CN113065660B - 量子态测量方法、装置、设备、存储介质及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了量子态测量方法、装置、设备、存储介质及系统，涉及量子计算领域。具体实现方案为：接收端从量子信道接收待处理量子态，待处理量子态是处于发送端的目标未知量子态经由量子信道传输后的量子态；量子信道是基于接收端和发送端所共享的量子系统而得到的，量子信道与量子系统的系统量子态相关；基于量子系统的系统量子态，将待处理量子态进行分解处理，得到分解结果，分解结果至少包括与目标未知量子态不存在关联关系的噪声信息，以及与目标未知量子态存在关联关系的目标信息；去除分解结果中的噪声信息，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对目标未知量子态的目标测量结果。如此，实现超距测量。

Description

量子态测量方法、装置、设备、存储介质及系统

技术领域

本公开涉及数据处理技术领域，尤其涉及量子计算领域。

背景技术

量子计算技术正在不断的发展。考虑到不同站点或实验室间的物理距离，分布式量子计算成为大规模量子计算的重要一环，然而受限于目前的技术，近期还无法实现可靠的远距离量子数据传输。因此，一个更加实用的分布式量子计算方案是本地量子操作和经典通讯(LOCC，local operations and classical communication)。其中，量子操作通常指作用于量子比特的量子门和量子测量，而本地量子操作表示各方只能对各自实验室或站点中的量子比特实施量子操作；经典通讯表示各方之间只能传输经典信息。

作为量子计算最核心的部分之一，量子测量可以以经典的信息记录下量子系统的某些特征，比如：哈密顿量、自旋、角动量等，量子测量是量子计算中最为关键的步骤之一，承载了提取经典信息的重任。但是，在LOCC的设定下，观测设备(也即测量设备)和希望被观测(也即被测量)的量子系统之间可能存在距离，即测量设备需要对非本地的量子系统进行测量，称之为超距测量，也可以认为目标是通过测量提取经典信息的量子隐形传态。因此，如何使用尽可能少的资源高效地完成超距测量是量子科技中的一个重要问题。

发明内容

本公开提供了一种量子态测量方法、装置、设备、存储介质及系统。

根据本公开的一方面，提供了一种量子态测量方法，包括：

接收端从量子信道接收待处理量子态，其中，所述待处理量子态是处于发送端的目标未知量子态经由所述量子信道传输后的量子态；所述量子信道是基于接收端和发送端所共享的量子系统而得到的，所述量子信道与所述量子系统的系统量子态相关；

基于所述量子系统的系统量子态，将所述待处理量子态进行分解处理，得到分解结果，其中，所述分解结果至少包括与所述目标未知量子态不存在关联关系的噪声信息，以及与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息；

去除所述分解结果中的所述噪声信息，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果。

根据本公开的另一方面，提供了一种量子态测量装置，应用于接收端，包括：

接收单元，用于接收端从量子信道接收待处理量子态，其中，所述待处理量子态是处于发送端的目标未知量子态经由所述量子信道传输后的量子态；所述量子信道是基于接收端和发送端所共享的量子系统而得到的，所述量子信道与所述量子系统的系统量子态相关；

分解单元，用于基于所述量子系统的系统量子态，将所述待处理量子态进行分解处理，得到分解结果，其中，所述分解结果至少包括与所述目标未知量子态不存在关联关系的噪声信息，以及与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息；

去噪单元，用于去除所述分解结果中的所述噪声信息，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果。

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

与该至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

该存储器存储有可被该至少一个处理器执行的指令，该指令被该至少一个处理器执行，以使该至少一个处理器能够执行本公开任一实施例中的方法。

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任一实施例中的方法。

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，该计算机程序被处理器执行时实现本公开任一实施例中的方法。

根据本公开的另一方面，提供了一种量子态测量系统，包括发送端和接收端；其中，

所述发送端，用于通过量子信道发送待处理量子态，其中，所述待处理量子态是处于发送端的目标未知量子态经由所述量子信道传输后的量子态；所述量子信道是基于接收端和发送端所共享的量子系统而得到的，所述量子信道与所述量子系统的系统量子态相关；

所述接收端，用于从量子信道接收待处理量子态；基于所述量子系统的系统量子态，将所述待处理量子态进行分解处理，得到分解结果，其中，所述分解结果至少包括与所述目标未知量子态不存在关联关系的噪声信息，以及与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息；去除所述分解结果中的所述噪声信息，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果。

根据本公开的技术能够使用尽可能少的资源高效地实现超距测量。

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

附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：

图1是根据本公开实施例量子态测量方法的实现流程示意图；

图2是根据本公开实施例量子态测量系统的结构示意图；

图3是根据本公开实施例量子态测量方法在一具体示例中的流程示意图；

图4是根据本公开实施例量子态测量装置的结构流程示意图；

图5是用来实现本公开实施例的量子态测量方法的电子设备的框图。

具体实施方式

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和精神。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。

量子计算的计算过程通常均以量子测量结尾，否则无法得到该次计算的经典信息，也即计算结果，因此，如何以较少的代价来实现跨站点或实验室的测量对于分布式量子计算是非常关键的。量子测量可以看作是一个给定的可观测量(Observable)，记为O，和待测量的未知量子态ρ作用，并获得期望值Tr[Oρ](也即测量结果)的过程。这里，Tr表示取矩阵的迹(trace)。

举例来说，Alice、Bob两方共享由两个量子比特组成的量子系统，具体地，Alice和Bob在各自实验室中持有该量子系统中的一个量子比特，Alice持有的量子比特记为量子比特A，Bob持有的量子比特记为量子比特B，量子比特A和量子比特B组成该量子系统。当然，实际应用中，Alice、Bob两方还可以共享由多个量子比特组成的量子系统，此时，Alice持有的量子比特可以记为量子比特A₁、A₂，…,A_n，Bob持有的量子比特可以记为量子比特B₁,B₂,…,B_m，其中n，m均为大于等于2的整数，本申请方案对此不作限制。为简单起见，以Alice、Bob共享的量子系统包括两个量子比特为例进行说明；具体地，该量子系统的量子态，也可称为系统量子态记为ρ_AB，且ρ_AB是一个可分态(Separable state)，也可称为非纠缠量子态。这里，可分态指一个量子系统可以写成子系统的张量积的凸组合形式，比如，

这里，所述i与系统量子态的具体表达形式相关。Alice的实验室还有一个希望被观测的单比特量子系统(即包含有一个量子比特的量子系统，本示例称为待测量量子系统)，该单比特量子系统中的量子比特记为量子比特C，该量子比特C处于未知的量子态ρ_C。Bob的实验室有一个未知的可观测量(Observable)，记为O，该可观测量O用于对Alice的实验室中的待测量量子系统，也即量子比特C的状态信息进行测量。

这里，需要说明的是，Alice的实验室持有的希望被观测的量子系统，也即待测量量子系统中还可以包含有多个量子比特，本申请方案对此不作限制。为简单起见，本示例仅以该待测量量子系统包含有一个量子比特C为例进行说明，实际应用中，当待测量量子系统中包含有多个量子比特时，可以基于本申请方案逐个对该待测量量子系统中的各未知状态的量子态进行量子测量即可。

基于此，本申请方案的目标任务即为：通过LOCC的方式使得Bob完成对未知量子态ρ_C的量子测量，并获得期望值Tr[Oρ_C]。这里，注意到难点是Bob的实验室只有可观测量O，没有量子比特C，实际应用中，根据计算的需求，Bob还可以得到针对

的测量结果，即测量得到

所述

指Bob可以在本地实施的量子操作。

为实现上述目标任务，本申请方案提供了一种可以在近期量子设备上有效运行的超距测量方案。具体的，该方案可以满足多方共同实验，而且，能够以更高效和低成本的方式实现了量子测量。

具体地，图1是根据本公开实施例量子态测量方法的实现流程示意图，应用于接收端，这里，所述接收端可以具体为具有量子硬件结构的量子设备，或者兼具量子硬件结构和经典数据处理能力的设备，或者，兼具量子硬件结构、经典数据处理能力以及经典通信能力的设备；本申请方案对此不作限制。进一步地，如图1所示，该方法包括：

步骤S101：接收端从量子信道接收待处理量子态，其中，所述待处理量子态是处于发送端的目标未知量子态经由所述量子信道传输后的量子态(也即含噪声的量子态)；所述量子信道是基于接收端和发送端所共享的量子系统而得到的，所述量子信道与所述量子系统的系统量子态相关。

这里，所述待处理量子态与所述量子信道相关，所述量子信道与所述量子系统的系统量子态相关，基于此，所述待处理量子态与所述量子系统的系统量子态也相关。实际应用中，所述待处理量子态可以看作为是目标未知量子态经由所述量子信道作用后的含有噪声的量子态。

步骤S102：基于所述量子系统的系统量子态，将所述待处理量子态进行分解处理，得到分解结果，其中，所述分解结果至少包括与所述目标未知量子态不存在关联关系的噪声信息，以及与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息。

步骤S103：去除所述分解结果中的所述噪声信息，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果。

举例来说，基于量子系统的系统量子态，得到量子信道的表达形式为

相应地，所述待处理量子态为

所述ρ_C为处于发送端的未知量子态，也即目标未知量子态。此时，可以将

变换成(也即分解成)如下形式，即分解结果如下：

其中，p₁ρ_C为与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，p₂σ为与所述目标未知量子态不存在关联关系的噪声信息，这里，p₁,P₂是与量子信道相关的常数，σ为与ρ_C无关的态。如此，基于上述分解结果即可得到针对该目标未知量子态的测量结果。

这样，本申请方案能够基于任意系统量子态，比如可分态或纠缠态，来实现量子测量场景下的量子隐形传态，如此，在接收端完成对处于发送端的未知量子态(也即目标未知量子态)的超距测量。而且，在整个过程中巧妙地避免了对纠缠资源的依赖，最大化降低了使用资源。

在一具体示例中，所述接收端位于Bob的实验室，也即接收端实现本申请方案所述Bob的相应操作，所述发送端位于Alice的实验室，也即发送端实现本申请方案所述Alice的相应操作，如此，使得Bob基于接收端实现量子本地操作，同理，Alice基于发送端实现量子本地操作。

这里，值得注意的是，实际应用中，可能还会涉及到经典数据处理或者经典通信等，此时，Bob还可以基于接收端实现经典数据处理或者经典通信，同理，Alice也可以基于发送端实现经典数据处理或者经典通信，本申请方案对此不作限制。

在本申请方案的一具体示例中，以上所述的去除所述分解结果中的所述噪声信息，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果，具体包括：构造与所述噪声信息相匹配的噪声态，并对构造出的所述噪声态进行量子测量，得到第一测量结果；对所述待处理量子态进行量子测量，得到第二测量结果；从所述第二测量结果中去除所述第一测量结果，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果。举例来说，以分解结果

为例，其中所述σ可以理解为噪声态，此时，第一测量结果即为针对σ的测量结果，第二测量结果即为针对

的测量结果，如此，即可实现实验室级的超距测量。

在本申请方案的一具体示例中，可以采用如下方式来实现对目标未知量子态的量子测量，具体地，确定所需测量的量子参数类型；比如角动量、自旋等，此时，以上所述的对构造出的所述噪声态进行量子测量，得到第一测量结果，以及对所述待处理量子态进行量子测量，得到第二测量结果，具体包括：基于与所述量子参数类型相匹配的量子测量设备，对构造出的所述噪声态进行量子测量，得到第一测量结果，以及对所述待处理量子态进行量子测量，得到第二测量结果。举例来说，以分解结果

为例，其中所述σ可以理解为噪声态，此时，第一测量结果即为针对σ的测量结果，第二测量结果即为针对

的测量结果。此时，得到的目标测量结果即为与所需测量的量子参数类型相匹配的测量结果。如此，基于实际物理测量需求来实现超距测量，且整个过程中能够巧妙地避免对纠缠资源的依赖，最大化降低了使用资源。

在本申请方案的一具体示例中，以上基于与所述量子参数类型相匹配的量子测量设备，对构造出的所述噪声态进行量子测量，得到第一测量结果，以及对所述待处理量子态进行量子测量，得到第二测量结果，具体包括：确定与所述量子参数类型相匹配的可观测量；将与所述量子参数类型相匹配的所述可观测量作用到所述噪声态上，得到第一测量结果；以及将与所述量子参数类型相匹配的所述可观测量作用到所述待处理量子态上，得到第二测量结果。举例来说，以分解结果

为例，其中所述σ可以理解为噪声态，此时，第一测量结果即为针对σ的测量结果，比如，为Tr[Oσ]；实际应用中，接收端，比如Bob需要构造噪声态σ，以得到Tr[Oσ]；第二测量结果即为针对

测量结果，比如为

其中，O为处于接收端的可观测量。此时，得到的目标测量结果即为与所需测量的量子参数类型相匹配的测量结果。如此，提供了实验室级的超距测量方案，且整个过程中能够巧妙地避免对纠缠资源的依赖，最大化降低了使用资源。

这里，所述可观测量(observable)为物理系统可以被测量得到的物理量。在量子力学中，可观测量体现为一个算符，其作用在物理态(量子态)上，将概率性的得到一个数值以及不可逆地的到一个新量子态，如此，来实现对未知量子态的量子测量。

这里，需要说明的是，在一示例中，还可以无需获知量子参数类型，此时，可以使用未知的可观测量来实现超距测量，本申请方案对此不作限制。

在本申请方案的一具体示例中，以上所述的从所述第二测量结果中去除所述第一测量结果，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果，具体包括：基于所述分解结果，得到针对所述噪声态的第一测量结果、针对所述待处理量子态的第二测量结果、以及与针对所述目标未知量子态的目标测量结果三者之间的关联关系；基于三者之间的关联关系，从所述第二测量结果中去除所述第一测量结果，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果。如此，提供了实验室级的超距测量方案，且整个过程中能够巧妙地避免对纠缠资源的依赖，最大化降低了使用资源。

举例来说，以分解结果

为例，其中，所述σ可以理解为噪声态，此时，第一测量结果即为针对σ的测量结果，第二测量结果即为针对

的测量结果，

表征第一测量结果，第二测量结果以及目标测量结果三者之间的关系，此时，基于迹的线性性质，即

即可得到目标测量结果：

在本申请方案的一具体示例中，所述系统量子态为纠缠态，或可分态。换言之，本申请方案无论对于纠缠态，还是非纠缠态而言，均能够实现超距测量。因此，本申请方案能够在不消耗纠缠资源的情况下完成超距测量的任务，为推动近期量子技术的应用及发展提供了有力支撑。

在本申请方案的一具体示例中，所述量子系统包含有至少两个量子比特，所述量子系统中的至少一个量子比特处于所述接收端；所述接收端能够对本地的量子比特进行本地量子操作，以实现所述量子信道。如此，为实现超距测量奠定了基础。

在本申请方案的一具体示例中，所述量子系统中的至少一个量子比特位于所述发送端，所述发送端能够对本地的量子比特进行本地量子操作，以实现所述量子信道。如此，为实现超距测量奠定了基础。

也就是说，在一示例中，所述量子系统中的至少一个量子比特位于发送端，至少一个其他的量子比特位于所述接收端，以使所述接收端与所述发送端共享所述量子系统。进一步地，接收端以及发送端对本地的量子比特进行本地量子操作后，即可得到量子信道。

当然，实际应用中，除接收端和发送端共享所述量子系统外，还可以有其他第三方来共享所述量子系统，即量子系统中的其他量子比特还会位于其他第三方，如此，实现多方共享所述量子系统，本申请方案对此不作限制，只是得到的量子信道的形式会基于量子系统的改变而相应变化。

这样，本申请方案基于可分态或纠缠态，来实现量子测量场景下的量子隐形传态，以最终完成对未知量子态的超距测量。而且，在整个过程中巧妙地避免了对纠缠资源的依赖。

相比于现有方案，本申请方案能够在近期量子设备上更加具有实用性，而且，由于不需要获取未知量子态(也即Alice持有的待测量的未知量子态ρ_C)的所有信息，所以代价也更小。特别地，由于本申请方案能够基于共享的一对非纠缠量子对完成超距测量，所以成本更小，更为高效。

本申请方案还提供了一种量子态测量系统，如图2所示，包括接收端和发送端；其中，

所述发送端201，用于通过量子信道发送待处理量子态，其中，所述待处理量子态是处于发送端的目标未知量子态经由所述量子信道传输后的量子态；所述量子信道是基于接收端和发送端所共享的量子系统而得到的，所述量子信道与所述量子系统的系统量子态相关；

所述接收端202，用于从量子信道接收待处理量子态；基于所述量子系统的系统量子态，将所述待处理量子态进行分解处理，得到分解结果，其中，所述分解结果至少包括与所述目标未知量子态不存在关联关系的噪声信息，以及与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息；去除所述分解结果中的所述噪声信息，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果。

在一具体示例中，所述接收端位于Bob的实验室，所述发送端位于Alice的实验室，如此，使得Bob基于接收端实现量子本地操作，同理，Alice基于发送端实现量子本地操作。

这里，值得注意的是，实际应用中，可能还会涉及到经典数据处理或者经典通信等，此时，Bob还可以基于接收端实现经典数据处理或者经典通信，同理，Alice也可以基于发送端实现经典数据处理或者经典通信，本申请方案对此不作限制。也就是说，所述接收端可以具体为具有量子硬件结构的量子设备，或者兼具量子硬件结构和经典数据处理能力(比如基于存储器、处理器等实现)的设备，或者，兼具量子硬件结构、经典数据处理能力(比如基于存储器、处理器等实现)以及经典通信能力(比如基于接收器、发射器等实现)的设备；同理，所述发送端可以具体为具有量子硬件结构的量子设备，或者兼具量子硬件结构和经典数据处理能力(比如基于存储器、处理器等实现)的设备，或者，兼具量子硬件结构、经典数据处理能力(比如基于存储器、处理器等实现)以及经典通信能力(比如基于接收器、发射器等实现)的设备；本申请方案对此不作限制。

这样，本申请方案基于可分态或纠缠态，来实现量子测量场景下的量子隐形传态，以最终完成对未知量子态的超距测量。而且，在整个过程中巧妙地避免了对纠缠资源的依赖。

相比于现有方案，本申请方案能够在近期量子设备上更加具有实用性，而且，由于不需要获取未知量子态(也即Alice持有的待测量的未知量子态ρ_C)的所有信息，所以代价也更小。特别地，由于本申请方案能够基于共享的一对非纠缠量子对完成超距测量，所以成本更小，更为高效。

以下结合具体示例对本申请方案做进一步详细说明，具体地，本示例以Alice、Bob两方共享包含有两个量子比特的量子系统为例，当Alice与Bob共享的系统量子态ρ_AB为最大纠缠态，此时，基于量子隐形传态技术可以将Alice实验室持有的无噪声的未知量子态ρ_C通过量子信道传送给Bob。而当Alice与Bob间共享的系统量子态ρ_AB为非最大纠缠态，或者不是纠缠态，而是可分态时，Alice便无法直接将未知量子态ρ_C传送给Bob，取而代之的则是会将带有一定噪声的量子态

传送给Bob，这里，所述

表示一个量子信道，所述量子信道是物理上可实现的最基本的量子操作，

的具体形式取决于Alice、Bob两方共享的系统量子态ρ_AB；实际应用中，

的具体形式还取决于两方的本地量子操作和经典通讯。需要说明的是，当Alice、Bob两方共享包含有多个量子比特组成的量子系统，此时，

的具体形式依然取决于系统量子态，且该系统量子态是由多个量子比特共同形成的量子态。

本示例基于可分量子态(也即非纠缠态)的方法，通过基于共享的系统量子态和LOCC方案构造的量子信道，使得Alice通过构造的量子信道传输带有噪声的未知量子态ρ_C，也即待处理量子态

给Bob，Bob得到该待处理量子态

后，通过减去噪声项的方式计算出期望值Tr[Oρ_C]。该期望值Tr[Oρ_C]即为Bob对未知量子态ρ_C的测量结果。

具体来说，假设Alice和Bob间初始时共享一个系统量子态ρ_AB，该系统量子态ρ_AB为可分量子态，基于量子隐形传态协议，Alice和Bob对所共享的量子系统中各自所持有的量子比特进行本地量子操作，即Alice对量子比特A进行本地量子操作，Bob对量子比特B进行本地量子操作，以得到量子信道，使得Alice将持有的未知量子态ρ_C经由构造出的量子信道作用后得到的待处理量子态

传送给Bob，而待处理量子态

可以看作是Alice对量子比特A进行本地量子操作，Bob对量子比特B进行本地量子操作，使得Bob端得到含有噪声信息的未知量子态ρ_C。

在一些情况下，

变换成如下形式：

其中p₁,P₂是与量子信道相关的常数，σ代表噪声态。Bob可在本地得到期望值

进一步地，Bob需要在本地制备出一个噪声态σ并进行测量，以获得Tr[Oσ]的值。最后，根据迹的线性性质，得到

基于此，Bob即可直接计算出：

如此，Bob实现对处于Alice的实验室的未知量子态ρ_C的量子测量，并得到测量结果Tr[Oρ_C]。

简而言之，本示例基于量子隐形传态技术，并借助共享的系统量子态，该共享的系统量子态可以是可分态(也即可分量子态，或非纠缠态)，也可以是纠缠态，实现的量子信道F，然后，对带有噪声的

进行分解，以得到噪声项，进而减去噪声项得到目标值，即Tr[Oρ_C]。需要注意的是，本申请方案系统量子态ρ_AB的类型或具体形式不作限制，只是不同类型或具体形式所得到的量子信道

会发生变化，本申请方案对此不作限制。

以下给出一种

作为示例来展示本申请方案的流程，如图3所示，具体方案如下：

步骤1：Alice和Bob两方共享包含两个量子比特的量子系统，其中，Alice和Bob各自实验室中持有一个量子比特，Alice持有的量子比特记为量子比特A，Bob持有的量子比特记为量子比特B，系统量子态记为ρ_AB；此外，Alice还拥有一个未知量子态ρ_C，这是需要传输的一个未知量子态，Bob对该未知量子态ρ_C进行量子测量。该系统量子态ρ_AB为可分量子态，具体形式如下：

步骤2：Alice和Bob利用系统量子态ρ_AB，以及基于量子隐形传态协议技术实现量子信道

使Bob基于该量子信道

得到待处理量子态

这里，Bob得到的待处理量子态

可以变换成如下表达形式：

其中I表示单位矩阵。

步骤3：Bob将可观测量O作用在接收到的待处理量子态

上，获得

并记为s。

步骤4：Bob基于步骤2变换得到的表达式制备出噪声态

并将可观测量O作用到该噪声态

得到

并记为t；这里，基于迹的线性性质可知：

基于此，Bob可以得到Tr[Oρ_C]＝3s-2t，该Tr[Oρ_C]＝3s-2t即为测量结果。

需要注意的是，以上给出的系统量子态以及

分解后的变换形式仅为示例性的，实际应用中，还可以有其他的系统量子态，以及

的其他分解方式，本申请方案对此不作限制，只要能够基于

变换得到噪声项并实现噪声项的消除即可。实际应用中，等方性态能够作为本申请方案所述的系统量子态进而来完成超距测量得到Tr[Oρ_C]。对于其他的系统量子态而言，只要能够得到本申请方案所述的分解结果即可完成超距测量，本申请方案对具体的系统量子态的形式不作限制。

实际应用中，在上述具体方案中，Bob在本地只进行了量子测量。事实上，本申请方案同样适用于Bob在量子测量前需要做其他量子操作的情况。这是因为，假设Bob需要得到

那么根据量子操作的线性性质，基于如下公式即可实现对

进行测量的目的，这里，所述

指Bob可以在本地实施的量子操作；具体公式如下：

另外，需要说明的是，本申请方案中，Alice和Bob双方共享的系统量子态ρ_AB不唯一。事实上，本申请方案系统量子态ρ_AB的类型或具体形式不作限制，只是不同类型或具体形式所得到的量子信道

会发生变化，此时，Bob只需根据接收到的

来完成变换得到噪声项即可。

此外，Alice和Bob间所共享的系统量子态可以为可分态，也可以为纠缠态，而且，在系统量子态为纠缠态时，本申请方案并非限制于最大纠缠态，换言之，任意纠缠态均可。

同时，本申请方案可以简单地拓展到多量子位的情形，比如，对于一个N量子位的量子态而言，即未知量子态为N个的情况下，本申请方案能够对每个未知量子位来实现超距测量，最后，再配合经典的后处理来取得N个未知量子态的测量结果。

这样，相比于现有方案而言，本申请方案具有如下优点：

第一，避免了对纠缠资源的依赖，实现了量子态的超距测量。即系统量子态并非限制于最大纠缠态，对于非最大纠缠态，或者非纠缠态而言，本申请方案依然能够完成超距测量，应用场景更丰富。

第二，本申请方案在实现超距测量的基础上，使用了更少的资源，以及更便捷的操作；同时，有较好的实用性，而且，可拓展性，能够适用于多量子位情形。

本申请方案还提供了一种量子态测量装置，应用于接收端，如图4所示，包括：

接收单元401，用于接收端从量子信道接收待处理量子态，其中，所述待处理量子态是处于发送端的目标未知量子态经由所述量子信道传输后的量子态；所述量子信道是基于接收端和发送端所共享的量子系统而得到的，所述量子信道与所述量子系统的系统量子态相关；

分解单元402，用于基于所述量子系统的系统量子态，将所述待处理量子态进行分解处理，得到分解结果，其中，所述分解结果至少包括与所述目标未知量子态不存在关联关系的噪声信息，以及与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息；

去噪单元403，用于去除所述分解结果中的所述噪声信息，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果。

在本申请方案的一具体示例中，所述去噪单元，还用于构造与所述噪声信息相匹配的噪声态，并对构造出的所述噪声态进行量子测量，得到第一测量结果；对所述待处理量子态进行量子测量，得到第二测量结果；从所述第二测量结果中去除所述第一测量结果，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果。

在本申请方案的一具体示例中，还包括：类型确定单元；其中，

所述类型确定单元，用于确定所需测量的量子参数类型；

所述去噪单元，还用于基于与所述量子参数类型相匹配的量子测量设备，对构造出的所述噪声态进行量子测量，得到第一测量结果，以及对所述待处理量子态进行量子测量，得到第二测量结果。

在本申请方案的一具体示例中，所述去噪单元，还用于确定与所述量子参数类型相匹配的可观测量；将与所述量子参数类型相匹配的所述可观测量作用到所述噪声态上，得到第一测量结果；以及将与所述量子参数类型相匹配的所述可观测量作用到所述待处理量子态上，得到第二测量结果。

在本申请方案的一具体示例中，所述去噪单元，还用于基于所述分解结果，得到针对所述噪声态的第一测量结果、针对所述待处理量子态的第二测量结果、以及与针对所述目标未知量子态的目标测量结果三者之间的关联关系；基于三者之间的关联关系，从所述第二测量结果中去除所述第一测量结果，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果。

在本申请方案的一具体示例中，所述系统量子态为纠缠态，或可分态。

在本申请方案的一具体示例中，所述量子系统包含有至少两个量子比特，所述量子系统中的至少一个量子比特处于所述接收端；所述接收端能够对本地的量子比特进行本地量子操作，以实现所述量子信道。

在本申请方案的一具体示例中，所述量子系统中的至少一个量子比特位于所述发送端，所述发送端能够对本地的量子比特进行本地量子操作，以实现所述量子信道。

本发明实施例量子态测量装置中各单元的功能可以参见上述方法中的对应描述，在此不再赘述。

这里，需要说明的是，本申请方案所述的量子态测量装置可以具体为具有量子硬件结构的量子设备，或者兼具量子硬件结构和经典数据处理能力(比如基于存储器、处理器等实现)的设备，或者，兼具量子硬件结构、经典数据处理能力(比如基于存储器、处理器等实现)以及经典通信能力(比如基于接收器、发射器等实现)的设备；本申请方案对此不作限制。

根据本公开的实施例，本公开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。这里，所述电子设备可以具体为经典设备；或者，为兼具经典数据处理和经典通信、以及量子硬件结构的设备。

图5示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备500的示意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，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/或要求的本公开的实现。

如图5所示，电子设备500包括计算单元501，其可以根据存储在只读存储器(ROM)502中的计算机程序或者从存储单元508加载到随机访问存储器(RAM)503中的计算机程序来执行各种适当的动作和处理。在RAM 503中，还可存储电子设备500操作所需的各种程序和数据。计算单元501、ROM 502以及RAM 503通过总线504彼此相连。输入输出(I/O)接口505也连接至总线504。

电子设备500中的多个部件连接至I/O接口505，包括：输入单元506，例如键盘、鼠标等；输出单元507，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元508，例如磁盘、光盘等；以及通信单元509，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元509允许电子设备500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。

计算单元501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501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501执行上文所描述的各个方法和处理，例如量子态测量方法。例如，在一些实施例中，量子态测量方法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508。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 502和/或通信单元509而被载入和/或安装到电子设备500上。当计算机程序加载到RAM 503并由计算单元501执行时，可以执行上文描述的量子态测量方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元501可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行量子态测量方法。

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)、负载可编程逻辑设备(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。

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。

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。

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。

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)和互联网。

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。

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执行也可以不同的次序执行，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。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (17)

1.一种量子态测量方法，包括：

接收端从量子信道接收待处理量子态，其中，所述待处理量子态是处于发送端的目标未知量子态经由所述量子信道传输后的量子态；所述量子信道是基于接收端和发送端所共享的量子系统而得到的，所述量子信道与所述量子系统的系统量子态相关，其中，所述系统量子态为纠缠态或可分态；

基于所述量子系统的系统量子态，将所述待处理量子态进行分解处理，得到分解结果，其中，所述分解结果至少包括与所述目标未知量子态不存在关联关系的噪声信息，以及与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息；

基于所述待处理量子态和所述噪声信息的量子测量结果，去除所述分解结果中的所述噪声信息，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果，其中，所述量子测量结果是利用与所需测量的量子参数类型相匹配的量子测量设备而得到的。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于所述待处理量子态和所述噪声信息的量子测量结果，去除所述分解结果中的所述噪声信息，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果，其中，所述量子测量结果是利用与所需测量的量子参数类型相匹配的量子测量设备而得到的，包括：

构造与所述噪声信息相匹配的噪声态，基于与所需测量的量子参数类型相匹配的量子测量设备对构造出的所述噪声态进行量子测量，得到第一测量结果；

基于所述量子测量设备对所述待处理量子态进行量子测量，得到第二测量结果；

从所述第二测量结果中去除所述第一测量结果，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

确定所需测量的量子参数类型；

其中，所述构造与所述噪声信息相匹配的噪声态，基于与所需测量的量子参数类型相匹配的量子测量设备对构造出的所述噪声态进行量子测量，得到第一测量结果；基于所述量子测量设备对所述待处理量子态进行量子测量，得到第二测量结果，包括：

基于与所述量子参数类型相匹配的量子测量设备，对构造出的所述噪声态进行量子测量，得到第一测量结果，以及对所述待处理量子态进行量子测量，得到第二测量结果。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述基于与所述量子参数类型相匹配的量子测量设备，对构造出的所述噪声态进行量子测量，得到第一测量结果，以及对所述待处理量子态进行量子测量，得到第二测量结果，包括：

确定与所述量子参数类型相匹配的可观测量；

将与所述量子参数类型相匹配的所述可观测量作用到所述噪声态上，得到第一测量结果；以及将与所述量子参数类型相匹配的所述可观测量作用到所述待处理量子态上，得到第二测量结果。

5.根据权利要求2或3或4所述的方法，其中，所述从所述第二测量结果中去除所述第一测量结果，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果，包括：

基于所述分解结果，得到针对所述噪声态的第一测量结果、针对所述待处理量子态的第二测量结果、以及与针对所述目标未知量子态的目标测量结果三者之间的关联关系；

基于三者之间的关联关系，从所述第二测量结果中去除所述第一测量结果，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述量子系统包含有至少两个量子比特，所述量子系统中的至少一个量子比特处于所述接收端；所述接收端能够对本地的量子比特进行本地量子操作，以实现所述量子信道。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述量子系统中的至少一个量子比特位于所述发送端，所述发送端能够对本地的量子比特进行本地量子操作，以实现所述量子信道。

8.一种量子态测量装置，应用于接收端，包括：

接收单元，用于接收端从量子信道接收待处理量子态，其中，所述待处理量子态是处于发送端的目标未知量子态经由所述量子信道传输后的量子态；所述量子信道是基于接收端和发送端所共享的量子系统而得到的，所述量子信道与所述量子系统的系统量子态相关，其中，所述系统量子态为纠缠态或可分态；

分解单元，用于基于所述量子系统的系统量子态，将所述待处理量子态进行分解处理，得到分解结果，其中，所述分解结果至少包括与所述目标未知量子态不存在关联关系的噪声信息，以及与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息；

去噪单元，用于基于所述待处理量子态和所述噪声信息的量子测量结果，去除所述分解结果中的所述噪声信息，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果，其中，所述量子测量结果是利用与所需测量的量子参数类型相匹配的量子测量设备而得到的。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述去噪单元，还用于构造与所述噪声信息相匹配的噪声态，基于与所需测量的量子参数类型相匹配的量子测量设备对构造出的所述噪声态进行量子测量，得到第一测量结果；基于所述量子测量设备对所述待处理量子态进行量子测量，得到第二测量结果；从所述第二测量结果中去除所述第一测量结果，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果。

10.根据权利要求9所述的装置，还包括：类型确定单元；其中，

所述类型确定单元，用于确定所需测量的量子参数类型；

所述去噪单元，还用于基于与所述量子参数类型相匹配的量子测量设备，对构造出的所述噪声态进行量子测量，得到第一测量结果，以及对所述待处理量子态进行量子测量，得到第二测量结果。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述去噪单元，还用于确定与所述量子参数类型相匹配的可观测量；将与所述量子参数类型相匹配的所述可观测量作用到所述噪声态上，得到第一测量结果；以及将与所述量子参数类型相匹配的所述可观测量作用到所述待处理量子态上，得到第二测量结果。

12.根据权利要求9或10或11所述的装置，其中，所述去噪单元，还用于基于所述分解结果，得到针对所述噪声态的第一测量结果、针对所述待处理量子态的第二测量结果、以及与针对所述目标未知量子态的目标测量结果三者之间的关联关系；基于三者之间的关联关系，从所述第二测量结果中去除所述第一测量结果，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果。

13.根据权利要求8所述的装置，其中，所述量子系统包含有至少两个量子比特，所述量子系统中的至少一个量子比特处于所述接收端；所述接收端能够对本地的量子比特进行本地量子操作，以实现所述量子信道。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述量子系统中的至少一个量子比特位于所述发送端，所述发送端能够对本地的量子比特进行本地量子操作，以实现所述量子信道。

15.一种电子设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-7中任一项所述的方法。

16.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1-7中任一项所述的方法。

17.一种量子态测量系统，包括发送端和接收端；其中，

所述发送端，用于通过量子信道发送目标未知量子态；所述量子信道是基于接收端和发送端所共享的量子系统而得到的，所述量子信道与所述量子系统的系统量子态相关，其中，所述系统量子态为纠缠态或可分态；

所述接收端，用于从量子信道接收待处理量子态，其中，所述待处理量子态是处于发送端的目标未知量子态经由所述量子信道传输后的量子态；基于所述量子系统的系统量子态，将所述待处理量子态进行分解处理，得到分解结果，其中，所述分解结果至少包括与所述目标未知量子态不存在关联关系的噪声信息，以及与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息；基于所述待处理量子态和所述噪声信息的量子测量结果，去除所述分解结果中的所述噪声信息，提取出与所述目标未知量子态存在关联关系的目标信息，以得到针对所述目标未知量子态的目标测量结果，其中，所述量子测量结果是利用与所需测量的量子参数类型相匹配的量子测量设备而得到的。

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