CN114127701B - 量子位感觉表示 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一个实施例，公开了一种生成量子位的感觉表示的计算机实现的方法。该计算机实现的方法包括基于该量子位确定布洛赫球中的点，其中该点由相对于该布洛赫球的z轴的余纬度(θ)的值和相对于该布洛赫球的x轴的经度

的值定义。该计算机实现的方法还包括将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值。该计算机实现的方法还包括将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值。

Description

量子位感觉表示

技术领域

本发明总体上涉及量子位的领域，并且更具体地说，涉及生成量子位的感觉表示。

背景技术

量子计算机使用量子位，而不是使用经典(二进制)位，量子位可以处于状态的叠加中。在经典位可以具有两个值1或0之一的情况下，量子位可以取无数值中的任何一个值。因此，在量子计算中，量子位(qubit或quantum bit)是量子信息的基本单元，即，用双态器件物理实现的经典二进制位的量子版本。量子位是双态(或两级)量子力学系统，最简单的量子系统之一显示量子力学的特性。

发明内容

根据本发明的一个实施例，公开了一种生成量子位的感觉表示的计算机实现的方法。该计算机实现的方法包括基于该量子位确定布洛赫球(Bloch sphere)中的点，其中该点由相对于该布洛赫球的z轴的余纬度(θ)的值和相对于该布洛赫球的x轴的经度

的值定义。该计算机实现的方法还包括将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值。该计算机实现的方法还包括将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值。

根据本发明的另一个实施例，公开了一种生成量子位的感觉表示的计算机程序产品。该计算机程序产品包括一个或多个计算机可读存储介质和存储在该一个或多个计算机可读存储介质上的程序指令。该程序指令包括基于该量子位确定布洛赫球中的点的指令，其中该点由相对于该布洛赫球的z轴的余纬度(θ)的值和相对于该布洛赫球的x轴的经度

的值来定义。程序指令还包括将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值的指令。程序指令还包括将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量值的指令。

根据本发明的另一个实施例，公开了一种用于生成量子位的感觉表示的计算机系统。该计算机系统包括一个或多个计算机系统，该计算机系统包括一个或多个计算机处理器、一个或多个计算机可读存储介质、以及存储在计算机可读存储介质上以供一个或多个处理器中的至少一个处理器执行的程序指令。该程序指令包括用于基于该量子位确定布洛赫球中的点的指令，其中该点由相对于该布洛赫球的z轴的余纬度(θ)的值和相对于该布洛赫球的x轴的经度

的值来定义。程序指令还包括将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值的指令。程序指令还包括将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量值的指令。

附图说明

现在将参考以下附图、仅通过示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的至少一个实施例的量子位的布洛赫球表示，总体上表示为100；

图2是根据本发明的至少一个实施例的适合于量子位表示程序101的操作的分布式数据处理环境的框图，总体上表示为200；

图3是流程图，其描绘了根据本发明的至少一个实施例的用于通过量子位表示程序101生成量子位的感觉表示的多个操作步骤，总体上表示为300；

图4是根据本发明的至少一个实施例的示例性量子电路的图，总体上表示为400；

图5是描绘了根据本发明的至少一个实施例的计算设备的多个部件的框图，该计算设备总体上表示为500，该计算设备适合于执行量子位表示程序101；

图6是描绘根据本发明的至少一个实施例的云计算环境的框图；以及

图7是示出根据本发明至少一个实施例的抽象模型层的框图。

具体实施方式

单个量子位的可能量子态可以使用布洛赫球来可视化。作为示例，图1描绘了根据本发明的至少一个实施例的量子位的布洛赫球表示，总体上表示为100。图1仅提供了一种实现的图示，并且不暗示对其中可实现不同实施例的环境的任何限制。本领域技术人员可以对所描述的环境进行许多修改，而不偏离权利要求所陈述的本发明的范围。

如图1中所描绘的，布洛赫球的表面是二维空间，其表示纯量子位状态的状态空间。在这种2-球上，经典位只能在“北极”或“南极”，分别位于|0>和|1>的位置。然而，极轴的这种特定选择是任意的。布洛赫球的表面的其余部分对于经典位是不可访问的，但是纯量子位状态可以由该表面上的任何点来表示。因此，量子位的值是布洛赫球内的向量，并且它可以取该球内的任何向量，只要它从原点开始并且长度为一(1)。如图1中进一步描述的，示出了量子位的值的示例。量子位的值可以使用图1中所示的两个角度来唯一地描述，即：相对于z轴的经度表示为θ(theta)，相对于x轴的经度表示为

量子算子(或门)围绕布洛赫球移动向量。然而，本发明的实施例认识到，观察者可能难以理解或观察到向量围绕布洛赫球的移动。因此，本发明的实施例认识到，获得对量子算子或门如何影响量子位的状态(例如，在量子程序的执行期间)的理解或认识可能是困难的。

本发明的实施例提供了量子位状态的感觉表示(如量子计算系统的输出)的生成，由此使用户能够获得对量子操作如何影响量子位的状态的理解和/或认识。

在各种实施例中，量子位的表示被映射(例如，转换)到来自布洛赫球的表示的替代输出空间。具体地，各种实施例将用于表示布洛赫球中的量子位的值，即θ(theta)和

映射到不同输出空间的第一和第二变量的相应值。通过这样做，本发明的实施例提供了量子位的替代或不同表示，这使得观察者清楚量子算子(例如门)如何影响量子位的状态。因此，本发明的实施例使得用户能够在完整量子程序的执行上获得对量子位的状态的变化的改进的理解或认识。

在一些实施例中，表示量子位-相对于布洛赫球的z轴的余纬度(θ)和相对于布洛赫球的x轴的经度

的角度-被映射到更有意义的感觉输出空间上。例如，感觉输出空间可以包括颜色输出空间、触觉输出空间、听觉输出空间等。在不同的实施例中，量子位的表示被提供为感觉输出，当该量子位的值改变时，它对于用户来说更容易理解和/或认识。这可以允许对量子位状态如何由于应用于量子位的一个或多个量子操作而改变的改进的理解。

在各种实施例中，布洛赫球中的量子位的表示到替代感觉空间(例如，颜色空间或听觉输出空间)的转换被配置成使得布洛赫球上彼此接近的向量将在替代感觉输出空间中具有相似输出(例如，色调饱和值(HSV)颜色空间的相似颜色)。这可以帮助用户理解(例如，视觉地或听觉地)量子操作如何影响量子位的状态。

在各种实施例中，量子位的布洛赫球表示可以被映射(例如，转换)到任何其他合适的具有可以有意义地相关的两个或更多个参数的感觉输出空间。例如，在布洛赫球中，有两个自由参数θ和

以及第三个参数，即向量的长度是固定的。因此，实施例的感觉输出空间可以包括可以具有各种值的两个或更多个参数。这种情况的示例可以是声音，其中两个自由/可变参数是音调和音量，并且固定值可以是声音来自的位置。作为示例，θ的值被映射到音高的值，并且

的值被映射到音量的值。因此，在实施例中，感觉输出空间可以包括第三变量。这里，生成量子位的感觉表示还包括将第三变量的值定义为等于预定常数值(constant value)。

本发明的实施例帮助初学者理解量子算子如何影响量子位的状态。另外，根据本发明的实施例调整在布洛赫球中的量子位的表示到替代感觉空间的转换中使用的缩放因子可以帮助更高级的用户在布洛赫球中彼此接近的量子位状态之间进行区分。作为示例，实施例的感觉输出空间可以包括颜色空间。这里，生成量子位的视觉表示，其不同于布洛赫球表示，其中视觉表示采用颜色值来表示和/或区分量子位状态。

例如，在实施例中，感觉输出空间包括色调饱和度值(Hue,Saturation,Value，HSV)空间。在该实施例中，将余纬度(colatitude)(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值包括将余纬度(θ)的值转换为HSV空间的“值(Value)”的值。类似地，将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值包括将经度

的值转换为HSV空间的“色调”值。换言之，量子位的布洛赫球表示被映射到HSV颜色空间，其中通过将θ和

值分别转换为颜色空间的“值”和“色调”值来实现映射。

作为示例，将余纬度(θ)的值转换为HSV空间的“值”的值可以包括将余纬度(θ)的值除以π(pi)。类似地，将经度

的值转换为HSV空间的“色调”的值可以包括将经度

的值除以2π(2*pi)。因此，本发明的实施例采用了可以以一种廉价且容易的方式使用的相对简单的数学运算，因此使用于生成量子位的感觉表示的成本和/或复杂性要求最小化。

在各种实施例中，HSV空间的“饱和度”的值被定义为等于预定常数值。例如，预定的常数值可以等于一。因此，在所述的示例中，量子位的表示是在HSV柱中提供的。这可以通过将角度θ从量子位的布洛赫球表示转换为HSV空间的“值”，以及通过将角度

从量子位的布洛赫球表示转换为HSV空间的“色调”来实现。“饱和度”可以保持为常数值，例如一(1)，因为在布洛赫球中所有向量必须长度为一(1)。

在一些实施例中，缩放因子还被应用于第一和第二变量的值中的至少一个。例如，如果需要或优选，可以在转换期间进行调整。作为示例，在许多量子电路中，在向量平行于布洛赫球中的x轴的情况下花费了大量时间，并且这可以被映射到HSV颜色空间中的1/2的“值”。这可以使得颜色对于一些输出设备变暗，并且因此如果“值”被缩放(例如乘以1.2)以使得颜色看起来更亮(但是上限为1，因为这是HSV映射中所允许的最高值)，则输出仍然可以是有意义的。

在一些实施例中，感觉输出空间是声音(例如，可听)输出。在这样的实施例中，将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值包括将余纬度(θ)的值转换为声音的第一参数的值。类似地，将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值包括将经度

的值转换为第二、不同的声音参数的值。因此，在一些实施例中，不是生成量子位的视觉表示，而是其他实施例生成量子位的音频表示。这样的实施例对于色盲、视觉受损或以其他方式发现难以理解量子位的状态的视觉表示之间的区别的用户可以是特别有利的。

在一些实施例中，感觉输出空间是触觉输出。在这样的实施例中，将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值包括将余纬度(θ)的值转换为触觉输出的第一参数的值。类似地，将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值包括将经度

的值转换为触觉输出的不同的第二参数的值。以这种方式，生成量子位的触觉表示。这样的实施例对于聋的、视觉受损的或者以其他方式发现难以理解差别是量子位的状态的视觉和/或听觉表示的用户可能是特别有利的。

因此，本发明的实施例在各种不同的感觉输出空间中生成量子位的替代表示。在各种实施例中，量子位的布洛赫球表示被转换为视觉、听觉、触觉等表示，其可以更容易地让用户理解和/或感知量子位的状态变化。在这些实施例中，基于量子位确定布洛赫球中的点，其中该点由关于布洛赫球的z轴的余纬度(θ)的值和关于布洛赫球的x轴的经度

的值定义。量子位的布洛赫球表示被转换为不同感觉输出空间内的替换表示。具体地，各种实施例将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值，并且将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值。

因此，本发明的实施例提供了一种工具，通过该工具获得了量子位的替代表示。这种替代表示使得用户能够获得对量子操作如何影响量子位的改进的理解，因为替代表示可以被提供为各种类型的感觉输出，其使得用户能够更容易地感知量子位的状态的改变。在各种实施例中，量子位的布洛赫球表示的值被转换为另一个视觉、听觉和/或触觉可感知的输出空间的相应参数的值。因此，由这些各种实施例提供的输出空间包括可以由人类感觉感知的量子位的(一个或多个)表示。作为示例，感觉输出空间可以包括颜色空间(如HSV或HSL颜色空间)、听觉空间(如音频/声音)和触觉空间中的一个或多个，其有助于促进对量子电路或系统的改进的理解。因此，本发明的实施例通过在感觉输出空间中生成量子位的表示来促进对量子电路和/或量子系统的改进的理解，该感觉输出空间对于用户来说容易感知量子位状态的改变。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括其上具有计算机可读程序指令的(一个或多个)计算机可读存储介质，该计算机可读程序指令用于使处理器执行本发明的各方面。

计算机可读存储介质可以是能够保留和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或前述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体示例的非穷举列表包括以下：便携式计算机磁盘、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或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、如其上记录有指令的打孔卡或凹槽中的凸起结构的机械编码装置，以及前述的任何合适的组合。如本文所使用的计算机可读存储介质不应被解释为暂时性信号本身，如无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如，通过光纤线缆的光脉冲)、或通过导线传输的电信号。

本文描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到相应的计算/处理设备，或者经由网络，例如因特网、局域网、广域网和/或无线网络，下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光传输光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发计算机可读程序指令以存储在相应计算/处理设备内的计算机可读存储介质中。

用于执行本发明的操作的计算机可读程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据，或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，该编程语言包括面向对象的编程语言(如Smalltalk、C++等)以及常规的过程式编程语言(例如“C”编程语言或类似的编程语言)。计算机可读程序指令可以完全在用户的计算机上执行，部分在用户的计算机上执行，作为独立的软件包执行，部分在用户的计算机上并且部分在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户的计算机，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，或者可以连接到外部计算机(例如，使用因特网服务提供商通过因特网)。在一些实施例中，为了执行本发明的各方面，包括例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)的电子电路可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息来执行计算机可读程序指令以使电子电路个性化。

在此参考根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述本发明的各方面。将理解，流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以由计算机可读程序指令来实现。

这些计算机可读程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的装置。这些计算机可读程序指令还可以存储在计算机可读存储介质中，其可以引导计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，使得其中存储有指令的计算机可读存储介质包括制品，该制品包括实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的各方面的指令。

计算机可读程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行的指令实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作。

附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示指令的模块、段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实现中，框中所提及的功能可不按图中所提及的次序发生。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意，框图和/或流程图图示的每个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由执行指定功能或动作或执行专用硬件和计算机指令的组合的专用的基于硬件的系统来实现。

已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷尽的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。应当理解，附图仅仅是示意性的，并且不是按比例绘制的。还应当理解，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。此外，选择本文所使用的术语以最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场中存在的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。

现在将参照附图详细描述本发明。图2是根据本发明的至少一个实施例的适合于量子位表示程序101的操作的分布式数据处理环境的框图，总体上表示为200。图2仅提供了一种实现的图示，并且不暗示对其中可实现不同实施例的环境的任何限制。本领域技术人员可以对所描述的环境进行许多修改，而不偏离权利要求所陈述的本发明的范围。

如图2中所描绘的，分布式数据处理环境200包括通过网络202互连的量子位表示程序101、第一服务器204、第二服务器206、存储单元208、客户端设备210、客户端设备212、以及客户端设备214。在本发明的实施例中，网络202可以是电信网络、局域网(LAN)、如因特网的广域网(WAN)、或这三者的组合，并且可以包括有线、无线、或光纤连接。网络202可以包括一个或多个有线和/或无线网络，其能够接收和发送数据、语音和/或视频信号，包括多媒体信号，其包括语音、数据和视频信息。通常，网络202可以是支持分布式数据处理环境200内的各种程序、设备和/或计算机之间的通信的连接和协议的任何组合。

在各种实施例中，第一服务器204和第二服务器206是计算设备，其可以是独立设备、管理服务器、web服务器、移动设备或能够接收、发送和处理数据的任何其他电子设备或计算系统。在其他实施例中，第一服务器204和第二服务器206是利用多个计算机作为服务器系统的服务器计算系统，如在云计算环境中。在实施例中，第一服务器204和第二服务器206表示利用集群计算机和组件(例如，数据库服务器计算机、应用服务器计算机、web服务器计算机等)的计算系统，当在分布式数据处理环境200内被访问时，集群计算机和组件充当单个无缝资源池。通常，第一服务器204和第二服务器206表示能够执行机器可读程序指令并经由如网络202的网络与分布式数据处理环境200内所描绘的各种计算设备(以及未描绘的其他计算设备)通信的任何可编程电子设备或可编程电子设备的组合。例如，第一服务器204和/或第二服务器206向客户端设备210、客户端设备212和客户端设备214提供如引导文件、操作系统映像和应用的数据。虽然量子位表示程序101在图2中被描绘为与第一服务器204整合，但是在替代实施例中，量子位表示程序101是远离第一服务器204定位的。

在各种实施例中，客户端设备210、客户端设备212和客户端设备214是计算设备，其可以是膝上型计算机、平板计算机、上网本计算机、个人计算机(PC)、台式计算机、个人数字助理(PDA)、智能电话、智能手表或能够接收、发送和处理数据的任何可编程电子设备。通常，客户端设备210、客户端设备212和客户端设备214表示能够执行机器可读程序指令并经由如网络202的网络与分布式数据处理环境200内所描绘的各种计算设备(以及未描绘的其他计算设备)通信的任何可编程电子设备或可编程电子设备的组合。

在各种实施例中，客户端设备210、客户端设备212和客户端设备214允许用户经由第一服务器204和/或第二服务器206从存储单元208发送、接收或以其他方式访问数据。客户端设备还包括用户接口，其提供分布式数据处理环境200内所描绘的各种计算设备(以及未描绘的附加计算设备)之间的接口。在一些实施例中，用户界面可以是图形用户界面(GUI)或web用户界面(WUI)，并且可以显示文本、文档、web浏览器窗口、用户选项、应用程序界面和操作指令，并且包括程序呈现给用户的信息(如图形、文本和声音)以及用户用来控制程序的控制序列。在其他实施例中，用户界面可以是移动应用软件，其提供分布式数据处理环境200内所描绘的各种计算设备(以及未描绘的附加计算设备)之间的界面。

图3是流程图，其描绘了根据本发明的至少一个实施例的用于通过量子位表示程序101生成量子位的感觉表示的多个操作步骤，总体上表示为300。更具体地说，图3是描绘用于生成量子位的HSV颜色输出空间表示的操作步骤的流程图。图3仅提供了一种实现的图示，并不暗示对其中可实现不同实施例的环境的任何限制。本领域技术人员可以对所描述的环境进行许多修改，而不偏离权利要求所陈述的本发明的范围。

在步骤S302，量子位表示程序101基于量子位确定布洛赫球中的点。在各种实施例中，布洛赫球中的点由相对于布洛赫球的z轴的余纬度(θ)的值和相对于布洛赫球的x轴的经度

的值来定义。因此，基于量子位确定布洛赫球中的点包括分别确定定义布洛赫球中的点的余纬度(θ)和经度

的值。本领域普通技术人员将理解，确定量子位状态的布洛赫球表示可以使用任何公知的常规方法/技术来实现。

在步骤S304，量子位表示程序101将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值。在实施例中，第一变量具有与对于余纬度(θ)的允许值的范围不同的允许值的第一范围。更具体地，因为感觉输出空间是HSV颜色空间，所以将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值包括将余纬度(θ)的值转换为HSV空间的“值”的值。通过量子位表示程序101将余纬度(θ)的值转换为HSV空间的“值”的值包括将余纬度(θ)的值除以π(因为，θ的范围可以从零到π，而对于HSV颜色空间，“值”的范围可以仅在零(0)和一(1)之间)。

在步骤S306，量子位表示程序101将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值。在实施例中，第二变量具有与对于经度

的允许值的范围不同的允许值的第二范围。更具体地说，因为感觉输出空间是HSV颜色空间，所以将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值包括将经度

的值转换为HSV空间的“色调”的值。通过量子位表示程序101将经度

的值转换为HSV空间的“色调”的值包括将经度

的值除以2π(因为

的范围可以从零到2π，而对于HSV颜色空间，“色调”的范围仅在零(0)和一(1)之间)。

在步骤S308，量子位表示程序101定义第三变量的值等于预定的常数值。本领域普通技术人员将理解，HSV颜色空间包括三个变量，即：(i)色调，(ii)饱和度，和(iii)值。因此，量子位表示程序101为其定义常数值的第三变量是“饱和”。在此，“量子位表示程序101定义了第三变量”饱和度“的常数值等于一(1)。换句话说，“饱和度”的值被设置为一(1)的常数值。

在步骤S310，量子位表示程序101生成输出信号，该输出信号代表“色调”、“饱和度”以及“值”的值。在实施例中，该输出信号控制向用户显示的一种或多种颜色，其中该一种或多种显示颜色表示该量子位的一种或多种状态。

本领域普通技术人员将理解，本发明的实施例基于将表示布洛赫球中的量子位的角度映射(例如，转换)到有意义的感觉输出空间上的概念。在图3的前述步骤中，感觉输出空间包括HSV圆柱体，并且转换包括：(i)将来自布洛赫球表示的角度θ映射到HSV空间的“值”的值，以及(ii)将来自布洛赫球表示的角度

映射到HSV空间的“色调”的值。此外，“饱和度”保持为一(1)的常数值，因为在布洛赫球中所有向量必须长度为一(1)。

该映射包括进行调整，以便从布洛赫角转换为HSV值，因为布洛赫角是根据π和HSV值在0和1之间变化，因此，为了从布洛赫角转换为HSV值，量子位表示程序101将

除以2π，并且将θ除以π(因为在布洛赫球表示中θ仅在π上变化)。应当理解，替代输出空间可能需要类似形式的调整，并且这样的调整可以包括直接的和/或简单的数学运算。

在一些实施例中，如果需要，也可在转换期间进行调整。例如，在许多量子电路中，在布洛赫球向量平行于x轴的情况下可能花费大量时间，因此具有1/2的“值”，这可能使一些输出设备的颜色变暗，因此如果缩放“值”，则输出仍然有意义。作为示例，将输出值乘以1.2以使颜色显得更亮(但是上限为1，因为这是HSV映射中所允许的最高值)。

在一些实施例中，在使用转换来表示量子位的状态在电路的整个执行过程中如何改变的情况下，量子位表示程序101基于量子位在电路的执行过程中所取的值的范围来更新映射。例如，如果电路的量子操作是预先已知的，则该信息可以用于确定θ和

所取的值的范围。因此，基于θ和

所取的值的确定范围，量子位表示程序101缩放感觉输出空间中的转换的值以最大化输出空间的可用范围的使用。

例如，量子位表示程序101通过将表示所使用的运算/门的矩阵与从所得矩阵中提取的θ和

相乘来获得值的范围。然后，映射可以改变θ和

的值。例如，如果已知电路中使用的θ的最大值是π/2，那么量子位表示程序101可以使用这个信息来调整转换操作以将θ的所有值乘以2，从而使用可用颜色的全部范围。这最终提供了例如通过修改用于避免由于例如色盲而导致用户不能区分的颜色的值来改善可访问性的益处。

在一些情况下，到颜色空间的转换对于观察者可能更有意义，因为在布洛赫球上彼此接近的向量将具有类似的输出。例如，在HSV空间中，彼此接近的向量被表示为相似的颜色。这可以帮助用户在视觉上理解操作如何影响量子位的状态。

在不同的实施例中，量子位表示程序101生成具有可以是有意义地相关的两个或更多个可变元素的其他感觉输出空间。在布洛赫球中，有两个可变参数——θ和

以及第三个固定参数——向量的长度。因此，在实施例中，感觉输出空间可以包括听觉输出空间(即，声音输出)，其中两个可变元素是音高和音量(并且固定值可以是声音来自的位置)。例如，量子位表示程序101将

的值转换为音调值，并且将θ的值转换为音量值。

图4是根据本发明的至少一个实施例的示例性量子电路的图，总体上表示为400。图4仅提供了一种实现的图示，并且不暗示对其中可实现不同实施例的环境的任何限制。本领域技术人员可以对所描述的环境进行许多修改，而不偏离权利要求所陈述的本发明的范围。

作为示例，如果θ的最大值被确定为π/2，并且

的最大值为π，则量子位表示程序101确定采用θ为2x以及

为2x的缩放因子。这种缩放确保了可以使用HSV颜色空间中的所有颜色，例如通过使θ和

的范围现在跨越其所有相应的范围。这里，系统被初始化，使得每个量子位具有状态|0>。换句话说，θ和

的值都是零(0)。当这些值被映射到HSV空间时，所描绘的颜色是白色。

在不同的实施例中，量子位表示程序将“H”门应用于量子位的第一状态。这使得第一量子位的a和b的值等于1/根2(1/root2)，并且作为向量，第一量子位现在分别以θ＝π/2，

的角度与正x轴对准。这给出了第一量子位的状态的表示，半强度的红色，因为红色是“色调”的零(0)在HSV空间上，并且

是0，如果需要，则可以应用上面确定的缩放因子，以给出θ＝π和

这给出了相同的红色，但是现在具有全强度。

在不同的实施例中，量子位表示程序101将“Z”门应用于该第一量子位。这是围绕布洛赫球的Z轴的π弧度旋转。在此，该第一量子位的角度因此达到θ＝π/2并且

这给出了第一量子位的第二状态的表示是青色(因为在HSV空间中青色与红色相反)。然后，可以再次应用上面确定的缩放因子以给出θ＝π和

并且这将颜色该变回为具有全强度的红色(因为旋转2π与旋转0相同)。尽管在该示例性电路中缩放不提供明显的对比度(红色相对于青色)，但是在θ和

具有较大变化的更复杂的电路中可以表现出较大的对比度。

在不同的实施例中，量子位表示程序101测量该第一量子位，这致使该向量与这些极点之一对准(该量子位具有π或零(0)的θ)。这分别给出了黑色或白色的第一量子位的第三状态的表示。

本领域普通技术人员将理解，将量子位的布洛赫球表示转换为替代感觉输出空间(如颜色空间、音频输出空间或触觉输出空间)可以帮助初学者理解量子操作(例如门)如何影响量子位的状态。此外，使用缩放因子调整转换的值可以帮助高级用户区分布洛赫球中彼此接近的状态。

图5是描绘根据本发明的至少一个实施例的计算设备的部件的框图，该计算设备总体上表示为500，该计算设备适合于执行量子位表示程序101、第一服务器204、第二服务器206、存储单元208、客户端设备210、客户端设备212、客户端设备214、以及在图2的分布式数据处理环境200中未描绘的任何另外的计算设备。计算设备500包括一个或多个处理器504(包括一个或多个计算机处理器)、通信结构502、包括RAM 516和高速缓存518的存储器506、永久性存储装置508、通信单元512、(一个或多个)I/O接口514、显示器522和(一个或多个)外部设备520。应当理解，图5仅提供了一个实施例的图示，并不暗示对其中可以实现不同实施例的环境的任何限制。可以对所描述的环境进行许多修改。

如所描绘的，计算设备500在通信结构502上操作，该通信结构提供(一个或多个)计算机处理器504、存储器506、永久性存储装置508、通信单元512和(一个或多个)输入/输出(I/O)接口514之间的通信。通信结构502可以用适于在处理器504(例如，微处理器、通信处理器和网络处理器)、存储器506、(一个或多个)外部设备520和系统内的任何其它硬件组件之间传递数据或控制信息的任何体系结构来实现。例如，通信结构502可以用一个或多个总线来实现。

存储器506和永久性存储装置508是计算机可读存储介质。在所描述的实施例中，存储器506包括随机存取存储器(RAM)516和高速缓存518。通常，存储器506可以包括任何合适的易失性或非易失性的一个或多个计算机可读存储介质。

用于量子位表示程序101的程序指令可以被存储在永久性存储装置508中，或更一般地，任何计算机可读存储介质中，以便由一个或多个对应的计算机处理器504经由存储器506的一个或多个存储器来执行。永久性存储装置508可以是磁硬盘驱动器、固态盘驱动器、半导体存储设备、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存或能够存储程序指令或数字信息的任何其它计算机可读存储介质。

永久性存储装置508所使用的介质也可以是可移除的。例如，可移动硬盘驱动器可以用于永久性存储装置508。其它示例包括光盘和磁盘、拇指驱动器和智能卡，它们被插入到驱动器中以便传送到也是永久性存储装置508的一部分的另一计算机可读存储介质上。

在这些示例中，通信单元512提供与其他数据处理系统或设备的通信。在这些示例中，通信单元512可以包括一个或多个网络接口卡。通信单元512可以通过使用物理和无线通信链路中的一种或两种来提供通信。在本发明的一些实施例的上下文中，各种输入数据的源可以在物理上远离计算设备500，使得可以接收输入数据，并且类似地经由通信单元512发送输出。

(一个或多个)I/O接口514允许与可以结合计算设备500操作的其它设备输入和输出数据。例如，(一个或多个)I/O接口514可以提供到(一个或多个)外部设备520的连接，该外部设备可以是键盘、小键盘、触摸屏或其他合适的输入设备。(一个或多个)外部设备520还可以包括便携式计算机可读存储介质，例如拇指驱动器、便携式光盘或磁盘、以及存储器卡。用于实践本发明的实施例的软件和数据可以存储在这样的便携式计算机可读存储介质上，并且可以经由(一个或多个)I/O接口514加载到永久性存储装置508上。(一个或多个)I/O接口514也可以类似地连接到显示器522。显示器522提供向用户显示数据的机制，并且可以是例如计算机监视器。

应当理解，尽管本公开包括关于云计算的详细描述，但是本文所陈述的教导的实现不限于云计算环境。相反，本发明的实施例能够结合现在已知或以后开发的任何其它类型的计算环境来实现。

云计算是一种服务递送模型，用于实现对可配置计算资源(例如，网络、网络带宽、服务器、处理、存储器、存储、应用、虚拟机和服务)的共享池的方便的按需网络访问，所述可配置计算资源可以以最小的管理努力或与服务的提供者的交互来快速供应和释放。该云模型可以包括至少五个特性、至少三个服务模型和至少四个部署模型。

特性如下：

按需自助：云消费者可以单方面地自动地根据需要提供计算能力，诸如服务器时间和网络存储，而不需要与服务的提供者进行人工交互。

广域网接入：能力在网络上可用，并且通过促进由异构的薄或厚客户端平台(例如，移动电话、膝上型计算机和PDA)使用的标准机制来访问。

资源池化：供应商的计算资源被集中以使用多租户模型来服务多个消费者，其中不同的物理和虚拟资源根据需求被动态地分配和重新分配。存在位置无关的意义，因为消费者通常不控制或不知道所提供的资源的确切位置，但是能够在较高抽象级别(例如国家、州或数据中心)指定位置。

快速弹性：在一些情况下，可以快速且弹性地提供快速向外扩展的能力和快速向内扩展的能力。对于消费者，可用于提供的能力通常看起来不受限制，并且可以在任何时间以任何数量购买。

测量服务：云系统通过利用在适合于服务类型(例如，存储、处理、带宽和活动用户账户)的某一抽象级别的计量能力来自动地控制和优化资源使用。可以监视、控制和报告资源使用，从而为所利用服务的提供者和消费者两者提供透明性。

服务模型如下：

软件即服务(SaaS)：提供给消费者的能力是使用在云基础设施上运行的提供者的应用。应用程序可通过如web浏览器(例如，基于web的电子邮件)等瘦客户机界面从各种客户机设备访问。消费者不管理或控制包括网络、服务器、操作系统、存储、或甚至个别应用能力的底层云基础结构，可能的例外是有限的用户专用应用配置设置。

平台即服务(PaaS)：提供给消费者的能力是将消费者创建或获取的应用部署到云基础设施上，该消费者创建或获取的应用是使用由提供商支持的编程语言和工具创建的。消费者不管理或控制包括网络、服务器、操作系统或存储的底层云基础设施，但具有对部署的应用和可能的应用托管环境配置的控制。

基础设施即服务(IaaS)：提供给消费者的能力是提供处理、存储、网络和消费者能够部署和运行任意软件的其它基本计算资源，所述软件可以包括操作系统和应用。消费者不管理或控制底层云基础设施，但具有对操作系统、存储、部署的应用的控制，以及可能对选择的联网组件(例如，主机防火墙)的有限控制。

部署模型如下：

私有云：云基础设施仅为组织操作。它可以由组织或第三方管理，并且可以存在于建筑物内或建筑物外。

社区云：云基础设施由若干组织共享，并且支持具有共享关注(例如，任务、安全要求、策略和合规性考虑)的特定社区。它可以由组织或第三方管理，并且可以存在于场所内或场所外。

公有云：云基础设施可用于一般公众或大型工业群体，并且由销售云服务的组织拥有。

混合云：云基础设施是两个或更多云(私有、共同体或公共)的组合，所述云保持唯一实体，但是通过使数据和应用能够移植的标准化或私有技术(例如，用于云之间的负载平衡的云突发)绑定在一起。

云计算环境是面向服务的，其焦点在于无状态、低耦合、模块性和语义互操作性。在云计算的核心是包括互连节点的网络的基础设施。

图6是描述根据本发明的至少一个实施例的云计算环境50的框图。云计算环境50包括云消费者使用的本地计算设备可以与其通信的一个或多个云计算节点10，所述本地计算设备诸如，例如个人数字助理(PDA)或蜂窝电话54A、台式计算机54B、膝上型计算机54C和/或汽车计算机系统54N。节点10可以彼此通信。它们可以被物理地或虚拟地分组(未示出)在一个或多个网络中，诸如如上文描述的私有云、社区云、公共云或混合云或其组合。这允许云计算环境50提供基础设施、平台和/或软件作为服务，云消费者不需要为其维护本地计算设备上的资源。应当理解，图6中所示的计算设备54A-N的类型仅旨在说明，并且计算节点10和云计算环境50可以通过任何类型的网络和/或网络可寻址连接(例如，使用web浏览器)与任何类型的计算机化设备通信。

图7是示出根据本发明至少一个实施例的由图6所示的云计算环境50提供的一组功能抽象模型层的框图。应当预先理解，图7中所示的组件、层和功能仅旨在说明，并且本发明的实施例不限于此。如所描绘的，提供了以下层和相应的功能：

硬件和软件层60包括硬件和软件组件。硬件组件的示例包括：主机61；基于RISC(精简指令集计算机)架构的服务器62；服务器63；刀片服务器64；存储装置65；以及网络和联网组件66。在一些实施例中，软件组件包括网络应用服务器软件67和数据库软件68。

虚拟化层70提供抽象层，从该抽象层可以提供虚拟实体的以下示例：虚拟服务器71；虚拟存储器72；虚拟网络73，包括虚拟专用网络；虚拟应用和操作系统74；以及虚拟客户机75。

在一个示例中，管理层80可以提供以下描述的功能。资源供应81提供用于在云计算环境内执行任务的计算资源和其它资源的动态采购。计量和定价82提供了在云计算环境中利用资源时的成本跟踪，以及用于消耗这些资源的开帐单或发票。在一个示例中，这些资源可以包括应用软件许可证。安全性为云消费者和任务提供身份验证，以及为数据和其他资源提供保护。用户门户83为消费者和系统管理员提供对云计算环境的访问。服务级别管理84提供云计算资源分配和管理，使得满足所需的服务级别。服务水平协议(SLA)规划和履行85提供对云计算资源的预安排和采购，其中根据SLA预期未来需求。

工作负载层90提供了可以利用云计算环境的功能的示例。可以从该层提供的工作负载和功能的示例包括：绘图和导航91；软件开发和生命周期管理92；虚拟教室教育传送93；数据分析处理94；交易处理95；以及量子位表示程序101。

Claims (23)

1.一种生成量子位的感觉表示的计算机实现的方法，所述方法包括：

由一个或多个处理器基于量子位确定布洛赫球中的点，其中点由相对于布洛赫球的z轴的余纬度(θ)的值和相对于布洛赫球的x轴的经度

的值定义；

由一个或多个处理器将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值；以及

由一个或多个处理器将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值，

其中所述感觉输出空间包括颜色空间、听觉空间和触觉空间中的一个或多个。

2.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，还包括：

由一个或多个处理器确定感觉输出空间包括第三变量；以及

由一个或多个处理器将第三变量的值定义为等于预定常数值。

3.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中感觉输出空间包括色调饱和度值HSV空间，其中：

由一个或多个处理器将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值包括将余纬度(θ)的值转换为HSV空间的值的值；以及

由一个或多个处理器将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值包括将经度

的值转换为HSV空间的色调值。

4.根据权利要求3所述的计算机实现的方法，其中：

由一个或多个处理器将余纬度(θ)的值转换为HSV空间的值的值包括将余纬度(θ)的值除以π；以及

由一个或多个处理器将经度

的值转换为HSV空间的色调值包括将经度

的值除以2π。

5.根据权利要求3所述的计算机实现的方法，还包括：

由一个或多个处理器将HSV空间的饱和度的值定义为等于预定常数值。

6.根据权利要求5所述的计算机实现的方法，其中预定常数值等于一。

7.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，还包括：

由一个或多个处理器将缩放因子应用于第一变量的值和第二变量的值中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中：

由一个或多个处理器将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值包括将余纬度(θ)的值转换为声音的第一参数的值；以及

由一个或多个处理器将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值包括将经度

的值转换为声音的不同的第二参数的值。

9.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中：

由一个或多个处理器将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值包括将余纬度(θ)的值转换为触觉输出的第一参数的值；以及

由一个或多个处理器将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值包括将经度

的值转换为触觉输出的不同的第二参数的值。

10.一种生成量子位的感觉表示的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机可读存储介质以及存储在所述一个或多个计算机可读存储介质上的程序指令，所述程序指令包括用于以下的指令：

基于量子位确定布洛赫球中的点，其中点由相对于布洛赫球的z轴的余纬度(θ)的值和相对于布洛赫球的x轴的经度

的值定义；

将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值；以及

将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值，

其中所述感觉输出空间包括颜色空间、听觉空间和触觉空间中的一个或多个。

11.根据权利要求10所述的计算机程序产品，还包括用于以下的程序指令：

确定感觉输出空间包括第三变量；以及

将第三变量的值定义为等于预定常数值。

12.根据权利要求10所述的计算机程序产品，其中感觉输出空间包括色调饱和度值HSV空间，其中：

将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值的程序指令包括将余纬度(θ)的值转换为HSV空间的值的值的指令；以及

将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值的程序指令包括将经度

的值转换为HSV空间的色调值的指令。

13.根据权利要求12所述的计算机程序产品，其中：

将余纬度(θ)的值转换为HSV空间的值的值的程序指令包括将余纬度(θ)的值除以π的指令；以及

将经度

的值转换为HSV空间的色调值的程序指令包括将经度

的值除以2π的指令。

14.根据权利要求12所述的计算机程序产品，还包括用于以下的程序指令：

将HSV空间的饱和度的值定义为等于预定常数值。

15.根据权利要求14所述的计算机程序产品，其中预定常数值等于一。

16.根据权利要求10所述的计算机程序产品，还包括用于以下的程序指令：

将缩放因子应用于第一变量的值和第二变量的值中的至少一个。

17.根据权利要求10所述的计算机程序产品，其中：

将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值的程序指令包括将余纬度(θ)的值转换为声音的第一参数的值的指令；以及

将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值的程序指令包括将经度

的值转换为声音的不同的第二参数的值的指令。

18.根据权利要求10所述的计算机程序产品，其中：

将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值的程序指令包括将余纬度(θ)的值转换为触觉输出的第一参数的值的指令；以及

将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值的程序指令包括将经度

的值转换为触觉输出的不同的第二参数的值的指令。

19.一种用于生成量子位的感觉表示的计算机系统，包括：

一个或多个计算机处理器；

一个或多个计算机可读存储介质；

计算机程序指令；

所述计算机程序指令被存储在所述一个或多个计算机可读存储介质上以供所述一个或多个计算机处理器执行；并且

所述计算机程序指令包括用于以下的指令：

基于量子位确定布洛赫球中的点，其中点由相对于布洛赫球的z轴的余纬度(θ)的值和相对于布洛赫球的x轴的经度

的值定义；

将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值；以及

将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值，

其中所述感觉输出空间包括颜色空间、听觉空间和触觉空间中的一个或多个。

20.根据权利要求19所述的计算机系统，还包括用于以下的程序指令：

确定感觉输出空间包括第三变量；以及

将第三变量的值定义为等于预定常数值。

21.根据权利要求19所述的计算机系统，其中感觉输出空间包括色调饱和度值HSV空间，其中：

将余纬度(θ)的值转换为感觉输出空间的第一变量的值的程序指令包括将余纬度(θ)的值转换为HSV空间的值的值的指令；以及

将经度

的值转换为感觉输出空间的第二变量的值的程序指令包括将经度

的值转换为HSV空间的色调值的指令。

22.根据权利要求21所述的计算机系统，其中：

将余纬度(θ)的值转换为HSV空间的值的值的程序指令包括将余纬度(θ)的值除以π的指令；以及

将经度

的值转换为HSV空间的色调值的程序指令包括将经度

的值除以2π的指令。

23.根据权利要求21所述的计算机系统，还包括用于以下内容的程序指令：

将HSV空间的饱和度的值定义为等于一的预定常数值。

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