量子围棋系统及方法
技术领域
本发明涉及的是一种量子领域的技术,具体涉及一种基于量子纠缠和量子随机性的量子围棋系统及方法。
背景技术
围棋是起源于中国的一种古老的智力游戏。围棋规则简单,而可以到达的复杂度却非常高。考虑了棋谱中一些不能下子的点,在19*19棋盘上的围棋的不同下法可以达到10171,相比起来国际象棋的仅是1050。1997年深蓝打败了国际象棋冠军Kasparov,2016年3月,DeepMind计算机项目AlphaGo以4比1的总比分战胜世界冠军李世石进。得益于人工智能与机器学习,最近DeepMind的AlphaGo Zero更是100-0击溃AlphaGo。与此同时,随着量子技术的发展,实现了在经典物理中认为不可能的任务,同时将量子效应加入经典研究的问题会大大得提高其复杂度。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足,提出一种量子围棋系统及方法,将经典的围棋下法加入了量子的效应,提高了游戏的复杂度与趣味性,可以作为量子效应的科普工具。同时又对经典机器学习提出了挑战,设想量子计算机的机器学习相比经典机器更有优势。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明涉及一种量子围棋系统,包括:量子纠缠源、时间序列控制系统以及测量系统,其中:量子纠缠源与测量系统相连并传输纠缠棋子,量子纠缠源检测来自棋盘的纠缠源请求信息,时间序列控制系统从棋盘采集游戏模式及纠缠棋子位置信息并输出塌缩测量基矢选择请求,时间序列控制系统与测量系统相连并传输测量基矢信息并由测量系统输出测量后纠缠棋子所要塌缩的位置。
所述的量子纠缠源是指:各种可以产生纠缠粒子并可以进行时序操作的系统;
所述的纠缠的种类包括:双光子纠缠、多光子纠缠和超纠缠,其中:纠缠态包括最大纠缠态、非最大纠缠态、纯态的纠缠态和混态的纠缠态。
所述的棋盘,即实体或虚拟的围棋棋盘,其大小可以任意选定,从2*2到m*n,m,n为大于2的自然数,最大值由所使用的计算设备能力所决定。
所述的塌缩测量基矢选择请求是指:当纠缠棋子被下到棋盘上且其相邻的点有纠缠棋子,则需要塌缩测量,通过选择从纠缠的棋子中留下一个棋子的位置来确定测量基矢。
所述的塌缩测量,通过以下方式判断得到:
1)触发“塌缩测量基矢选择请求”的用户选择其需要塌缩的纠缠棋子的塌缩位置,该位置不包括触发塌缩的纠缠棋子本身;
2)另一个用户选择纠缠的棋子中留下的一个棋子;
3)触发塌缩的用户选择触发塌缩的纠缠棋子想要塌缩到的位置,并且触发塌缩的纠缠棋子塌缩后的位置可以与第1步或第2步纠缠棋子塌缩后的位置相邻,则必须塌缩到可以与第1步或第2步纠缠棋子塌缩后的位置相邻的位置;用户只能选择纠缠棋子没塌缩前占据的棋盘位置进行塌缩位置选择;用户通过可交互的物理设备进行量子围棋游戏。
所述的纠缠棋子由纠缠粒子进行模拟,该模拟可以是单个纠缠粒子或为纠缠粒子的时间统计,其中:纠缠粒子作为纠缠棋子,当纠缠棋子被下在棋盘上,则时间序列控制系统从棋盘采集其位置并保存。
所述的相邻的点,即所下纠缠棋子紧邻的上、下、左、右的棋盘位置,当纠缠棋子在角上时有两个相邻的点,当所下纠缠棋子在边上时有三个相邻的点。
所述的时间序列控制系统包括:棋盘接口、处理器、量子随机数模块、存储器和测量接口,其中:量子随机数模块利用量子效应得到真正的随机数据并输出至处理器,用户接口接收用户下棋的位置以及用户选择的测量基矢,存储器将用户接口接收的信息储存用户接口所接收的信息,处理器根据用户所下位置的信息计算出可触发塌缩的棋盘位置,当接收到用户所下棋的位置在可触发塌缩的棋盘位置时,计算需要塌缩的纠缠棋子对个数与优先级并发送请求塌缩位置选择给用户,接收到用户选择的测量基矢后将测量基矢信息通过机器接口发送到测量系统。
所述的量子随机数产生模块速率可以达到4Mbps;当选择随机塌缩测量模式时,控制系统根据量子随机数模块所产生的随机数来决定塌缩测量的基矢。
所述的测量系统包括:测量控制模块、纠缠光子塌缩测量模块和计算机数据采集系统,其中:纠缠塌缩测量模块根据对时间序列控制系统发送来的测量基矢对纠缠粒子进行塌缩测量,测量的结果由计算机数据采集系统进行分析并发聩给时间序列控制系统。
所述的计算机数据采集系统包括:现场可编程门阵列和数据处理计算机。
本发明涉及上述系统的控制方法,包括以下步骤:
步骤1)两个用户协商游戏模式并发送给虚拟棋盘,虚拟棋盘把游戏模式信息发送给量子纠缠源与时间序列控制系统;
步骤2)当下黑棋的用户提出游戏终止则跳到步骤17),当下黑棋的用户没有提出游戏终止并下一组黑色纠缠棋子到虚拟棋盘上则进行步骤3);
步骤3)虚拟棋盘请求向量子纠缠源发送纠缠源准备信息,并将最新下的纠缠棋子在棋盘上的几个位置信息发送到时间序列控制系统;
步骤4)时间序列控制系统将棋盘位置信息进行处理,判断是否触发塌缩,当不触发塌缩则将位置信息储存到存储器,并跳过步骤5)-8),直接进行步骤9);当所下棋位置触发塌缩,则进行步骤5);
步骤5)当触发塌缩,时间序列控制系统根据所收到的游戏模式信息选择:模式一,处理器计算出哪些纠缠棋子需要塌缩塌缩并且塌缩位置需要同时可以被选择,则使用量子随机数模块产生的随机数来确定塌缩位置;模式二,将塌缩位置选择请求发送给虚拟棋盘,用户分别进行选择后再将选择的位置信息发送给时间序列控制系统,时间序列判断选择位置是否合法,当合法就确定为塌缩位置,当因为塌缩位置唯一而不合法,则时间序列控制系统自动将塌缩位置改为合法位置;
步骤6)时间序列控制系统将塌缩位置信息转化为测量基矢信息发送到测量系统;
步骤7)测量系统从量子纠缠源得到需要的纠缠光子源并进行塌缩测量,塌缩测量后的结果传输到虚拟棋盘,虚拟棋盘将纠缠棋子变为一个确定位置的经典纠缠棋子;
步骤8)虚拟棋盘再将塌缩到的位置信息发送到时间序列控制系统,时间序列控制系统将此位置信息储存到存储器中;
步骤9)当下白棋的用户提出游戏终止则跳到步骤17),当下白棋的用户没有提出游戏终止并且下一组白色纠缠棋子到虚拟棋盘上则进行步骤10);
步骤10)虚拟棋盘请求向量子纠缠源发送纠缠源准备信息,并将最新下的纠缠棋子在棋盘上的几个位置信息发送到时间序列控制系统;
步骤11)时间序列控制系统将棋盘位置信息进行处理,判断是否触发塌缩,当不触发塌缩则将位置信息储存到存储器,则跳回进行步骤2);当所下棋位置触发塌缩,则进行步骤12);
步骤12)当触发塌缩,时间序列控制系统根据所收到的游戏模式信息选择:模式一,处理器计算出哪些纠缠棋子需要塌缩塌缩并且塌缩位置需要同时可以被选择,则使用量子随机数模块产生的随机数来确定塌缩位置;模式二,将塌缩位置选择请求发送给虚拟棋盘,用户分别进行选择后再将选择的位置信息发送给时间序列控制系统,时间序列判断选择位置是否合法,当合法就确定为塌缩位置,当因为塌缩位置唯一而不合法,则时间序列控制系统自动将塌缩位置改为合法位置;
步骤13)时间序列控制系统将塌缩位置信息转化为测量基矢信息发送到测量系统;
步骤14)测量系统从量子纠缠源得到需要的纠缠光子源并进行塌缩测量,塌缩测量后的结果传输到虚拟棋盘,虚拟棋盘将纠缠棋子变为一个确定位置的经典纠缠棋子;
步骤15)虚拟棋盘再将塌缩到的位置信息发送到时间序列控制系统,时间序列控制系统将此位置信息储存到存储器中;
步骤16)当没有棋局终止信号,则跳回步骤2),否则进行步骤17);
步骤17)虚拟棋盘计算用户得分并给出结果。
技术效果
与现有技术相比,本发明通过时间序列测量的方式将经典的围棋玩法扩展到了量子围棋玩法,大大提高了游戏的复杂度与趣味性,提出了一种量子计算机超越经典人工智能的可能性。
附图说明
图1为实施例中4*4棋谱示意图;
图2为实施例中量子围棋系统示意图;
图3为实施例中8*8棋谱示意图。
具体实施方式
如图1所示,本实施例包括:两个用户、虚拟棋盘,通过本实施例来说明量子围棋与经典围棋规则的不同;其中:用户一下黑棋,用户二下白棋,用户一下第一步黑棋的时候两个纠缠棋子处于纠缠状态下到虚拟棋盘上;第二步白棋由用户二下,一对纠缠的白色纠缠棋子被下到虚拟棋盘上;第三步黑色纠缠棋子由用户一下,一对黑色的纠缠棋子被下到棋盘上,因为第三对纠缠的纠缠棋子左方和下方紧邻的位置上有纠缠棋子,因此这步棋触发纠缠光子的塌缩测量;
所述的塌缩测量步骤如下:用户一先选择第一步所下的黑色纠缠棋子塌缩的位置,位置的选定确定了塌缩测量的基矢;然后用户二选择第二步所下的白色纠缠棋子塌缩的位置,从而确定塌缩测量的基矢;然后用户一再选择第三步所下的黑色纠缠棋子塌缩的位置,从而确定塌缩测量的基矢。
如图2所示,为时间序列控制模块的工作流程,其具体包括以下步骤:
步骤1、虚拟棋盘接收用户下棋的位置和纠缠塌缩位置选择信息;接收来自测量系统的测量结果信息;接收量子光源是否准备完毕的信息。
步骤2、虚拟棋盘可发送给时间序列控制系统的信息包括:新下纠缠棋子所下位置,需要塌缩测量的纠缠棋子用户选择留下纠缠棋子的位置信息和测量系统的测量结果;虚拟棋盘将接收到的不同信息按照设定好的不同格式处理好数据并发送到时间序列控制系统的棋盘接口。
步骤3、处理器读入棋盘接口传入的数据以及存储器中最新的当前棋局棋谱信息并进行计算,1.当棋盘接口传入的是新下纠缠棋子的信息则判断下棋位置是否触发塌缩,(1)如触发塌缩则将需要塌缩测量的信息传回棋盘接口并在棋盘上显示信息让用户选择塌缩到哪个位置,(2)如不触发塌缩则计算会触发塌缩的棋盘位置并将当前棋谱与会触发塌缩的棋盘位置存到存储器中;2.当棋盘接口传入的是用户选择的塌缩位置信息,则处理器判断塌缩位置是否合法,(1)如合法则将塌缩测量信息传到测量接口,(2)如不合法且塌缩位置唯一确定,则系统自动选择塌缩位置并将信息传到测量接口;3.当棋盘接口传入的是测量系统的测量结果,处理器读取存储器中数据生产当前棋谱与触发塌缩的位置信息并保存回存储器更新当前棋谱。
步骤4、时间序列控制系统将塌缩测量信息传入测量控制,测量控制器计算出测量的基矢与波片旋转角度,通过电动马达将测量系统中相应的波片旋转到特定的角度。
步骤5、测量系统从量子纠缠光源处获得纠缠光子对,并再所选定的基矢下进行塌缩测量,通过单光子探测器与现场可编程门阵列得到符合测量的数据,数据经过处理后在传回虚拟棋盘;虚拟棋盘根据所述的收到的数据将当前塌缩测量的纠缠棋子中的一个去掉并留下另一个。
本实施例涉及的基于时间序列测量的量子围棋系统,包括:量子纠缠光源,虚拟棋盘,时间序列控制系统以及测量系统。
所述的量子纠缠光源包括:激光器光源,萨尼亚克干涉仪,半波片和四分之一波片,其中:激光器光源为中心波长为405nm的半导体激光器;激光打入萨尼亚克干涉仪后可以产生极化纠缠的光子对,每秒可以产生2万对纠缠光子;半波片和四分之一波片用于调节所产生的纠缠源的组分,从而生成最大纠缠态以及任意比例的非最大纠缠态。
所述的萨尼亚克干涉仪包括准相位匹配周期极化晶体,半波片,极化光束分束器,反射镜组成,如图1所示,其中:405nm激光打到准相位匹配周期极化晶体上通过二型参量下转换变为810nm光子对。
所述的虚拟棋盘包括:输入输出接口,显示器,处理器,其中:显示器显示棋盘和用户所下的纠缠棋子。
所述的纠缠棋子对应所述的量子纠缠光源产生的纠缠光子对。
所述的时间序列系统用于接收棋盘信息,塌缩基矢计算和发送塌缩测量信息给测量系统。
所述的测量系统包括:测量控制模块,纠缠光子塌缩测量模块,计算机数据采集系统,其中:纠缠光子塌缩测量模块根据对时间序列控制系统发送来的测量基矢对纠缠光子进行塌缩测量;测量的结果由计算机数据采集系统进行分析并发聩给时间序列控制系统。
所述的纠缠光子塌缩测量模块包括:投影测量装置,光耦合器,光纤和单光子探测器,其中,投影测量装置由半波片,四分之一波片和极化分束器组成,分别进行HH,HV,VH,VV基矢下的投影测量。
所述的投影测量测试一秒内同一类型光子在选定的一个基矢下的符合数占HH,HV,VH,VV四个基矢下符合数之和比例,等价成单对纠缠光子在选定的基矢下塌缩的概率。
所述的计算机数据采集系统包括:现场可编程门阵列和数据处理计算机。
根据所述的量子围棋系统,如图3所示,在一个8*8虚拟棋盘上下了一局棋,模式为塌缩位置用户完全选择,纠缠光子为最大纠缠态模式,棋局的前19步棋谱如下:
所述的最大纠缠态为
其品质可以通过量子态层析得到的concurrence来度量,在实施例3中的纠缠光子源的concurrence为0.95。
为了叙述方便我们定义棋盘位置坐标:列从上到下标记为A到H,行从左到右标记为1到9。
如图3(a)所示,用户一在虚拟棋盘的C7与G7位置下了第一对黑色的纠缠棋子,接着用户二在虚拟棋盘的B3与F3位置下了第二对白色的纠缠棋子,接着用户一在虚拟棋盘的D3与E4位置下了第三对黑色的纠缠棋子,接着用户二在虚拟棋盘的D5与E6位置下了第四对白色的纠缠棋子,以上所下位置信息均有虚拟棋盘传到时间序列控制系统进行存储与运算,并返回可以继续下棋信息。
接着用户一在F5与G3位置下了第五对黑色的纠缠棋子,所述的第五对黑色的纠缠棋子处在第二对白色的纠缠棋子相邻的位置,触发第二对白色纠缠棋子与第五对黑色纠缠棋子的塌缩测量。
如图3(b)所示,根据游戏规则,下白色纠缠棋子的用户二先选择了将第二对白色的纠缠棋子塌缩到位置B3,然后,下就黑色纠缠棋子的用户二再选择将第五对黑色纠缠棋子塌缩到位置G3。
虚拟棋盘将两个用户选择的纠缠棋子塌缩的位置发送到时间序列控制系统,时间序列控制系统对所塌缩的位置判断为为合法,进而生成测量的塌缩基失,并发送到测量系统。
所述的塌缩基失对于第二对白色的纠缠棋子所对应的纠缠光子对为HV,对于第五对白色的纠缠棋子所对应的纠缠光子对为HV。
测量系统测得结果,如表1所示:
表1
第二对白色的纠缠棋子所对应的纠缠光子对在各个基失下塌缩的概率为表1第一行,第五对黑色的纠缠棋子所对应的纠缠光子对在各个基失下塌缩的概率为表1第二行;测量系统根据这个概率给出塌缩到选择一个塌缩的位置,并发送到虚拟棋盘进行显示。
如图3(c)-3(i)为接下去下的棋谱,其流程和上述流程一致。
表1为19步棋所涉及到的塌缩测量的结果。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整,本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限,在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。