CN110009106A - 利用量子技术获取未知信息的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用量子技术获取未知信息的方法，包括：制备单个量子系统的初始状态；通过第k次预设量子操作将所述单个量子系统放入未知信息体系，以使所述单个量子系统参数化为参数化量子系统；对所述参数化量子系统进行测量，获得所述参数化量子系统的当前实测量子态；通过理论量子测量操作对所述参数化量子系统进行测量，获得所述参数化量子系统的当前理论量子态；若所述当前实测量子态与所述当前理论量子态不同，获得观测误差对观测精度的平均偏差，其中所述平均偏差为k次所述当前实测量子态与所述当前理论量子态的平均偏差；若所述平均偏差小于预设误差，通过不完美探测量子方法获取所述参数化量子系统的当前量子状态。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种利用量子技术获取未知信息的方法。
背景技术
量子度量学又称量子参数估计，主要研究如何利用量子手段提高参数估计的精度，其在实验和理论上都有着重要的研究意义。量子度量学已经成为原子钟、量子频标、量子光刻、量子定位、量子成像和引力波探测等研究领域的重要课题。
传统技术中的量子度量技术多采用平行参数化协议，即将处于纠缠态的多个量子体系作为探测态同时经过依赖于待估参数的动力学演化过程，利用粒子之间的量子效应。这种参数化过程中量子纠缠的制备成本较高，且因为量子体系不可避免的与周围环境发生相互作用，量子效应会发生不可逆的损失，使得这种参数化过程的精度大幅度的下降。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种成本低的利用量子技术获取未知信息的方法，所述方法包括：
制备单个量子系统的初始状态；
通过第k次预设量子操作将所述单个量子系统放入未知信息体系，以使所述单个量子系统参数化为参数化量子系统；
对所述参数化量子系统进行测量，获得所述参数化量子系统的当前实测量子态；
通过理论上量子测量操作对所述参数化量子系统进行测量，获得所述参数化量子系统的当前理论量子态；
若所述当前实测量子态与所述当前理论量子态不同，获得普通平均偏差，其中所述普通平均偏差为k次所述当前实测量子态与所述当前理论量子态的普通平均偏差；
若所述普通平均偏差小于预设误差，通过不完美探测量子方法获取所述参数化量子系统的当前量子状态。
在一个实施例中，所述单个量子系统为一个电子系统或一个光子系统。
在一个实施例中，所述预设量子操作为幺正参数化过程或非幺正参数化过程。
在一个实施例中，所述通过理论量子测量操作对所述参数化量子系统进行测量，以获得所述参数化量子系统的当前理论量子态的步骤包括：
根据满足归一化条件的量子测量操作算符，获得所述参数化量子系统在预设量子态的发生概率；
根据所述参数化量子系统、所述量子测量操作算符、和发生概率，获得所述参数化量子系统的当前理论量子态为所述参数化量子系统在所述量子测量操作算符操作下的测量态与所述发生概率的比值。
在一个实施例中，所述理论量子测量操作为量子POVM测量或量子von Neumann测量。
在一个实施例中，所述若所述当前实测量子态与所述当前理论量子态不同，则获得普通平均偏差，其中所述普通平均偏差为k次所述当前实测量子态与所述当前理论量子态的普通平均偏差的步骤包括：
判断所述当前实测量子态不等于所述当前理论量子态；
获取保真度为所述当前实测量子态对于所述当前理论量子态偏差程度，以获得所述当前实测量子态对于所述当前理论量子态偏差为所述保真度与所述保真度对应概率的乘积；
获取普通平均偏差为k次所述当前实测量子态对于所述当前理论量子态偏差之和。
在一个实施例中，所述方法还包括：
若所述普通平均偏差大于预设误差，获取k＝k+1，将完美平均偏差赋值给所述普通平均偏差，返回所述通过第k次预设量子操作将所述单个量子系统放入未知信息体系，以使所述单个量子系统参数化为参数化量子系统的步骤。
在一个实施例中，所述第k次预设量子操作与所述第k+1次预设量子操作为不同量子操作。
在一个实施例中，所述若所述普通平均偏差小于预设误差，则通过不完美探测量子方法，获取所述参数化量子系统的当前量子状态的步骤包括：
判断所述普通平均偏差小于预设误差；
获取所述参数化量子系统的当前量子状态为k次所有可能出现的实测量子态的加权平均。
在一个实施例中，所述方法还包括：根据所述当前量子状态，获得所述未知信息
本发明所提供的利用量子技术获取未知信息的方法采用单个量子系统放入含有未知参数信息的体系，获取参数化的量子系统状态，因此本发明利用量子技术获取未知信息的方法只需制备单个量子系统的初始状态，制备成本低。
附图说明
图1为本发明一个实施例的利用量子技术获取未知信息的方法的流程图；
图2为本发明一个实施例的利用量子技术获取未知信息的方法中获得普通平均偏差的流程图；
图3为实施本发明一个实施例过程中观测误差与平均偏差关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明的技术方案，并不用于限定本发明的技术方案。
请参阅图1，本发明一个实施例提供一种利用量子技术获取未知信息的方法，所述方法包括：
步骤S100，制备单个量子系统的初始状态。
具体地，所述单个量子系统可为电子也可为光子。若所述单个量子系统为电子，则可根据需要制备所述单个量子系统的初始状态为自旋向上或自旋向下。若所述单个量子系统为光子，则可制备所述单个量子系统的初始状态的偏振状态为左旋光或右旋光。
步骤S200，通过第k次预设量子操作将所述单个量子系统放入未知信息体系，以使所述单个量子系统参数化为参数化量子系统。
具体地，所述量子系统的初始状态为ρ0，所述未知信息表示为θ。通过第k次预设量子操作将所述单个量子系统放入未知信息体系，表示为Φθ。经过未知信息参数化后的参数化量子系统状态记作ρθ＝Φθ(ρ0)。将制备好初始量子状态的量子系统，所述量子系统可为光子系统或电子电子系统。所述预设量子操作为将所述量子系统引入带有未知信息的黑盒子中，所述量子系统与所述未知信息体系发生相互作用，使得所述量子系统携带出未知信息，得到参数化量子系统状态。在一个实施例中，将制备好初始状态的电子ρ0放入磁场强度θ未知的磁场中。电子会携带出磁场强度的信息，输出的经过磁场后的电子状态用公式ρθ＝Φθ(ρ0)描述。根据所述预设量子操作的方式不同即电子放入磁场的方式不同，例如以不同的速度打入磁场，所述预设量子操作的方式不同使得携带未知信息的方式Φθ也不同。
在一个实施例中，所述预设量子操作可以为幺正参数化过程或非幺正参数化过程。所述幺正参数化满足非幺正参数化满足
步骤S300，对所述参数化量子系统进行测量，获得所述参数化量子系统的当前实测量子态。
具体的，对所述参数化量子系统进行测量可以为零差探测，光子数探测等。
步骤S400，通过理论上量子测量操作对所述参数化量子进行测量，获得所述参数化量子的当前理论量子态。
具体地，通过理论上量子测量操作，根据所述单个量子系统的初始状态和所述预设量子操作，获得所述参数化量子系统的当前理论量子态。
在一个实施例中，所述理论上量子测量操作可以分为量子POVM测量或量子vonNeumann测量。
Von Neumann测量就是投影测量，像自旋向上与向下的测量、水平与数值偏振方向的测量都是投影测量，这是比较常用的测量方式，POVM测量叫正算子值测量，是较为复杂的测量方式。
在一个实施例中，步骤S400包括：
S410，根据满足归一化条件的量子测量操作算符，获得所述参数化量子系统在预设量子态的发生概率。
具体地，所述量子测量操作算符，物理上描述为{Mj,j＝1,…,J}，J表示可能出现的结果数，每个下标j对应的是一个测量结果。Mj下标j对应的是第j个可能的测量结果，发生概率为
S420，根据所述参数化量子系统、所述量子测量操作算符、和发生概率，获得所述参数化量子系统的当前理论量子态为所述参数化量子系统在所述量子测量操作算符操作下的本征值与所述发生概率的比值。
具体地，所述参数化量子系统的当前理论量子态表示为 为所述量子测量操作算符操作下的测量态。
步骤S500，若所述当前实测量子态与所述当前理论量子态不同，获得平均偏差，其中所述平均偏差为k次所述当前实测量子态与所述当前理论量子态的平均偏差。
具体地，若所述当前实测量子态与所述当前理论量子态不同，考虑观测误差对所述当前实测量子态的平均偏差。所述观测误差可以为环境误差也可包括仪器误差。所述平均偏差为k次所述当前实测量子态与所述当前理论量子态的平均偏差。
步骤S600，若所述平均偏差小于预设误差，通过不完美探测量子方法，获取所述参数化量子系统的当前量子状态。
具体地，所述预设误差为人为设定的误差。当所述平均偏差低于预设误差δ，获取所述参数化量子系统的当前量子状态。在一个实施例中，所述不完美探测量子方法为k次所有可能出现的实测量子态的加权平均。
所述参数化量子系统的当前量子状态表示为：
其中终止步数K为k计算到最后一步终止时k的数值，表示所述参数化量子系统的当前量子状态，是根据所有得到的观测结果对系统状态做出的估计。表示条件期望，即实际观测结果为的情况下，量子状态的平均；为加权平均公式，其中是所述参数化量子系统的实际的测量结果序列，是经过k次操作后，量子系统实际所处的理论状态；是观测结果为的情况下，实际结果为的概率，是由所述观测误差引起的条件概率。
本发明所提供的利用量子技术获取未知信息的方法采用单个量子系统放入参数化系统获取参数化量子系统的状态，利用量子技术获取未知信息的方法不需制备量子纠缠态，制备成本降低。
请参阅图2中，在一个实施例中，所述步骤S500包括：
S510，判断所述当前实测量子态不等于所述当前理论量子态。
具体地，也就是排除所述当前实测量子态等于所述当前理论量子态的情况。
S520，获取保真度为所述当前实测量子态对于所述当前理论量子态偏差程度，以获得所述当前实测量子态对于所述当前理论量子态偏差为所述保真度与所述保真度对应概率的乘积。
具体地，所述保真度反映的是实测量子态与理论量子态之间的偏差程度。所述保真度用公式表示为：
S530，获取平均偏差为k次所述当前实测量子态对于所述当前理论量子态偏差之和。
具体地，所述普通平均偏差表示为：
在一个实施例中，若所述平均偏差大于预设误差，获取k＝k+1，将完美平均偏差赋值给所述普通平均偏差，返回S200步骤。
具体地，根据k次测量所得的理论结果的序列可得出k时刻量子系统所处的当前理论量子态为：
根据k次测量所得的实测结果的序列可得出k时刻量子系统所处的当前实测量子态为：
k次不完美探测造成的平均偏差为：
其中，保真度定义为：这里实测量子态记为与理论量子态记为ρθ。根据事先给定的预设误差δ，可以给出终止步数K，其满足：对Δk≤δ且ΔK+1＞δ。这个公式的含义是给出终止步数K，在这个步数以内，误差都处于可接受的范围内，超过这个步数之后，误差就超出接受的预设误差。
在一个实施例中，所述一种利用量子技术获取未知信息的方法还包括根据所述当前量子状态，获得所述未知信息。
请参阅图3，采用上述一个实施例过程，分析所述平均偏差。具体制备单个量子系统的初始状态为相干叠加态多次参数化过程采用相同的量子参数化操作假定每一步所选取的量子测量操作均相同，即：其中λk为可调参数。现针对λk＝1/4的情形，假设观测误差(即由噪声等引起的观测误差)η∈(0,0.5)时，获得普通平均偏差Δk的演化，还分析了采用针对量子不完美探测的估计算法时，k次不完美探测造成的完美平均偏差Δ′k的演化情况。由此可以看出本发明中的方法可以大幅度提高量子信息获取的精度，有效的抑制量子观测误差的影响，尤其是误差较大的情况。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的相关装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述程序可存储于计算机可读取存储介质中，如本发明实施例中，所述程序可存储于计算机系统的存储介质中，并被所述计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccess Memory，RAM)等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种利用量子技术获取未知信息的方法，其特征在于，所述方法包括：
制备单个量子系统的初始状态；
通过第k次预设量子操作将所述单个量子系统放入未知信息体系，以使所述单个量子系统参数化为参数化量子系统；
对所述参数化量子系统进行测量，获得所述参数化量子系统的当前实测量子态；
通过理论上量子测量操作对所述参数化量子系统进行测量，获得所述参数化量子系统的当前理论量子态；
若所述当前实测量子态与所述当前理论量子态不同，获得普通平均偏差，其中所述普通平均偏差为k次所述当前实测量子态与所述当前理论量子态的平均偏差；
若所述普通平均偏差小于预设误差，通过不完美探测量子方法获取所述参数化量子系统的当前量子状态。
2.如权利要求1所述的利用量子技术获取未知信息的方法，其特征在于，所述单个量子系统为一个电子系统或一个光子系统。
3.如权利要求1所述的利用量子技术获取未知信息的方法，其特征在于，所述预设量子操作为幺正参数化过程或非幺正参数化过程。
4.如权利要求1所述的利用量子技术获取未知信息的方法，其特征在于，所述通过理论量子测量操作对所述参数化量子系统进行测量，以获得所述参数化量子系统的当前理论量子态的步骤包括：
根据满足归一化条件的量子测量操作算符，获得所述参数化量子系统在预设量子态的发生概率；
根据所述参数化量子系统、所述量子测量操作算符、和发生概率，获得所述参数化量子系统的当前理论量子态为所述参数化量子系统在所述量子测量操作算符操作下的测量态与所述发生概率的比值。
5.如权利要求4所述的利用量子技术获取未知信息的方法，其特征在于，所述理论量子测量操作为量子POVM测量或量子von Neumann测量。
6.如权利要求1所述的利用量子技术获取未知信息的方法，其特征在于，所述若所述当前实测量子态与所述当前理论量子态不同，则获得普通平均偏差，其中所述普通平均偏差为k次所述当前实测量子态与所述当前理论量子态的平均偏差的步骤包括：
判断所述当前实测量子态不等于所述当前理论量子态；
获取保真度为所述当前实测量子态对于所述当前理论量子态偏差程度，以获得所述当前实测量子态对于所述当前理论量子态偏差为所述保真度与所述保真度对应概率的乘积；
获取普通平均偏差为k次所述当前实测量子态对于所述当前理论量子态偏差之和。
7.如权利要求6所述的利用量子技术获取未知信息的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若所述普通平均偏差大于预设误差，获取k＝k+1，将完美平均偏差赋值给所述普通平均偏差，返回所述通过第k次预设量子操作将所述单个量子系统放入未知信息体系，以使所述单个量子系统参数化为参数化量子系统的步骤。
8.如权利要求7所述的利用量子技术获取未知信息的方法，其特征在于，所述第k次预设量子操作与所述第k+1次预设量子操作为不同量子操作。
9.如权利要求8所述的利用量子技术获取未知信息的方法，其特征在于，所述若所述普通平均偏差小于预设误差，则通过不完美探测量子方法，获取所述参数化量子系统的当前量子状态的步骤包括：
判断所述普通平均偏差小于预设误差；
获取所述参数化量子系统的当前量子状态为k次所有可能出现的实测量子态的加权平均。
10.如权利要求9所述的利用量子技术获取未知信息的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述当前量子状态，获得所述未知信息。
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