepare the qubit in the in state.

Bob과 Charlie는 도 1에 도시된 바와 같이, GHZ 상태 생성의 각 라운드에서 CQZ 게이트를 사용하여 양자 채널을 통해 Alice와 교대로 연결한다. Bob and Charlie alternately connect with Alice through quantum channels using CQZ gates in each round of GHZ state generation, as shown in Figure 1.

각 라운드가 종료되는 시점에 Alice, Bob 및 Charlie의 초기 상태는 수학식 1과 같이 변환된다. At the end of each round, the initial states of Alice, Bob, and Charlie are converted as shown in Equation 1.

[수학식 1][Equation 1]

, ,

. .

여기서, A, B, C는 각각 Alice, Bob 및 Charlie를 나타내는 인덱스이고, i는 GHZ 상태 생성의 i번째 라운드를 나타내는 인덱스를 의미한다. Here, A, B, and C are indices representing Alice, Bob, and Charlie, respectively, and i refers to the index representing the ith round of GHZ state creation.

[제2 단계][Second stage]

제2 단계에서 Alice, Bob 및 Charlie는 큐빗 측정 및 결과발표를 수행한다.In the second step, Alice, Bob, and Charlie perform qubit measurements and announce the results.

먼저, Alice는 보안 검사를 위하여, 2N개의 GHZ 상태들 중 N개의 GHZ 상태의 임의의 서브세트를 선택하고, 선택된 서브세트의 위치를 통지(announce) 한다.First, for security check, Alice selects a random subset of N GHZ states among 2N GHZ states and announces the location of the selected subset.

Bob 및 Charlie는 {x, y} 세트로부터 측정 기저(basis)을 랜덤하게 선택하여 각 큐빗에서 측정을 수행하고 측정 결과와 선택한 기저(basis) 세트를 통지한다. Bob and Charlie randomly select a measurement basis from the {x, y} set, perform measurements on each qubit, and report the measurement results and the selected basis set.

Alice는 [표 1]과 같은 Bob 및 Charlie의 측정 후 측정 결과 테이블을 참조하여 Bob 및 Charlie의 측정 결과를 비교하거나 매칭한다. 이를 통해 측정 결과의 일관성 여부를 확인할 수 있다.Alice compares or matches the measurement results of Bob and Charlie by referring to the measurement result table after Bob and Charlie's measurements as shown in [Table 1]. Through this, you can check whether the measurement results are consistent.

측정 결과의 일관성이 기 설정된 허용 가능한 임계 값까지 신뢰 가능한 경우, Alice, Bob 및 Charlie는 다음 단계를 수행할 수 있다. 즉, Alice, Bob 및 Charlie는 다음 단계에서 선택된 서브 세트 이외의 N개의 GHZ 상태를 사용하여 임의의 알려지지 않은 큐빗을 삼각 양자 네트워크(tripartite quantum network)에서 전송할 수 있다. If the consistency of the measurement results is reliable up to a preset acceptable threshold, Alice, Bob, and Charlie can perform the next steps. That is, Alice, Bob, and Charlie can transmit arbitrary unknown qubits in a tripartite quantum network using N GHZ states other than the subset selected in the next step.

한편, 각 당사자는 송신 단말, 수신 단말 및 제어 단말로 동작할 수 있음을 고려하여, 이후의 명세서 상의 기재에서 GHZ 상태의 첨자는 s, r, c로 표현하기로 한다. 여기서, s, r, c는 각각 송신 단말, 수신 단말 및 제어 단말에 구비된(혹은 해당 단말이 소유한) 큐빗을 나타낸다. Meanwhile, considering that each party can operate as a transmitting terminal, receiving terminal, and control terminal, the GHZ state subscripts will be expressed as s, r, and c in the following description. Here, s, r, and c represent qubits provided (or owned by the corresponding terminal) in the transmitting terminal, receiving terminal, and control terminal, respectively.

[제3 단계][Step 3]

제3 단계에서 송신 단말은 자신이 소유한 큐빗에 대해 벨 기반 측정을 수행함으로써, 미지의 양자상태를 순간이동 시킨다. 보다 구체적으로, 수학식 2와 같이 정의되는 미지의 양자 상태 를 송신 단말이 전송하는 경우를 가정한다. In the third step, the transmitting terminal teleports the unknown quantum state by performing a bell-based measurement on the qubit it owns. More specifically, the unknown quantum state defined as Equation 2: Assume that the transmitting terminal transmits.

[수학식 2][Equation 2]

, ,

. .

미지의 양자 상태 및 GHZ 상태의 조합 상태는 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.The combination state of the unknown quantum state and the GHZ state can be expressed as Equation 3.

[수학식 3][Equation 3]

, ,

. .

여기서, 는 벨 상태를 나타내고, j는 제어된 양자 순간 이동의 j번째 라운드를 나타낸다. here, and represents the bell state, and j represents the jth round of controlled quantum teleportation.

제3 단계에서 송신 단말은 큐빗 q 및 sj에 대한 벨 기저 측정을 수행하고, 측정 결과를 기록 및 유지한다. In the third step, the transmitting terminal performs Bell basis measurements on qubits q and s j , and records and maintains the measurement results.

[[ 제4 단계Step 4 ]]

제4 단계에서 제어 단말은 Hadamard 기저로 큐빗을 측정하고 미지의 양자 상태를 재구성하도록 수신단말에게 측정 결과를 통지한다. In the fourth step, the control terminal measures the qubit based on the Hadamard basis and notifies the receiving terminal of the measurement result to reconstruct the unknown quantum state.

보다 구체적으로, 제어 단말은 큐빗 cj에서 Hadamard gate H를 수행하고 계산 기저로 큐빗을 측정한다. 제어 단말은 제어된 반사실적 양자 순간이동을 승인하기 위해 고전적 정보인 m의 1비트를 통해 측정 결과를 통지한다. More specifically, the control terminal performs the Hadamard gate H on qubit c j and measures the qubit as a computational basis. The control terminal notifies the measurement result through 1 bit of classical information m to approve the controlled counterfactual quantum teleportation.

제어 단말이 송신 단말과 수신 단말 간의 통신을 승인하면, 송신 단말은 벨 상태 에 대응하는 세트로부터 고전적 정보인 m1m2 2비트를 통해 측정 결과를 제어 단말 및 수신 단말에게 통지한다. When the control terminal approves communication between the sending terminal and the receiving terminal, the sending terminal is in the ring state. corresponding to The measurement result is notified to the control terminal and the receiving terminal through 2 bits of m1m2, which is classical information from the set.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제어된 양자 순간이동의 개념을 나타내는 도면이다. Figure 2 is a diagram showing the concept of controlled quantum teleportation according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 제어 단말의 승인하에 송신 단말은 벨 측정 결과를 통지함으로써, 제어된 양자 순간이동을 수행함을 알 수 있다. Referring to FIG. 2, it can be seen that the transmitting terminal performs controlled quantum teleportation by notifying the bell measurement result under the approval of the control terminal.

[[ 제5 단계Step 5 ]]

제5 단계에서 수신 단말은 양자 상태를 재구성한다.In the fifth step, the receiving terminal reconstructs the quantum state.

보다 구체적으로, 수신 단말은 양자 상태를 재구성하기 위해 송신 단말 및 제어 단말의 측정 결과에 기초하여 큐빗 rj에서 수학식 4와 같이 정의되는 유니터리 오퍼레이션(unitary operation)을 수행한다. More specifically, the receiving terminal performs a unitary operation defined as Equation 4 on the qubit r j based on the measurement results of the transmitting terminal and the control terminal to reconstruct the quantum state.

[수학식 4][Equation 4]

여기서, X 및 Z는 각각 Pauli x 및 z 연산자를 의미한다. Here, X and Z refer to the Pauli x and z operators, respectively.

제1 단계 내지 제5단계를 통해 설명된 방법은 제어를 수행하는 제어 단말의 승인하에 미지의 양자 상태 시퀀스를 재구성할 수 있다. 따라서, 다양한 공격 전략에 대해 보다 안전하고 다자간 통신 시스템에 활용이 가능하다. The method described through steps 1 to 5 can reconstruct an unknown quantum state sequence under the approval of a control terminal performing control. Therefore, it is safer against various attack strategies and can be used in a multi-party communication system.

만일, 도청을 시도하는 단말이 얽힘 분배 과정에 참여하려고 시도하는 경우, 얽힘 관계에 있을 수 있지만 제2 단계의 보안 검사 과정에서 도청을 시도하는 단말이 탐지될 수 있다. If a terminal attempting eavesdropping attempts to participate in the entanglement distribution process, it may be in an entanglement relationship, but the terminal attempting eavesdropping may be detected during the security check process of the second stage.

또한, 도청을 시도하는 단말이 Alice의 미지 양자 상태를 훔치기 위해 보이지 않는 광자를 추가하는 경우, 보이지 않는 광자로 인해 보안 검사 단계에서 더 많은 오류가 발생할 수 있다. Additionally, if a terminal attempting eavesdropping adds invisible photons to steal Alice's unknown quantum state, more errors may occur in the security check step due to the invisible photons.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 장치의 동작을 나타내는 흐름도이다. Figure 3 is a flowchart showing the operation of a controlled counterfactual quantum teleportation support device according to an embodiment of the present invention.

여기서, 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 장치는 송신 단말, 수신 단말 및 제어 단말 중 어느 하나의 단말일 수 있고, 도 3은 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 장치가 송신 단말인 경우에 해당한다. Here, the controlled counterfactual quantum teleportation support device may be any one of a transmitting terminal, a receiving terminal, and a control terminal, and Figure 3 corresponds to the case where the controlled counterfactual quantum teleportation support device is a transmitting terminal.

도 3을 참조하면, 송신 단말은 310 단계에서 2N 개의 GHZ( Greenberger-Horne-Zeilinger)상태를 반사실적으로 생성한다. Referring to FIG. 3, the transmitting terminal counterfactually generates 2N GHZ (Greenberger-Horne-Zeilinger) states in step 310.

320 단계에서 송신 단말은 N개의 GHZ 상태의 임의의 서브세트를 선택하고, 선택된 서브세트의 위치를 통지한다. In step 320, the transmitting terminal selects a random subset of N GHZ states and notifies the location of the selected subset.

330 단계에서 송신 단말은 측정 결과의 일관성 여부를 확인한다.In step 330, the transmitting terminal checks whether the measurement results are consistent.

측정 결과의 일관성이 기 설정된 허용 가능한 임계 값까지 신뢰 가능한 경우, 송신 단말은 340 단계에서 소유한 큐빗에 대해 벨 기반 측정을 수행한다. If the consistency of the measurement result is reliable up to a preset acceptable threshold, the transmitting terminal performs bell-based measurement on the owned qubit in step 340.

이후, 제어 단말로부터 통신이 승인되면, 350 단계에서 송신 단말은 벨 상태에 대응하는 고전적인 2비트를 사용하여 측정 결과 통지한다. Afterwards, if communication is approved by the control terminal, in step 350, the transmitting terminal notifies the measurement result using the classic 2 bits corresponding to the bell state.

이하, 본 발명의 양자정보기술 통합 시스템에서 양자 실험 플랫폼에 적용될 수 있는 양자상태 단층 촬영 처리부를 설명한다. Hereinafter, a quantum state tomography processing unit that can be applied to the quantum experiment platform in the quantum information technology integrated system of the present invention will be described.

양자 상태 단층 촬영(Quantum State Tomography, QST)은 미지의 양자 상태를 결정하기 위한 양자 정보 처리 작업이다. 이 작업은 동일하게 준비된 양자 시스템(identically prepared quantum system)의 앙상블(ensemble)을 측정하고, 그 상태를 다양한 추정 방법으로 추론함으로써 수행된다. 양자 상태가 측정 전, 명확한 인과 순서(고전적 궤적)가 입력된 최대 잡음 탈분극 채널을 통과할 때 양자 상태가 최대 혼합 상태로 전환되어, QST 수행이 불가능하다.Quantum State Tomography (QST) is a quantum information processing task to determine unknown quantum states. This work is performed by measuring an ensemble of identically prepared quantum systems and inferring their states using various estimation methods. When the quantum state passes through the maximum noise depolarization channel with a clear causal sequence (classical trajectory) input before measurement, the quantum state switches to the maximum mixed state, making QST impossible.

고전적 궤적을 통해 양자 상태를 전달하는 대신, 본 명세서의 제안 방법은 채널을 무한한 인과 순서(Indefinite Causal Order, ICO)로 설정한다. 본 명세서에서는 ICO에서 탈분극 채널을 설정하면 채널이 최대 잡음 상태에 있더라도(maximally noisy) QST를 수행할 수 있음을 보여준다. 그리고/또는, 본 명세서에서는 채널이 최대 잡음이 없을 때 선형 회귀 추정을 통해 QST에 대한 ICO의 영향을 살펴본다. 그리고/또는, 본 명세서에서는 ICO 배열에서 채널을 설정하는 것은 채널이 최대 잡음이 있을 때 유리하다는 것을 보여준다.Instead of propagating quantum states through classical trajectories, the proposed method here sets the channels in an infinite causal order (ICO). In this specification, we show that by setting a depolarizing channel in ICO, QST can be performed even if the channel is maximally noisy. And/or, this specification examines the impact of ICO on QST through linear regression estimation when the channel has no maximum noise. And/or, the present disclosure shows that configuring channels in an ICO arrangement is advantageous when the channels have maximum noise.

본 발명의 실시예에 따른 양자상태 단층 촬영 처리부는 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하고, 상기 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하고, 상기 양자 상태 단층 촬영의 출력 및 대수학에 기반하여 초기 상태를 추정할 수 있다. The quantum state tomography processing unit according to an embodiment of the present invention transmits the quantum state to be estimated to the quantum switch, performs quantum state tomography in the state output from the quantum switch, and calculates the output of the quantum state tomography and algebra. Based on this, the initial state can be estimated.

미지의 시스템의 상태를 판별하는 양자 작업은 양자 상태 단층 촬영(QST, Quantum State Tomography)라 칭할 수 있다. QST는 두 단계로 구성될 수 있다. Quantum work that determines the state of an unknown system can be called quantum state tomography (QST). QST can consist of two steps.

먼저, 동일하게 준비된 양자 상태 사본에 대한 측정이 수행된다. First, measurements are performed on identically prepared copies of the quantum state.

다음, 고전적인 통계 추정 방법을 사용해 양자 상태가 재구성된다. 양자 상태를 구성하는 방법은 선형 반전(methods to construct a quantum states are linear inversion, MLE), 최대 가능도 추정(maximum likelihood estimation), 베이지안 추정 방법(bayesian estimation method) 및 선형 회귀(linear regression) 등이 있을 수 있다.Next, the quantum state is reconstructed using classical statistical estimation methods. Methods to construct a quantum state are linear inversion (MLE), maximum likelihood estimation, Bayesian estimation method, and linear regression. There may be.

선형 반전(Linear inversion)은 이상적인 환경을 가정하여 수행될 수 있다. 따라서, 큐비트 측정 중에 오류가 발생한 경우, 복구된 상태는 물리적 상태가 아닐 수 있다. MLE는 수치 최적화에 의해 결정된 측정 데이터 세트를 생성할 가장 높은 확률을 제공하는 밀도 행렬을 찾는다. 베이지안 방법은 베이지안 정리를 이용하여 사전 확률 분포(prior) p(ρ)에 대한 지식으로 사후 확률 분포(posterior probability distribution) p(ρ|D)를 결정할 수 있다. 여기서 D는 측정 데이터를 의미한다.Linear inversion can be performed assuming an ideal environment. Therefore, if an error occurs during qubit measurement, the recovered state may not be the physical state. MLE finds the density matrix that provides the highest probability of generating a set of measurement data determined by numerical optimization. The Bayesian method uses the Bayesian theorem to determine the posterior probability distribution p(ρ|D) with knowledge of the prior probability distribution p(ρ). Here, D means measurement data.

전통적인 양자 통신에서 양자 메시지가 일련의 통신채널 를 통해 전송될 때, 채널을 통해 송신되는 메시지의 순서는 채널 을 통과한 후에 또는 먼저 를 통과한 다음 을 통과하는 것으로 정의될 수 있다. In traditional quantum communication, quantum messages are a series of communication channels. and When transmitted through a channel, the order of messages transmitted through the channel is After passing or first After passing through It can be defined as passing through.

양자 이론은 이 채널들의 중첩을 생성하여 양자 채널을 결합하는 새로운 방식을 허용할 수 있다. 이를 통해, 정보 전달 순서는 이전의 두 가지 상태에 해당하지 않는다. 즉, 양자 채널 사이의 인과 순서가 무한하다. 무한한 인과 순서의 과정은 작업 순서가 퀀텀 비트(quantum bit)로 제어되는 양자 스위치(Quantum switch)에 의할 수 있다. 그리고/또는, 두 가지 대안적 순서를 중첩하여 완전 탈분극 채널의 조합을 통해 정보가 전송될 수 있다. 양자 스위치는 양자 계측(quantum metrology), 채널 용량 향상, 양자 탈분극 채널 식별 및 양자 인터넷을 향상시키는 데 활용될 수 있다.Quantum theory could allow new ways to combine quantum channels by creating superpositions of these channels. Through this, the information transfer order does not correspond to the previous two states. That is, the causal order between quantum channels is infinite. The process of infinite causal order can be achieved by a quantum switch where the order of operations is controlled by quantum bits. And/or, information can be transmitted through a combination of fully depolarizing channels, superimposing two alternative sequences. Quantum switches can be used to improve quantum metrology, enhance channel capacity, identify quantum depolarization channels, and enhance the quantum internet.

본 명세서에서는 양자 상태가 측정 전에 최대 잡음이 있는 양자 탈분극 채널을 통해 전송된다는 가정하에 선형 회귀 분석을 통해 QST를 모델링한다. 그리고, 본 명세서에서는 양자 채널을 무한한 인과 순서로 설정하는 것이 QST에 미치는 영향을 살펴본다. 그리고, 본 명세서에서는 명확한(definite) 인과 순서 및 ICO로 조립된 채널을 통해 전송되는 경우 추정된 상태와 실제 상태의 부정확성(infidelity)을 비교한다. 후자의 방법은 최대 잡음이 있는 양자 탈분극 채널에 대한 QST를 지원할 수 있다.Herein, we model QST through linear regression under the assumption that the quantum state is transmitted through a quantum depolarization channel with maximum noise before measurement. Additionally, in this specification, we examine the impact of setting the quantum channel to an infinite causal order on QST. And, in this specification, the infidelity of the estimated state and the actual state is compared when transmitted through a channel assembled with a definite causal sequence and ICO. The latter method can support QST for quantum depolarization channels with maximum noise.

이하, 본 명세서에서는 먼저, 선형 회귀 방법과 양자 스위치를 통한 양자 상태 단층 촬영을 살펴보고, 명확한 인과 순서와 ICO에 따라 설정된 채널을 통해 양자 상태를 전송할 때 QST 성능을 살펴본다.Hereinafter, in this specification, we first look at quantum state tomography using a linear regression method and a quantum switch, and then look at QST performance when transmitting quantum states through a channel established according to a clear causal order and ICO.

양자 상태 단층 촬영(Quantum State Quantum state tomography TomographyTomography ))

먼저, 미지의 양자 상태를 추정하기 위한 선형 회귀 접근법을 살펴본다.First, we look at a linear regression approach to estimate unknown quantum states.

이면 1이고, 그렇지 않은 경우 0인 Kronecker의 델타 함수 를 이용할 수 있다. 은 행렬의 추적을 의미하는 것으로 (1) 와 (2) 를 만족하는 Hermitian 연산자 로 지정할 수 있다. 예를 들면, 단일 큐비트의 경우(single-qubit case), 는 아래 수학식 5와 같을 수 있다. Kronecker's delta function, equal to 1 if can be used. means tracking the matrix (1) and (2) Hermitian operator that satisfies It can be specified as . For example, in the single-qubit case, may be the same as Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

큐비트 밀도 연산자(operator)는 다음 수학식 6과 같이 매개변수화될 수 있다. The qubit density operator can be parameterized as shown in Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

여기서, 이고, 측정 세트 이 베이시스(bases) 하에 다음 수학식 7과 같이 매개변수화될 수 있다고 가정할 수 있다.here, and the measurement set These basis It can be assumed that it can be parameterized as shown in Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

여기서, 이고, 이다. 이 작업에서 사용되는 측정 세트는 인 스토크스 측정 세트(stokes measurement set)이다. 보른 규칙(Born's rule)에 기반하여, 동일하게 준비된 양자 시스템의 다수의 사본들이 측정된다면, 의 측정 결과를 획득하기 위한 확률은 다음 수학식 8과 같을 수 있다.here, ego, am. The measurement set used in this work is This is the Stokes measurement set. Based on Born's rule, if multiple copies of an identically prepared quantum system are measured, The probability of obtaining the measurement result may be as follows in Equation 8.

[수학식 8][Equation 8]

여기서, 는 열벡터 의 전치이고, 이다.here, is a column vector is the transpose of am.

상기 수학식 8로부터 QST에 대한 선형 회귀 형태는 다음 수학식 9와 같을 수 있다.From Equation 8 above, the linear regression form for QST may be as shown in Equation 9 below.

[수학식 9][Equation 9]

여기서, 이고, 이다.here, ego, am.

에 대해 상태 에서 양자 시스템을 N번 측정하는 것을 가정할 수 있다. 측정 결과 을 획득하기 위한 확률은 다음 수학식 10에 의해 추정될 수 있다.each About status It can be assumed that the quantum system is measured N times. Measurement results The probability of obtaining can be estimated by the following equation 10.

[수학식 10][Equation 10]

여기서, 는 추정 오류 를 갖는 관찰된 주파수들을 나타낸다. 다음, 상기 수학식 9에서 선형 회귀 방정식은 다음 수학식 11과 같을 수 있다.here, is the estimation error represents the observed frequencies with . Next, the linear regression equation in Equation 9 may be as shown in Equation 11 below.

[수학식 11][Equation 11]

여기서, 이고, 이다. 큰 N의 경우, 은 평균 0과 변화량 를 갖는 정규 분포에 대한 분포로 수렴될 수 있다. 많은 측정이 수행된다면, 큐비트 상태에 대한 측정은 더 정확해질 수 있다. 상기 수학식 11에서 선형 회귀 문제에 대한 해결책은 다음 수학식 12를 최소화하는 일 수 있다.here, ego, am. For large N, is the mean 0 and the change It can converge to a distribution for a normal distribution with . If more measurements are performed, measurements of the qubit state can become more accurate. The solution to the linear regression problem in Equation 11 above is to minimize Equation 12: It can be.

[수학식 12][Equation 12]

측정 세트 이 정보적으로 완전하거나 넘쳐서 역을 가지는 것을 가정할 수 있다. 추정값 는 평균 제곱 오차(mean squared error)를 갖는 평향되지 않는 추정값이고, 점근적으로, 다음 수학식 13과 같을 수 있다.measurement set This information is complete or overflowing. It can be assumed that it has a station. estimate is an unbiased estimate with a mean squared error, and asymptotically may be equivalent to Equation 13 below.

[수학식 13][Equation 13]

여기서, 이다. here, am.

양자 탈분극 채널(Quantum Depolarizing Channel)Quantum Depolarizing Channel

양자 정보는 양자 채널을 통해 전송될 수 있다. 양자 채널은 밀도 연산자에 대한 맵을 보존하는 완전한 양의 추적으로서 수학적으로 정의될 수 있다. 채널을 통해 전송되는 동안, 큐비트는 확률 (1-q)를 갖는 완전히 혼합된 상태로 진화(evolution)하고, 확률 q로 그대로 유지될 수 있다. 이러한 종류의 양자 채널을 양자 탈분극 채널 이라 칭할 수 있다. 큐비트의 진화 는 다음 수학식 14와 같이 정의된다.Quantum information can be transmitted through quantum channels. A quantum channel can be mathematically defined as a complete positive trace that preserves the map over the density operator. While transmitted through the channel, the qubit can evolve into a fully mixed state with probability (1-q) and remain with probability q. This type of quantum channel is called quantum depolarization channel It can be called . Evolution of qubits is defined as in Equation 14 below.

[수학식 14][Equation 14]

양자 스위치 (Quantum Switch)Quantum Switch

상술한 바와 같이, 두 개의 양자 채널을 통해 전송되는 양자 시스템은 명확한 인과 순서로 진화하고, 두 번째 채널은 첫 번째 채널의 출력에 작용한다. 양자 시스템은 ICO에서도 진화할 수 있기 때문에 어떤 과정이 다른 과정보다 먼저 일어나는지 결정할 수 없다. 이것은 양자 스위치 때문에 가능하다. 양자 스위치는 양자 채널을 결합하고, 제어 큐비트라고 하는 큐비트 에 의해 상대적인 순서를 제어할 수 있다. 제어 큐비트가 상태에 있는 경우, 양자 스위치는 순서에 따라 양자 시스템을 지나갈 것이다. 제어 큐비트가 상태에 있다면, 양자 상태는 순서에 따라 양자 채널을 지나간다. 제어 큐비트가 와 같이 의 중첩에 있는 경우, 양자 스위치는 채널을 순서의 중첩에 둘 수 있다. 양자 스위치의 결과로서 양자 채널의 Kraus 연산자는 다음 수학식 15와 같이 정의될 수 있다.As described above, a quantum system transmitted through two quantum channels evolves in a clear causal sequence, with the second channel acting on the output of the first channel. Because quantum systems can evolve even in ICOs, it is impossible to determine which process occurs before the other. This is possible because of quantum switches. Quantum switches combine quantum channels, qubits called control qubits. You can control the relative order by . control qubit When in the state, the quantum switch is We will go through quantum systems in order. control qubit If in a state, the quantum state is It passes through quantum channels in order. control qubit together with and If there is a superposition of , the quantum switch changes the channel to and It can be placed in a nested order. As a result of the quantum switch, the Kraus operator of the quantum channel can be defined as Equation 15 below.

[수학식 15][Equation 15]

여기서, 채널 의 Kraus 연산자는 각각 로 나타낼 수 있다. Here, channel and The Kraus operators are respectively and It can be expressed as

하나의 큐비트 시스템에 대한 양자 스위치는 다음 수학식 16과 같이 주어질 수 있다.The quantum switch for one qubit system can be given as Equation 16 below.

[수학식 16][Equation 16]

단층 촬영 방법, 시뮬레이션 및 결과Tomography methods, simulations and results

추론할 양자 상태 가 고전적인 궤적에서 잡음이 있는 탈분극 채널을 통해 측정 시스템으로 전송된다고 가정할 수 있다. 채널이 최대 잡음인 경우, 예를 들면 일 때, 수학식 10으로부터 큐비트는 에 종속하지 않는 다음 수학식 17의 최대 혼합 상태로 변환될 수 있다.Quantum state to infer It can be assumed that is transmitted to the measurement system through a noisy depolarizing channel in the classical trajectory. If the channel is at maximum noise, e.g. When , from Equation 10, the qubit is It can be converted to the maximum mixed state of Equation 17 below, which does not depend on .

[수학식 17][Equation 17]

결론적으로, 에서 QST가 수행된다면, 를 재구성하는 것은 불가능하다.as a result, If QST is performed in It is impossible to reconstruct.

제어 큐비트 를(여기서, ) 갖는 무한한 인과 순서에서 채널이 설정된다면, 채널의 출력은 다음 수학식 18과 같을 수 있다.control qubit (here, ), if the channel is set in an infinite causal sequence with ), the output of the channel can be as shown in Equation 18 below.

[수학식 18][Equation 18]

베이시스(basis)에서 제어 큐비트의 측정은 채널의 출력을 다음 수학식 19와 같이 변환할 수 있다. When measuring the control qubit in basis, the output of the channel can be converted as shown in Equation 19 below.

[수학식 19][Equation 19]

여기서, 는 각각 에서 측정 결과를 획득하는 확률을 나타낼 수 있다. 채널이 최대로 잡음이 있는 경우, 수학식 19로부터, 에 대해 QST를 수행한다면, 는 상태 를 재구성할 수 있는 것을 의미하는 에 의존할 수 있다.here, and are respectively and can represent the probability of obtaining a measurement result. If the channel is maximally noisy, from equation 19: If you perform QST on is the state meaning that it is possible to reconstruct can depend on

를 측정한다면, 가 아닌 의 추정을 얻을 것이다. If you measure not You will get an estimate of

양자 상태의 확률이 온전히 남아 있는지 여부는 를 다음 수학식 20과 같이 복구할 수 있는 수학식 19로부터 양자 처리 단층 촬영(quantum process tomography)에 의해 결정될 수 있다.Whether the probability of a quantum state remains intact is Can be determined by quantum process tomography from Equation 19, which can be recovered as shown in Equation 20 below.

[수학식 20][Equation 20]

상에 수학식 20이 적용되는 경우, 가 비물리적 행렬인 몇가지 경우들이 있을 수 있다. If equation 20 is applied to the above, There may be some cases where is a non-physical matrix.

이러한 이유로, 를 물리적 행렬 공간에 투영할 수 있고, 단위 트레이스와 양의 반정의 행렬들의 공간으로 표현될 수 있다. 단순 투영 알고리즘은 채택될 수 있으며, 이것의 아이디어는 밀도 행렬의 모든 고윳값들을 양의 값들 그리고 이들의 합으로 변환하는 것일 수 있다.For this reason, can be projected onto the physical matrix space and expressed as a space of unit traces and positive semidefinite matrices. A simple projection algorithm can be adopted, the idea of which may be to transform all the eigenvalues of the density matrix into positive values and their sum.

<MSE 분석(MSE analysis)><MSE analysis>

수학식 19에서의 양자 상태가 측정된다면, 상태 에 대한 의 측정 결과를 획득하기 위한 확률은 다음 수학식 21과 같이 정의될 수 있다.If the quantum state in Equation 19 is measured, then the state for The probability of obtaining the measurement result of can be defined as follows in equation 21.

[수학식 21][Equation 21]

상태 의 경우, 확룔은 다음 수학식 22와 같이 정의될 수 있다.situation In the case of , the certainty can be defined as follows in Equation 22.

[수학식 22][Equation 22]

최대 노이즈 채널(q=0)의 경우, 는 다음 수학식 23와 같을 수 있다.For the maximum noise channel (q=0), may be equal to the following equation 23:

[수학식 23][Equation 23]

여기서, 제어 큐비트가 상태 에 해당하는 경우, 즉 인 경우, 더 나은 결과는 얻어질 수 있다.Here, the control qubit is in the state In the case that applies, that is, In this case, better results can be obtained.

수학식 13으로부터, X는 제어 큐비트 측정 후 획득된 양쪽 상태에 대한 동일한 값을 얻을 수 있다. 그러므로, P에 의해 야기된 차이점을 확인해야할 필요가 있다.From equation 13, X can obtain the same value for both states obtained after measuring the control qubit. Therefore, there is a need to identify the differences caused by P.

모순을 가정하기 위해, 는 다음 수학식 24로부터 수학식 25의 과정을 거쳐 수학식 26으로 표현될 수 있다.To assume a contradiction, Can be expressed as Equation 26 through the following process from Equation 24 to Equation 25.

[수학식 24][Equation 24]

[수학식 25][Equation 25]

[수학식 26][Equation 26]

여기서, 이고, 이며, 이고, 이며, 이다.here, ego, and ego, and am.

여기서, 수학식 26은 로 표현될 수 있고, 은 모순이다. 그러므로, 어야 할 수 있다.Here, equation 26 is It can be expressed as is a contradiction. therefore, It can be done.

수학식 17로부터 양자 상태가 고전(classical) 배열을 통해 전송되는 경우, 의 측정 결과를 획득하기 위한 확률은 이고, 이에 따라 보다 더 큰 MSE는 주어질 것이다.From Equation 17, if the quantum state is transmitted through a classical arrangement, The probability of obtaining a measurement result of And, accordingly, and A larger MSE will be given.

<수치 시뮬레이션(Numerical Simulation)><Numerical Simulation>

이하에서는, 상술한 체계를 사용하여 하나의 큐비트 시스템에서 수치 시뮬레이션을 수행한다. 순수 상태와 혼합 상태에서 QST를 수행하여 두 가지 상태 모두에서 체계가 잘 작동하는지 확인한다.Below, numerical simulations are performed on a single qubit system using the above-described scheme. QST is performed in pure and mixed states to ensure that the system performs well in both states.

도 4는 큐비트 전송에서 양자 스위치(410)를 채택함으로써, 최대 잡음이 있는 양자 탈분극 채널에서 QST를 수행하기 위한 메커니즘을 설명하는 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating a mechanism for performing QST in a quantum depolarization channel with maximum noise by employing a quantum switch 410 in qubit transmission.

도 4를 참조하면, 시뮬레이션 시 구성되는 일실시예에 따른 단층 촬영 장치(400)는 양자 스위치(Quantum Switch)(410)와, 제어 큐비트를 측정하는 측정(Control Qubit Measurement) 장치(420)와, 양자 상태 단층 촬영(Quantum Sate Tomography) 장치(430)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4, the tomography device 400 according to an embodiment configured during simulation includes a quantum switch 410, a control qubit measurement device 420, and , may include a quantum state tomography (Quantum State Tomography) device 430.

Haar 측정(measure)에 따라, 그리고 혼합 상태들을 위한 힐베르트-슈미트(Hilbert-Schmidt) 측정(measure) 또는 Bures 측정(measure)에 따라 균일하게 분포된 개의 임의 양자 상태들이 생성될 수 있다. 측정 전에 고전적 궤도에서 조립된 최대 잡음이 있는 탈분극 채널 및 ICO에서 큐비트 전송을 모델링할 수 있다. 측정들은 각 큐비트 상에서 각 마다 수행될 수 있다. 실제 상태와 추정이 얼마나 가까운지 정량화하기 위해, 양쪽 상태 모두의 정확도(fidelity)가 계산될 수 있다.uniformly distributed according to the Haar measure and according to the Hilbert-Schmidt measure or Bures measure for mixed states. Random quantum states can be created. It is possible to model qubit transport in depolarizing channels and ICOs with maximum noise assembled from classical orbits prior to measurement. Measurements are made on each qubit. It can be performed every time. To quantify how close the actual state is to the estimate, both states The fidelity of all can be calculated.

다음, 개의 양자 상태들의 평균 log 정확도 는 계산될 수 있다. 상태들이 유한한 인과 순서 그리고 ICO에서 전송되는 경우, 이러한 추정을 갖는 실제 순수 상태들의 Log 부정확도(infidelity)는 도 5와 같이 나타낼 수 있다.next, Average log accuracy of quantum states can be calculated. If the states are transmitted in finite causal order and ICO, the Log infidelity of the actual pure states with this estimate can be represented as in Figure 5.

도 5는 순수 상태들 (a)과 혼합 상태들 (b)에 대한 재구성 상태 와 실제 상태 의 Log 부정확도(infidelity)를 나타낸다.Figure 5 shows the reconstruction states for pure states (a) and mixed states (b) and actual state Indicates the log infidelity.

실제 상태들이 ICO 배열에서 놓여진 채널을 통해 전송되는 경우, log 부정확도(infidelity)는 각 에서의 측정 결과에 대해 빨간 색과 녹색 선에 의해 표시될 수 있다. 또한, 추정된 상태의 평균 정확도는 다음 수학식 27과 같이 계산될 수 있다.When real states are transmitted over channels placed in an ICO array, the log infidelity is and Measurement results can be displayed by red and green lines. Additionally, the average accuracy of the estimated state can be calculated as shown in Equation 27 below.

[수학식 27][Equation 27]

여기서, 는 제어 큐비트의 측정이 에 대응하는 경우, 추정된 상태의 확률과 정확도일 수 있다.here, and is the measurement of the control qubit and In the case corresponding to , it may be the probability and accuracy of the estimated state.

도 5로부터, 최대 잡음이 있는 양자 탈분극 채널에 대해, ICO 배열이 순수 상태 및 혼합 상태 양쪽 모두에 대한 QST 추정 성능에 도움이 되는 것을 확인할 수 있다. 측정 결과 에 해당하는 상태들 상에 QST는 이전에 설명된 MSE 분석과 일치하는 에 해당하는 상태들보다 더 좋은 추정을 획득할 수 있다.From Figure 5, it can be seen that for the quantum depolarization channel with maximum noise, the ICO arrangement helps the QST estimation performance for both pure and mixed states. Measurement results The QST on the corresponding states is consistent with the previously described MSE analysis. A better estimate can be obtained than the corresponding states.

예를 들어, 도 6의 일실시예에 따른 단층 촬영 장치(600)는 상술한 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 단층 촬영 장치(600)의 양자 스위치부(610)를 통과한 출력은 수학식 18과 같을 수 있다. 그리고/또는, 단층 촬영 장치(600)의 양자 스위치부(610)는 베이시스(basis)에서의 제어 큐비트에서 채널의 출력을 수학식 19와 같이 변환할 수 있다. 그리고/또는, 단층 촬영 장치(600)의 단층 촬영부(620) 및/또는 추정부(630)는 상기의 양자 상태 단층 촬영에 대한 설명과 같이 선형 회귀 접근법에 기반하여 양자 상태를 추정할 수 있다. 예를 들어, 단층 촬영 장치(600)의 단층 촬영부(620) 및/또는 추정부(630)는 수학식 5 내지 수학식 13의 연산을 수행할 수 있다. 그리고/또는, 단층 촬영 장치(600)의 단층 촬영부(620) 및/또는 추정부(630)는 수학식 19에 기반하여 를 재구성할 수도 있다.For example, the tomographic imaging device 600 according to the embodiment of FIG. 6 may perform the above-described operation. For example, the output passing through the quantum switch unit 610 of the tomography apparatus 600 may be expressed as Equation 18. And/or, the quantum switch unit 610 of the tomography device 600 The output of the channel from the control qubit in the basis can be converted as shown in Equation 19. And/or, the tomography unit 620 and/or the estimation unit 630 of the tomography apparatus 600 may estimate the quantum state based on a linear regression approach, as described above for quantum state tomography. . For example, the tomography unit 620 and/or the estimation unit 630 of the tomography apparatus 600 may perform the calculations of Equations 5 to 13. And/or, the tomography unit 620 and/or the estimation unit 630 of the tomography apparatus 600 is based on Equation 19. can also be reconstructed.

그리고/또는, 단층 촬영 장치(600)의 단층 촬영부(620) 및/또는 추정부(630)는 수학식 16에 의해 에 또는 를 결정 및/또는 추정할 수 있다. And/or, the tomography unit 620 and/or the estimation unit 630 of the tomography apparatus 600 is calculated by Equation 16: to or can be determined and/or estimated.

도 6을 참조하여 설명한 단층 촬영 장치의 동작은 상술한 방식에 한하지 않으며, 다양한 방식으로 본 명세서에서 설명된 동작들을 수행할 수 있다. 또한, 단층 촬영 장치는 상기 도 6을 참조하여 설명한 단층 촬영 장치의 동작 이외에도 본 명세서에서 설명된 모든 또는 일부 동작들을 수행할 수 있다. The operation of the tomography apparatus described with reference to FIG. 6 is not limited to the above-described method, and the operations described herein can be performed in various ways. Additionally, the tomographic imaging device may perform all or some of the operations described in this specification in addition to the operations of the tomographic imaging device described with reference to FIG. 6 above.

도 6의 단층 촬영 장치는 도 7의 양자 상태 단층 촬영 처리부(2031)에 적용될 수 있다. The tomography apparatus of FIG. 6 can be applied to the quantum state tomography processing unit 2031 of FIG. 7.

본 명세서에서는 최대 잡음이 있는 탈분극 채널에서의 QST를 살펴보았다. 본 명세서에서는 최대 잡음 채널에서 QST가 가능하도록 양자 스위치(quantum switch)을 적용하였다. 본 명세서에서 설명한 바와 같이, 양자 전환 배열로 큐비트를 전송하는 것이 고전적인 궤도를 통해 전송하는 것보다 더 정확한 양자 상태 추정을 제공한다. 다시 말해, 본 발명은 최대 잠음이 있는 탈분극 양자 채널에서 정확한 양자 상태 단층 촬영을 수행할 수 있다.In this specification, we look at QST in a depolarizing channel with maximum noise. In this specification, a quantum switch was applied to enable QST in the maximum noise channel. As described herein, transmitting qubits in a quantum switching array provides more accurate quantum state estimates than transmitting them via classical orbitals. In other words, the present invention can perform accurate quantum state tomography in a depolarized quantum channel with maximum silencing.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 단층 촬영 장치의 블록도이다.Figure 6 is a block diagram of a tomographic imaging device according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 단층 촬영 장치(600)는 제어 큐비트에 의해 제어되고 추정될 양자 상태를 수신하는 양자 스위치부(610)와, 양자 스위치부(610)에서 출력되는 상태에 양자 상태 단층 촬영을 수행하는 단층 촬영부(620)와, 단층 촬영부(620)의 출력 및 대수학에 기반하여 초기 상태를 추정하는 추정부(630)를 포함하며, 최대 잡음 채널에서도 양자 상태 촬영이 수행될 수 있다. Referring to FIG. 6, the tomography apparatus 600 according to an embodiment of the present invention includes a quantum switch unit 610 that is controlled by a control qubit and receives a quantum state to be estimated, and a quantum switch unit 610. It includes a tomography unit 620 that performs quantum state tomography on the output state, and an estimation unit 630 that estimates the initial state based on the output of the tomography unit 620 and algebra, even in the maximum noise channel. Quantum state imaging can be performed.

그리고/또는, 양자 스위치부(610)는 양자 채널을 결합할 수 있다.And/or, the quantum switch unit 610 may combine quantum channels.

그리고/또는, 단층 촬영은 선형 회귀 추정에 기반할 수 있다.And/or, tomography may be based on linear regression estimation.

그리고/또는, 최대 잡음 채널은 무한 인과 순서(Indefinite Causal Order, ICO)로 설정될 수 있다.And/or, the maximum noise channel can be set to Indefinite Causal Order (ICO).

그리고/또는, 최대 잡음 채널은 양자 탈분극 채널일 수 있다.And/or, the maximum noise channel may be a quantum depolarization channel.

다른 일실시예에 따라, 단층 촬영 장치(600)는 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하고, 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하며, 양자 스위치에서 출력되는 상태의 예측에서 대수학을 수행하여 초기 상태를 추정함에 따라 최대 잡음 탈분극 양자 채널에서 양자 상태 단층 촬영 정확도를 향상시킬 수 있다.According to another embodiment, the tomography device 600 transmits the quantum state to be estimated to the quantum switch, performs quantum state tomography in the state output from the quantum switch, and uses algebra in predicting the state output from the quantum switch. By performing , the quantum state tomography accuracy can be improved in the maximum noise depolarization quantum channel by estimating the initial state.

다른 일실시예에 따라, 단층 촬영 장치(600)는 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하고, 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하며, 양자 스위치에서 출력되는 상태의 예측에서 대수학을 수행하여 초기 상태를 추정함으로써, 채널 잡음이 최대인 경우에도 양자 상태 단층 촬영을 수행할 수 있다.According to another embodiment, the tomography device 600 transmits the quantum state to be estimated to the quantum switch, performs quantum state tomography in the state output from the quantum switch, and uses algebra in predicting the state output from the quantum switch. By performing to estimate the initial state, quantum state tomography can be performed even when the channel noise is maximum.

그리고/또는, 양자 상태는 최대 잡음 탈분극 양자 채널로 전송되면 최대한으로 혼합된 상태로 변환하면서 양자 상태 단층 촬영을 수행할 수 없게 된다. 채널 잡음이 최대인 경우에도 일실시 예에 따른 양자 상태 단층 촬영 장치는 먼저, 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하고, 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하며, 양자 스위치에서 출력되는 상태의 예측에서 대수학을 수행하여 초기 상태를 추정할 수 있다.And/or, when the quantum state is transmitted in a maximally noisy depolarizing quantum channel, it transforms into a maximally mixed state, making it impossible to perform quantum state tomography. Even when the channel noise is maximum, the quantum state tomography device according to one embodiment first transmits the quantum state to be estimated to the quantum switch, performs quantum state tomography in the state output from the quantum switch, and outputs from the quantum switch. The initial state can be estimated by performing algebra on the prediction of the resulting state.

도 6을 참조하여 설명한 단층 촬영 장치의 동작은 이에 한정되지 않으며, 이외 본 명세서에서 설명된 모든 또는 일부 동작들이 단층 촬영 장치에 의해 수행될 수 있다.The operations of the tomography apparatus described with reference to FIG. 6 are not limited to this, and all or some of the operations described in this specification may be performed by the tomography apparatus.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 양자정보기술 통합 시스템을 나타내는 도면이다. Figure 7 is a diagram showing a quantum information technology integrated system according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 양자 통신 플랫폼(2010), 양자 컴퓨팅 플랫폼(2020), 양자 관측 및 분석 플랫폼(2030), 플랫폼 제어부(2040) 및 플랫폼 인터페이스부(2050)을 포함한다. Referring to FIG. 7, it includes a quantum communication platform (2010), a quantum computing platform (2020), a quantum observation and analysis platform (2030), a platform control unit (2040), and a platform interface unit (2050).

양자 통신 플랫폼(2010)은 양자통신 및 양자정보통신과 관련된 요소 기술의 구현 및 실험을 제공하는 플랫폼이다. Quantum Communication Platform (2010) is a platform that provides implementation and experimentation of element technologies related to quantum communication and quantum information communication.

양자 통신 플랫폼(2010)은 양자 키 분배(quantum key distribution: QKD)를 통해 보안된 통신을 수행하는 양자 키 분배 처리부(2011), 채널에 입자가 존재하지 않는 무-입자(particle-free) 정보전송과 새로운 형태의 전 이중(full-duplex) 정보전송 및 익명-원격계산(blind tele-computation) 등을 수행하는 반사실 양자 통신 처리부(2013), 차세대이동통신에 양자 통신을 적용하는 경우 무선자원 관리를 수행하는 무선 자원 관리 처리부(2015) 및 네트워크 간섭 제어를 수행하는 네트워크 간섭 제어 처리부(2017)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 반사실 양자통신 처리부(2013)는 제1 단말(Alice), 제2 단말(Bob) 및 제3 단말(Charlie) 중 적어도 어느 하나의 역할을 수행할 수 있다.Quantum communication platform (2010) is a quantum key distribution processor (2011) that performs secure communication through quantum key distribution (QKD), particle-free information transmission in which no particles exist in the channel. and a counterfactual quantum communication processing unit (2013) that performs a new form of full-duplex information transmission and blind tele-computation, and radio resource management when applying quantum communication to next-generation mobile communication. It may include a radio resource management processing unit 2015 that performs and a network interference control processing unit 2017 that performs network interference control. For example, the counterfactual quantum communication processing unit 2013 may perform the role of at least one of the first terminal (Alice), the second terminal (Bob), and the third terminal (Charlie).

양자 컴퓨팅 플랫폼(2020)은 양자 알고리즘을 기반으로 기하급수적으로 빠른 병렬게산이 가능한 양자컴퓨터의 실용화를 위한 요소 기술의 구현 및 실험을 제공하는 플랫폼이다. The Quantum Computing Platform (2020) is a platform that provides implementation and experiments of element technologies for the practical use of quantum computers capable of exponentially fast parallel calculations based on quantum algorithms.

양자 컴퓨팅 플랫폼(2020)은 잡음중규모양자(noisy intermediate-scale quantum: NISQ) 장치를 위해 특별 히 설계된 변형 양자알고리즘(variational quantum algorithm: VQA)을 제공하는 변형 양자 알고리즘 처리부(2021), Grover 검색 알고리즘 또는 양자 카운팅 알고리즘과 같은 양자 검색 알고리즘(quantum search algorithm: QSA)을 제공하는 양자 검색 알고리즘 처리부(2023) 및 다체(multi-body) Hamiltonian의 양자강화학습(quantum reinforcement learning)과 같은 양자머신러닝(quantum machine learning: QML) 기술을 제공하는 양자 머신 러닝 처리부(2025)을 포함할 수 있다. The quantum computing platform (2020) includes a variant quantum algorithm processor (2021) that provides a variational quantum algorithm (VQA) specifically designed for noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices, the Grover search algorithm or Quantum search algorithm processing unit (2023) that provides a quantum search algorithm (QSA) such as a quantum counting algorithm and quantum machine learning such as quantum reinforcement learning of a multi-body Hamiltonian It may include a quantum machine learning processing unit (2025) that provides learning: QML) technology.

양자 관측 및 분석 플랫폼(2030)은 양자 측정 및 양자 시뮬레이션을 지원하고, 양자 결맞음(coherence) 및 얽힘(entanglement)과 같은 실제 입자의 양자특성을 직접 활용하기 때문에 고전 컴퓨터에서 모의실험하기 어려운 문제를 해결하기 위한 플랫폼이다.The Quantum Observation and Analysis Platform (2030) supports quantum measurements and quantum simulations and directly utilizes the quantum properties of real particles, such as quantum coherence and entanglement, solving problems that are difficult to simulate on classical computers. It is a platform for doing this.

양자 관측 및 분석 플랫폼(2030)은 양자 상태 단층 촬영을 제공하는 양자 상태 단층 촬영 처리부(2031), 양자 상태 측정을 지원하는 양자 상태 측정 처리부(2033), 큐빗 측정 및 실험을 위한 양자 상관 측정을 지원하는 양자 상관 측정 처리부(2035) 및 모의실험을 위한 텐서 네트워크 및 Hamiltonian 기반 양자시뮬레이션을 지원하는 텐서 네트워크 실험 처리부(2037)을 포함한다. The quantum observation and analysis platform (2030) includes a quantum state tomography processor (2031) that provides quantum state tomography, a quantum state measurement processor (2033) that supports quantum state measurements, and quantum correlation measurements for qubit measurements and experiments. It includes a quantum correlation measurement processing unit 2035 and a tensor network experiment processing unit 2037 supporting tensor network and Hamiltonian-based quantum simulation for simulation.

플랫폼 제어부(240)은 양자 통신 플랫폼(2010), 양자 컴퓨팅 플랫폼(2020) 및 양자 관측 및 분석 플랫폼(2030)에서 수행된 내역 및 측정 결과를 저장하고, 어느 하나의 플랫폼에서 다른 플랫폼의 구성요소의 사용이 필요할 때 이를 연결해 주는 동작을 수행할 수 있다. The platform control unit 240 stores the history and measurement results performed on the quantum communication platform (2010), the quantum computing platform (2020), and the quantum observation and analysis platform (2030), and controls the components of the other platform from any one platform. When you need to use it, you can perform an action to connect it.

예를 들어, 양자 통신 플랫폼(2010)의 반사실 양자 통신 처리부(2013)에서 벨 측정이 필요한 경우 벨 측정은 양자 관측 및 분석 플랫폼(2030)의 양자 상태 측정 처리부(2033) 또는 양자 상관 측정 처리부(2035)에서 수행될 수 도 있다. For example, if a Bell measurement is required in the counterfactual quantum communication processing unit (2013) of the quantum communication platform (2010), the Bell measurement is performed in the quantum state measurement processing unit (2033) or the quantum correlation measurement processing unit (2033) of the quantum observation and analysis platform (2030). 2035).

플랫폼 인터페이스부(2050)는 사용자 또는 실험자가 각 플랫폼에 접속할 수 있는 컴퓨터 장치일 수 있다. 예를 들어, 사용자는 플랫폼 인터페이스부(2050)를 통해 양자 관측 및 분석 플랫폼(2030)에 접속하여 원하는 양자 시뮬레이션을 실행할 수 있다. The platform interface unit 2050 may be a computer device that allows a user or experimenter to access each platform. For example, a user can access the quantum observation and analysis platform 2030 through the platform interface unit 2050 and run a desired quantum simulation.

양자정보기술은 통신, 알고리즘 및 시뮬레이션 기술 분야와 융합되어 네트워크 보안, 무선자 원 관리, 채널추정, 네트워크 간섭관리 등 차세대이동통신의 한계를 극복하기 위한 방향으로 지속적으로 연구가 진행되고 있다. 따라서, 양자 통신 플랫폼(2010), 양자 컴퓨팅 플랫폼(2020) 및 양자 관측 및 분석 플랫폼(2030) 각각에 포함되는 구성요소는 각 기술의 발전 및 출현에 따라 대체되거나 개량될 수 있다. Quantum information technology is converging with the fields of communication, algorithms, and simulation technologies, and research is ongoing to overcome the limitations of next-generation mobile communications, such as network security, wireless resource management, channel estimation, and network interference management. Accordingly, the components included in each of the quantum communication platform (2010), the quantum computing platform (2020), and the quantum observation and analysis platform (2030) may be replaced or improved according to the development and emergence of each technology.

예를 들어, 양자 키 분배 처리부(2011)는 차세대이동통신 시스템의 보안계층에 융합되기 위한 기술을 제공하기 위하여 개량될 수 있다. For example, the quantum key distribution processor 2011 can be improved to provide technology for integration into the security layer of the next-generation mobile communication system.

예를 들어, 지능형 네트워크 기능을 요구하는 차세대이동통신 시스템의 간섭 관리에 활용하기 위하여 양자 통신 플랫폼(2010)의 각 구성요소는 개량될 수 있다. For example, each component of the quantum communication platform (2010) can be improved for use in interference management of next-generation mobile communication systems that require intelligent network functions.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The device described above may be implemented with hardware components, software components, and/or a combination of hardware components and software components. For example, devices and components described in embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It may be implemented using one or more general-purpose or special-purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. A processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications that run on the operating system. Additionally, a processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of software. For ease of understanding, a single processing device may be described as being used; however, those skilled in the art will understand that a processing device includes multiple processing elements and/or multiple types of processing elements. It can be seen that it may include. For example, a processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Additionally, other processing configurations, such as parallel processors, are possible.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc., singly or in combination. Program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -Includes optical media (magneto-optical media) and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, etc. Examples of program instructions include machine language code, such as that produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, various modifications and variations can be made by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the claims described below.

Claims (6)

2N 개의 GHZ( Greenberger-Horne-Zeilinger)상태를 반사실적으로 생성하는 단계;
N개의 GHZ 상태의 임의의 서브세트를 선택하고, 선택된 서브세트의 위치를 수신 단말 및 제어 단말로 통지하는 단계;
상기 수신 단말 및 제어 단말의 큐빗 측정 결과를 수신하고 측정 결과의 일관성을 확인하는 단계; 및
상기 측정 결과의 일관성이 기 설정된 임계 값까지 신뢰 가능한 경우 자신이 소유한 큐빗에 대해 벨 기반 측정을 수행함으로써, 미지의 양자상태를 순간이동 시키는 단계를 포함하는
양자 정보 처리 통합 시스템에서 송신 단말에서 수행되는 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 방법.
Counterfactually generating 2N GHZ (Greenberger-Horne-Zeilinger) states;
Selecting a random subset of N GHZ states and notifying the location of the selected subset to the receiving terminal and the control terminal;
Receiving qubit measurement results from the receiving terminal and the control terminal and confirming consistency of the measurement results; and
Including the step of teleporting an unknown quantum state by performing a bell-based measurement on a qubit owned by the user when the consistency of the measurement result is reliable up to a preset threshold.
A method for supporting controlled counterfactual quantum teleportation performed at a transmitting terminal in a quantum information processing integrated system.
제1항에 있어서,
상기 제어 단말은 Hadamard 기저로 큐빗을 측정하고 미지의 양자 상태를 재구성하도록 수신 단말에게 측정 결과를 통지하는 것을 특징으로 하는
양자 정보 처리 통합 시스템에서 송신 단말에서 수행되는 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 방법.
According to paragraph 1,
The control terminal measures the qubit based on the Hadamard basis and notifies the receiving terminal of the measurement result to reconstruct the unknown quantum state.
A method for supporting controlled counterfactual quantum teleportation performed at a transmitting terminal in a quantum information processing integrated system.
제2항에 있어서,
상기 제어 단말은 제어된 반사실적 양자 순간이동을 승인하기 위해 고전적 정보인 m의 1비트를 통해 상기 측정 결과를 통지하는
양자 정보 처리 통합 시스템에서 송신 단말에서 수행되는 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 방법.
According to paragraph 2,
The control terminal notifies the measurement result through 1 bit of classical information m to approve controlled counterfactual quantum teleportation.
A method for supporting controlled counterfactual quantum teleportation performed at a transmitting terminal in a quantum information processing integrated system.
제3항에 있어서,
상기 제어 단말에 의해 통신이 승인되면, 벨 상태 에 대응하는 세트로부터 고전적 정보인 m1m2 2비트를 통해 측정 결과를 상기 수신 단말에게 통지하는
양자 정보 처리 통합 시스템에서 송신 단말에서 수행되는 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 방법.
According to paragraph 3,
If communication is approved by the control terminal, the bell state corresponding to Notifying the receiving terminal of the measurement result through 2 bits of m1m2, which is classical information from the set.
A method for supporting controlled counterfactual quantum teleportation performed at a transmitting terminal in a quantum information processing integrated system.
제4항에 있어서,
상기 수신 단말은 양자 상태를 재구성하기 위해 상기 송신 단말 및 제어 단말의 측정 결과에 기초하여 큐빗 rj에서 수학식 4와 같이 정의되는 유니터리 오퍼레이션(unitary operation)을 수행하는,
[수학식 4]

여기서, X 및 Z는 각각 Pauli x 및 z 연산자를 의미하는
양자 정보 처리 통합 시스템에서 송신 단말에서 수행되는 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 방법.
According to paragraph 4,
The receiving terminal performs a unitary operation defined as Equation 4 in the qubit r j based on the measurement results of the transmitting terminal and the control terminal to reconstruct the quantum state.
[Equation 4]

Here, X and Z stand for Pauli x and z operators, respectively.
A method for supporting controlled counterfactual quantum teleportation performed at a transmitting terminal in a quantum information processing integrated system.
2N 개의 GHZ( Greenberger-Horne-Zeilinger)상태를 반사실적으로 생성하고, N개의 GHZ 상태의 임의의 서브세트를 선택하고, 선택된 서브세트의 위치를 수신 단말 및 제어 단말로 통지하고, 상기 수신 단말 및 제어 단말의 큐빗 측정 결과를 수신하고 측정 결과의 일관성이 기 설정된 임계 값까지 신뢰 가능한 경우 자신이 소유한 큐빗에 대해 벨 기반 측정을 수행함으로써, 미지의 양자상태를 순간이동 시키는 반사실 양자 통신 처리부를 포함하는 양자 통신 플랫폼 및
추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하고, 상기 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하고, 상기 양자 상태 단층 촬영의 출력 및 대수학에 기반하여 초기 상태를 추정하는 양자 상태 단층 촬영 처리부를 포함하는 양자 관측 및 분석 플랫폼을 포함하는
양자 정보 처리 통합 시스템.
Generate 2N GHZ (Greenberger-Horne-Zeilinger) states counterfactually, select a random subset of N GHZ states, notify the location of the selected subset to the receiving terminal and the control terminal, and A counterfactual quantum communication processor that receives the qubit measurement results from the control terminal and teleports the unknown quantum state by performing bell-based measurements on the qubits it owns when the consistency of the measurement results is reliable up to a preset threshold. A quantum communication platform comprising and
A quantum state tomography processing unit that transmits the quantum state to be estimated to a quantum switch, performs quantum state tomography in the state output from the quantum switch, and estimates the initial state based on the output of the quantum state tomography and algebra. Quantum observation and analysis platform that includes
Quantum information processing integrated system.
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