CN113222152B - 一种量子态信息的获取方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种量子态信息的获取方法及装置，方法包括：获得第一量子比特的量子态信息，确定所述第一量子比特的量子态信息对应的地址信息；获得第一数据，从所述第一数据中获取所述地址信息对应的第二数据；获得第二量子比特，将所述第二数据转换为所述第二量子比特的量子态表示。利用本发明实施例，能够根据量子态表示的地址，获取该地址对应的以量子态表示的数据，从而模拟实现QRAM的功能。

Description

一种量子态信息的获取方法及装置
技术领域
本发明属于量子计算技术领域，特别是一种量子态信息的获取方法及装置。
背景技术
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机因其具有相对普通计算机更高效的处理数学问题的能力，例如，能将破解RSA密钥的时间从数百年加速到数小时，故成为一种正在研究中的关键技术。
量子计算模拟是一个借助数值计算和计算机科学来仿真遵循量子力学规律的模拟计算，作为一个仿真程序，它依据量子力学的量子比特的基本定律，利用计算机的高速计算能力，刻画量子态的时空演化。
QRAM是经典随机存取存储器(RAM)的量子模拟，是一种可以有效地存储和获取量子信息的结构。QRAM允许用户在地址处于叠加状态即地址以量子比特的叠加态表示时，有效地获取QRAM中的数据。目前，可以使用一组光学设备实现QRAM，也可以通过量子线路的分解来实现。但是，现有的QRAM模型非常复杂，真正实现会非常困难，进而对于复杂量子算法的分析及研究带来一定程度上的困难。并且，现有技术中也没有模拟实现QRAM功能的方案，这是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种量子态信息的获取方法及装置，以解决现有技术中的不足，它能够根据量子态表示的地址，获取该地址对应的以量子态表示的数据，从而模拟实现QRAM的功能。
本发明采用的技术方案如下：
一种量子态信息的获取方法，包括：
获得第一量子比特的量子态信息，确定所述第一量子比特的量子态信息对应的地址信息；
获得第一数据，从所述第一数据中获取所述地址信息对应的第二数据；
获得第二量子比特，将所述第二数据转换为所述第二量子比特的量子态表示。
可选的，所述地址信息被编码在所述第一量子比特的量子态信息中；
所述确定所述第一量子比特的量子态信息对应的地址信息，包括：
以所述编码对应的解码方式，计算所述第一量子比特的量子态信息对应的地址信息。
可选的，所述从所述第一数据中获取所述地址信息对应的第二数据，包括：
根据地址与数据的映射关系，从所述第一数据中查找该地址映射的第二数据。
可选的，所述获得第二量子比特，将所述第二数据转换为所述第二量子比特的量子态表示，包括：
获得第二量子比特；
将所述第二数据，编码到所述第二量子比特的量子态上，得到包含第二数据的信息的量子态表示。
可选的，所述第一数据和第二数据均为经典数据结构。
可选的，所述第二数据为十进制数据；
所述将所述第二数据，编码到所述第二量子比特的初始量子态上，包括：
将所述第二数据转换为位数与所述第二量子比特的个数一致的二进制数据；
输出与所述二进制数据的每一位相同的以二进制表示的量子态。
一种量子态信息的获取装置，包括：
确定模块，用于获得第一量子比特的量子态信息，确定所述第一量子比特的量子态信息对应的地址信息；
获取模块，用于获得第一数据，从所述第一数据中获取所述地址信息对应的第二数据；
转换模块，用于获得第二量子比特，将所述第二数据转换为所述第二量子比特的量子态表示。
可选的，所述地址信息被编码在所述第一量子比特的量子态信息中；
所述确定模块，具体用于：
以所述编码对应的解码方式，计算所述第一量子比特的量子态信息对应的地址信息。
可选的，所述获取模块，具体用于：
根据地址与数据的映射关系，从所述第一数据中查找该地址映射的第二数据。
可选的，所述转换模块，包括：
获得单元，用于获得第二量子比特；
编码单元，用于将所述第二数据，编码到所述第二量子比特的量子态上，得到包含第二数据的信息的量子态表示。
可选的，所述第一数据和第二数据均为经典数据结构。
可选的，所述第二数据为十进制数据；
所述编码单元，具体用于：
将所述第二数据转换为位数与所述第二量子比特的个数一致的二进制数据；
输出与所述二进制数据的每一位相同的以二进制表示的量子态。
一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项中所述的方法。
一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一项中所述的方法。
与现有技术相比，本发明提供了一种量子态信息的获取方法，首先获得第一量子比特的量子态信息，确定所述第一量子比特的量子态信息对应的地址信息，然后获得第一数据，从所述第一数据中获取所述地址信息对应的第二数据，最后获得第二量子比特，将所述第二数据转换为所述第二量子比特的量子态表示，从而模拟实现QRAM的功能，即：根据量子态表示的地址，获取该地址对应的以量子态表示的数据，从而加快复杂量子算法的分析验证。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种量子态信息的获取方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种量子态信息的获取装置的结构示意图。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明实施例提供了一种量子态信息的获取方法，应用于电子设备如终端，优选应用于计算机，如普通电脑即可。下面对其进行详细说明。
需要说明的是，真正的量子计算机是混合结构的，它包含两大部分：一部分是经典计算机，负责执行经典计算与控制；另一部分是量子设备，负责执行量子计算。实际上，真正的量子程序是由量子语言如QRunes语言编写的一串能够在量子计算机(前述量子设备)上运行的指令序列，实现了对量子逻辑门操作的支持，并最终实现对量子计算的模拟。具体的说，量子程序就是一系列按照一定时序操作量子逻辑门的指令序列。
在实际应用中，为了对量子计算进行模拟以验证量子应用等等，可以通过运行在普通计算机的量子虚拟机进行实现。量子虚拟机中的量子程序，即是在量子虚拟机上运行的由经典语言编写的表征量子比特及其演化的程序，其中与量子计算相关的量子比特、量子逻辑门等等均有相应的经典代码表示。
量子线路，也称量子逻辑电路，是最常用的通用量子计算模型，表示在抽象概念下对于量子比特进行操作的线路，其组成包括量子比特、线路(时间线)，以及各种量子逻辑门，最后常需要通过量子测量操作将结果读取出来。
不同于传统电路是用金属线所连接以传递电压信号或电流信号，在量子线路中，线路可看成是由时间所连接，亦即量子比特的状态随着时间自然演化，在这过程中按照哈密顿运算符的指示，一直到遇上逻辑门而被操作。
一个量子程序整体上对应有一条总的量子线路，该总量子线路中的量子比特总数与量子程序的量子比特总数相同。可以理解为：一个量子程序主要由量子线路、针对量子线路中量子比特的测量操作、保存测量结果的寄存器及控制流节点(跳转指令)组成，一条量子线路可以包含几十上百个甚至千上万个量子逻辑门操作。量子程序的执行过程，就是对所有的量子逻辑门按照一定时序执行的过程。需要说明的是，时序即个量子逻辑门被执行的时间顺序。
需要说明的是，经典计算中，最基本的单元是比特，而最基本的控制模式是逻辑门，可以通过逻辑门的组合来达到控制电路的目的。类似地，处理量子比特的方式就是量子逻辑门。使用量子逻辑门，能够使量子比特的量子态发生演化，量子逻辑门是构成量子线路的基础，就像传统逻辑门跟一般数位线路之间的关系。量子逻辑门包括单量子逻辑门、双量子逻辑门以及多量子逻辑门。量子逻辑门一般使用酉矩阵表示，而酉矩阵不仅是矩阵形式，也是一种操作和变换。一般量子逻辑门在量子态上的作用是通过酉矩阵左乘以量子态右矢对应的矩阵进行计算的。
参见图1，图1为本发明实施例提供的一种量子态信息的获取方法的流程示意图，可以包括如下步骤：
S101，获得第一量子比特的量子态信息，确定所述第一量子比特的量子态信息对应的地址信息；
具体的，可以获得用户输入的一组量子比特信息Bits，该组量子比特信息分为两部分：第一量子比特信息Bits[0]和第二量子比特信息Bits[1]，各量子比特携带有状态信息即量子态信息。其中，Bits[0]是用于编码地址的比特信息，Bits[1]是用于后续编码该地址对应的数据信息的比特信息。输入的量子比特信息，实际上是量子比特的量子态信息。
量子态，即量子比特的逻辑状态，在量子算法(或称量子程序)中用二进制表示，例如，一组量子比特为q0、q1、q2，表示第0位、第1位、第2位量子比特，从高位到低位排序为q2q1q0，该组量子比特对应的量子态共有2的量子比特总数次方个，是指8个本征态(确定的状态)：|000>、|001>、|010>、|011>、|100>、|101>、|110>、|111>，每个量子态的位与量子比特对应一致，如|000>态，000从高位到低位对应q2q1q0，|>为狄拉克符号。
以单个量子比特说明，单个量子比特的逻辑状态可能处于|0>态、|1>态、|0>态和|1>态的叠加态(不确定状态)，具体可以表示为/>其中，a和b为表示量子态振幅(概率幅)的复数,振幅的平方表示概率，|a|2、|b|2表示|0>态、|1>态的概率，|a|2+|b|2＝1。简言之，量子态是各本征态组成的叠加态，当其他态的概率为0时，即处于唯一确定的本征态。
在实际应用中，地址信息被编码在第一量子比特的量子态信息中。可以通过解析输入的一组量子比特信息中、编码了地址的比特信息Bits[0]，以对应的解码方式，计算Bits[0]携带的地址信息addr。
示例性的，获得一组量子比特信息其中，/>表示张量乘(张乘)，简写为|q5q4q3>|q2q1q0>，其中，|q5q4q3>是第一量子比特q5q4q3的量子态信息，假设/>|q5q4q3>表示地址信息，地址信息也处于不确定的叠加态，这是量子领域的特性。地址的编解码方式由用户根据需求自定义，假设不考虑振幅，只考虑组成该叠加态的本征态|010>、|110>，将其中的二进制表示010解码为十进制2，作为一个地址，110解码为十进制6，作为另一个地址。
S102，获得第一数据，从所述第一数据中获取所述地址信息对应的第二数据；
具体的，第一数据Data和第二数据Value均为经典数据结构，例如数组、向量等等。可以通过用户输入获得第一数据，第一数据由用户根据需求自定义，类比于RAM(RandomAccess Memory，随机存取存储器)。正如在经典计算机中，RAM的功能使得根据地址从RAM中取数据，在本方案实施例中，则是根据地址从第一数据中取该地址对应的第二数据，只是输入的地址需以量子态形式体现且地址能够处于叠加状态，且输出的第二数据需编码到量子态上，同样以量子态形式体现，输入和输出均为量子形式，从而起到模拟量子技术中QRAM的功能。
具体的，可以根据地址与数据的映射关系，从所述第一数据中查找该地址映射的第二数据，Value＝Data[addr]。映射关系可以是预设的，同样的可由用户根据需求自行设定。
继续以前述为例，由|q5q4q3>确定2个地址2和6。获得用户输入的一组数据，假设为数组a[10]＝[1，2，3，4，5，6，7，8，9，10]，下标分别为0至9，地址与数据的映射关系为：地址的值作为下标值，即为下标与数据的映射关系。据此，查找到地址2和6分别对应的第二数据为3和7。
S103，获得第二量子比特，将所述第二数据转换为所述第二量子比特的量子态表示。
具体的，可如前述，通过用户输入的一组量子比特信息，获得第二量子比特，第二量子比特所处的状态即量子态不限定，比如可为0态等等。
将所述第二数据，编码到所述第二量子比特的量子态上，以得到携带第二数据的信息的量子态表示为准。第二数据可以是小数、复数、指数等等，可为二进制或十进制表示，不进行限定，满足经典的数据结构即可。
继续以前述为例，查找到地址2和6分别对应的第二数据为3和7，假设|q2q1q0>＝|000>，将3转换为3位二进制011，7转换为3位二进制111。将011一一对应到量子态上，得到|011>，将111一一对应到量子态上，得到|111>。由于携带地址信息的|q5q4q3>处于叠加态，概率分为/>的平方为/>体现为地址2和6的概率。相应的，为了体现对应取出的数据3和7的概率，将|011>和|111>态的概率对应设为/>得到：/>
在一种实现方式中，第二数据为十进制数据,可以将所述第二数据转换为位数与所述第二量子比特的个数一致的二进制数据；输出与所述二进制数据的每一位相同的以二进制表示的量子态。
该实现方式，适用于地址处于本征态形式，根据对应确定的一个地址，获取对应的一个十进制数据，将十进制数据转换为二进制表示，然后编码到量子态，得到一个确定的本征态。当然，本发明对十进制转换成的二进制表的数据结构(比如符号位、整数位和小数位的格式设计)亦不进行限定，由用户根据需要设计即可。
例如，|q5q4q3>＝|100>，确定地址为量子态中100的十进制数值4，假设获取到的地址4对应的第二数据为5，将5转换为二进制表示101，最后将二进制信息编码到量子态上，得到|q2q1q0>＝|101>。
在实际应用中，可以通过构造Oracle模拟实现QRAM，Oracle的内部原理即为本发明的方法流程。具体的，Oracle，可以理解成在量子算法中完成特定功能的模块(类似黑盒)，在具体问题中会有具体的实现方式。
正如依照本方案，可以设计具有QRAM功能的Oracle，用户可以传入三个参数，即Oracle名称(用于识别当前待解析的Oracle为模拟QRAM的Oracle模块)、前述的一组量子比特信息和用户自定义的一组第一数据。这种方式的好处是，整体上将Oracle作为已知模块，无需关注其内部的实现细节，在量子应用场景例如量子线路的表示上，会非常的简单明了。
可见，通过确定第一量子比特的量子态信息对应的地址信息，从第一数据中获取地址信息对应的第二数据，将第二数据转换为第二量子比特的量子态表示，从而模拟实现QRAM的功能，即：根据量子态表示的地址，获取该地址对应的以量子态表示的数据，以加快复杂量子算法的分析验证。
参见图2，图2为本发明实施例提供的一种量子态信息的获取装置的结构示意图，与图1所示的流程相对应，可以包括：
确定模块201，用于获得第一量子比特的量子态信息，确定所述第一量子比特的量子态信息对应的地址信息；
获取模块202，用于获得第一数据，从所述第一数据中获取所述地址信息对应的第二数据；
转换模块203，用于获得第二量子比特，将所述第二数据转换为所述第二量子比特的量子态表示。
具体的，所述地址信息被编码在所述第一量子比特的量子态信息中；
所述确定模块，具体用于：
以所述编码对应的解码方式，计算所述第一量子比特的量子态信息对应的地址信息。
具体的，所述获取模块，具体用于：
根据地址与数据的映射关系，从所述第一数据中查找该地址映射的第二数据。
具体的，所述转换模块，包括：
获得单元，用于获得第二量子比特；
编码单元，用于将所述第二数据，编码到所述第二量子比特的量子态上，得到包含第二数据的信息的量子态表示。
具体的，所述第一数据和第二数据均为经典数据结构。
具体的，所述第二数据为十进制数据；
所述编码单元，具体用于：
将所述第二数据转换为位数与所述第二量子比特的个数一致的二进制数据；
输出与所述二进制数据的每一位相同的以二进制表示的量子态。
可见，通过确定第一量子比特的量子态信息对应的地址信息，从第一数据中获取地址信息对应的第二数据，将第二数据转换为第二量子比特的量子态表示，从而模拟实现QRAM的功能，即：根据量子态表示的地址，获取该地址对应的以量子态表示的数据，以加快复杂量子算法的分析验证。
本发明实施例还包括一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。
具体的，在本实施例中，上述存储介质可以被设置为存储用于执行以下步骤的计算机程序：
S1，获得第一量子比特的量子态信息，确定所述第一量子比特的量子态信息对应的地址信息；
S2，获得第一数据，从所述第一数据中获取所述地址信息对应的第二数据；
S3，获得第二量子比特，将所述第二数据转换为所述第二量子比特的量子态表示。
具体的，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。
可见，通过确定第一量子比特的量子态信息对应的地址信息，从第一数据中获取地址信息对应的第二数据，将第二数据转换为第二量子比特的量子态表示，从而模拟实现QRAM的功能，即：根据量子态表示的地址，获取该地址对应的以量子态表示的数据，以加快复杂量子算法的分析验证。
本发明实施例还包括一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。
具体的，上述电子装置还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。
具体的，在本实施例中，上述处理器可以被设置为通过计算机程序执行以下步骤：
S1，获得第一量子比特的量子态信息，确定所述第一量子比特的量子态信息对应的地址信息；
S2，获得第一数据，从所述第一数据中获取所述地址信息对应的第二数据；
S3，获得第二量子比特，将所述第二数据转换为所述第二量子比特的量子态表示。
可见，通过确定第一量子比特的量子态信息对应的地址信息，从第一数据中获取地址信息对应的第二数据，将第二数据转换为第二量子比特的量子态表示，从而模拟实现QRAM的功能，即：根据量子态表示的地址，获取该地址对应的以量子态表示的数据，以加快复杂量子算法的分析验证。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种量子态信息的获取方法，其特征在于，包括：
获得第一量子比特的量子态信息，所述第一量子比特的量子态信息中编码有地址信息，以所述编码对应的解码方式，计算所述第一量子比特的量子态信息对应的所述地址信息；
获得第一数据，从所述第一数据中获取所述地址信息对应的第二数据；
获得第二量子比特，将所述第二数据转换为所述第二量子比特的量子态表示。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从所述第一数据中获取所述地址信息对应的第二数据，包括：
根据地址与数据的映射关系，从所述第一数据中查找该地址映射的第二数据。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获得第二量子比特，将所述第二数据转换为所述第二量子比特的量子态表示，包括：
获得第二量子比特；
将所述第二数据，编码到所述第二量子比特的量子态上，得到包含第二数据的信息的量子态表示。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述第一数据和第二数据均为经典数据结构。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二数据为十进制数据；
所述将所述第二数据，编码到所述第二量子比特的初始量子态上，包括：
将所述第二数据转换为位数与所述第二量子比特的个数一致的二进制数据；
输出与所述二进制数据的每一位相同的以二进制表示的量子态。
6.一种量子态信息的获取装置，其特征在于，包括：
确定模块，用于获得第一量子比特的量子态信息，所述第一量子比特的量子态信息中编码有地址信息，以所述编码对应的解码方式，计算所述第一量子比特的量子态信息对应的所述地址信息；
获取模块，用于获得第一数据，从所述第一数据中获取所述地址信息对应的第二数据；
转换模块，用于获得第二量子比特，将所述第二数据转换为所述第二量子比特的量子态表示。
7.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1至5任一项中所述的方法。
8.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行所述权利要求1至5任一项中所述的方法。
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