CN114861927A - 基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法 - Google Patents

基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法，涉及量子计算技术领域。本发明包括：从输入设备输入数字量子态的操作符号；接收设备获得数字量子态信息、接收数字量子态操作类型；操作模块中的计算节点依据输入的数字量子态操作类型符号，基于信号的傅里叶变换、逆傅里叶变换，实现相应的可逆操作；操作模块中的操作节点调用计算节点实现的数字量子态的可逆操作接口，对数字量子态进行操作；展示模块通过选择合适的可视化工具对操作前后的数字量子态进行展示。利用本发明，可以在常温下对数字量子态进行操作，且可视化节点把该操作过程形象、直观展示出来，让用户对数字量子态操作有个更深的认识。

Description

基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法
技术领域
本发明属于量子计算技术领域，特别是涉及基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法。
背景技术
数字量子比特是数字量子计算机的核心，通过对数字量子比特的编码，能够实现性能远超经典计算机算法的量子算法。其中，对数字量子比特的编码相当于是对数字量子态的操作，得到新的数字量子态，进而实现相应的量子算法。
如中国专利CN114529003A提供一种多比特量子傅里叶变换线路分割方法，主要解决现有小规模量子计算机因量子比特数量不足，无法运行大规模多比特量子傅里叶变换线路的问题。对量子傅里叶变换线路进行线路调整，将调整后的线路分割为若干子线路；对每个子线路的输入、输出分别进行初始量子态制备和设置测量模块形成若干子量子线路，并将其在小规模量子计算机上运行；对所有子量子线路的运行结果进行经典计算，以将其还原为原始大规模量子傅里叶变换线路的运行结果。
但是，其并不能实现对数字量子态的指定操作并且以可视化方式展示操作。
发明内容
本发明的目的在于提供基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法，通过选择可视化的方式，对当前数字量子态及其在操作类型符号作用下的结果展示出来，解决了现有的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法，包括以下步骤：
步骤S001：通过输入设备输入数字量子态操作类型符号；
步骤S002：通过接收设备获得数字量子态操作类型符号；
步骤S003：通过操作模块中的计算节点依据数字量子态操作类型符号，基于数字量子态对应的电压信号的傅里叶变换、逆傅里叶变换，实现对数字量子态的可逆操作；
操作模块中的操作节点调用计算节点实现的数字量子态的可逆操作接口，对数字量子态进行操作；
步骤S004：展示模块通过可视化工具对操作前后的数字量子态进行展示。
进一步地，所述输入设备为用户对数字量子计算机进行输入操作的设备。
进一步地，所述数字量子态操作类型符号包括单数字量子态操作类型符号、多数字量子态操作类型符号；
所述单数字量子态操作类型符号包括H，X，Y，Z，S，T，ST，TT；
所述多数字量子态操作类型符号包括CNOT。
进一步地，所述步骤S003中，对数字量子态进行操作的方法为：
步骤S1：将接收的数字量子态操作类型符号标记为S，其中
Figure 175283DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤S2：将t时刻数字量子态对应的电压信号标记为f(t)，则相应的傅里叶变换如下：
Figure 568218DEST_PATH_IMAGE002
Figure 468041DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，T表示函数f(t)的周期，函数
Figure 34152DEST_PATH_IMAGE004
在积分意义下是正交的，即
Figure 70241DEST_PATH_IMAGE005
；t表示时间；ω表示函数f(t)的角频率；j是复数单位，e是自然常数；n是下标参数且
Figure 883345DEST_PATH_IMAGE006
，an、bn是相应三角函数的系数；
逆傅里叶变换如下：
Figure 270464DEST_PATH_IMAGE007
；
步骤S3：通过对电压信号傅里叶变换后的信号进行操作，实现可逆运算；操作节点调用计算节点实现的数字量子态的可逆操作接口，实现对数字量子态的操作；即响应模块，接收数字量子态操作类型符号“Si”，
Figure 374686DEST_PATH_IMAGE008
，对当前数字量子态
Figure 468544DEST_PATH_IMAGE009
进行操作，输出操作后的数字量子态
Figure 265599DEST_PATH_IMAGE010
。
进一步地，所述操作节点调用计算节点实现数字量子态的可逆操作接口的过程为：
步骤一、对电压信号f(t)进行傅里叶变换为
Figure 562850DEST_PATH_IMAGE011
；
步骤二、对傅里叶变换信号
Figure 736342DEST_PATH_IMAGE012
进行带通滤波，得到特定角频率的信号
Figure 747024DEST_PATH_IMAGE013
，则滤波后的信号
Figure 714980DEST_PATH_IMAGE014
；
其中
Figure 748795DEST_PATH_IMAGE015
C是复数集合；a、b与t时刻数字量子态本征态的系数一致，由于
Figure 194820DEST_PATH_IMAGE016
，则将F’表示成向量形式[a,b]；
步骤三、对F’进行矩阵运算，矩阵为
Figure 325587DEST_PATH_IMAGE017
或
Figure 464444DEST_PATH_IMAGE018
的组合形式。
进一步地：所述数字量子态
Figure 234823DEST_PATH_IMAGE019
、量子态的操作类型符号“Si”、输出操作后的数字量子态
Figure 484539DEST_PATH_IMAGE020
之间的关系如下：
Figure 469812DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 717254DEST_PATH_IMAGE022
Figure 787978DEST_PATH_IMAGE023
Figure 841385DEST_PATH_IMAGE024
Figure 681165DEST_PATH_IMAGE025
Figure 850240DEST_PATH_IMAGE026
Figure 142681DEST_PATH_IMAGE027
Figure 999779DEST_PATH_IMAGE028
Figure 631748DEST_PATH_IMAGE029
Figure 283310DEST_PATH_IMAGE030
。
进一步地，所述展示模块根据输入的数字量子态操作类型符号及当前数字量子态，选择可视化方式，展示操作前后的数字量子态：
对于单数字量子态操作类型符号，选择Bloch球面、量子电路中的一种展示操作前后的数字量子态；
对于多数字量子态操作类型符号，选择量子电路展示操作前后的数字量子态，可以更直观观测数字量子态操作过程。
进一步地，所述的方法基于数字量子态的操作系统实现，所述数字量子态的操作系统包括：
输入设备：其用于用户输入对量子态操作的逻辑门符号；
接收设备：其用于接收从输入设备输入的对量子态操作的逻辑门符号；
响应模块：其用于量子计算机当前量子态针对接收设备接收到的逻辑门符号做出响应；
展示模块：其用于选择相应的可视化工具对响应模块的结果进行可视化。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过当前数字量子态的操作类型；根据数字量子态的操作类型，利用信号傅里叶变换、逆傅里叶变换，实现对数字量子态的指定操作；通过展示模块接收响应模块的操作结果，选择可视化方式，对当前数字量子态及其在操作符作用下的结果展示出来，可以在常温下对数字量子态进行操作，且可视化节点把该操作过程形象、直观展示出来，让用户对数字量子态操作有个更深的认识。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于冯氏计算机数字逻辑电路数字量子态的操作框架图；
图2为本发明响应模块的操作流程图；
图3为基于冯氏计算机数字逻辑电路数字量子态的操作流程图；
图4为采用量子线路的表现形式示意图；
图5为采用Bloch球面的表现形式示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图2-3所示，本发明为基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法，包括以下步骤：
步骤S001：通过输入设备输入数字量子态操作类型符号；
步骤S002：通过接收设备获得数字量子态操作类型符号；
步骤S003：通过操作模块中的计算节点依据数字量子态操作类型符号，基于数字量子态对应的电压信号的傅里叶变换、逆傅里叶变换，实现对数字量子态的可逆操作；
操作模块中的操作节点调用计算节点实现的数字量子态的可逆操作接口，对数字量子态进行操作；
步骤S004：展示模块通过选择合适的可视化工具（Bloch球面、量子线路等）对操作前后的数字量子态进行展示。如图4-5所示，可视化节点把该操作过程形象、直观展示出来，让用户对数字量子态操作有个更深的认识。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，所述输入设备为用户对数字量子计算机进行输入操作的设备，比如键盘、用户终端等。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，所述数字量子态操作类型符号包括单数字量子态操作类型符号、多数字量子态操作类型符号；
所述单数字量子态操作类型符号包括H，X，Y，Z，S，T，ST，TT；
所述多数字量子态操作类型符号包括CNOT。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，所述步骤S003中，对数字量子态进行操作的方法为：
步骤S1：将接收的数字量子态操作类型符号标记为S，其中
Figure 328626DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤S2：计算节点利用信号的傅里叶变换、逆傅里叶变换，实现对数字量子态的可逆操作，将t时刻数字量子态对应的电压信号标记为f(t)，则相应的傅里叶变换如下：
Figure 723835DEST_PATH_IMAGE002
Figure 459579DEST_PATH_IMAGE031
；
其中，T表示函数f(t)的周期，函数
Figure 547621DEST_PATH_IMAGE004
在积分意义下是正交的，即
Figure 814654DEST_PATH_IMAGE005
；t表示时间，电压信号随t变化而变化；ω表示函数f(t)的角频率，即是在频域中的自变量，相对于时域中的t；j是复数单位，e是自然常数，由欧拉公式可知，e是复数的一种表示形式；n是下标参数且
Figure 685658DEST_PATH_IMAGE006
，an、bn是相应三角函数的系数；
逆傅里叶变换如下：
Figure 354537DEST_PATH_IMAGE007
；
步骤S3：通过对电压信号傅里叶变换后的信号进行操作，实现特定的可逆运算，所述特定的可逆运算：是指实现基础酉运算：X、Y、Z、CNOT，其他运算都可由这三个运算得到；操作节点调用计算节点实现的数字量子态的可逆操作接口，实现对数字量子态的操作；即响应模块，接收数字量子态操作类型符号“Si”，
Figure 613480DEST_PATH_IMAGE008
，对当前数字量子态
Figure 102230DEST_PATH_IMAGE009
进行操作，输出操作后的数字量子态
Figure 793236DEST_PATH_IMAGE010
。
进一步地，所述操作节点调用计算节点实现数字量子态的可逆操作接口的过程为：
步骤一、对电压信号f(t)进行傅里叶变换为
Figure 316622DEST_PATH_IMAGE011
；
步骤二、对傅里叶变换信号
Figure 480887DEST_PATH_IMAGE032
进行带通滤波，得到特定角频率的信号
Figure 722512DEST_PATH_IMAGE013
，则滤波后的信号
Figure 200898DEST_PATH_IMAGE014
；
其中
Figure 578790DEST_PATH_IMAGE033
C是复数集合；a、b与t时刻数字量子态本征态的系数一致，由于
Figure 179536DEST_PATH_IMAGE016
，则将F’表示成向量形式[a,b]；
步骤三、对F’进行矩阵运算，矩阵为
Figure 829829DEST_PATH_IMAGE017
或
Figure 174222DEST_PATH_IMAGE018
的组合形式。
进一步地：所述数字量子态
Figure 672200DEST_PATH_IMAGE034
、量子态的操作类型符号“Si”、输出操作后的数字量子态
Figure 178267DEST_PATH_IMAGE035
之间的关系如下：
Figure 332168DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 214674DEST_PATH_IMAGE022
Figure 567157DEST_PATH_IMAGE023
Figure 244126DEST_PATH_IMAGE024
Figure 370477DEST_PATH_IMAGE025
Figure 56673DEST_PATH_IMAGE026
Figure 263663DEST_PATH_IMAGE027
Figure 314796DEST_PATH_IMAGE028
Figure 240027DEST_PATH_IMAGE029
Figure 464334DEST_PATH_IMAGE030
。
通过得到对当前数字量子态的操作类型、根据数字量子态的操作类型，利用信号傅里叶变换、逆傅里叶变换，实现对数字量子态的指定操作。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，所述展示模块根据输入的数字量子态操作类型符号及当前数字量子态，选择合适的可视化方式，展示操作前后的数字量子态：
对于单数字量子态操作类型符号，可以选择Bloch球面、量子电路中的一种展示操作前后的数字量子态；
对于多数字量子态操作类型符号，选择量子电路展示操作前后的数字量子态，可以更直观观测数字量子态操作过程。电子线路表现形式根据设计展示，Bloch球面是直接采用；量子线路的表现形式如图4所示。
利用本发明实施例，可以在常温下对数字量子态进行操作，且可视化节点把该操作过程形象、直观展示出来，让用户对数字量子态操作有个更深的认识。
实施例二：
作为本发明提供的一个实施例，优选的，所述的方法基于数字量子态的操作系统实现，所述数字量子态的操作系统包括：
输入设备：其用于用户输入对量子态操作的逻辑门符号；
接收设备：其用于接收从输入设备输入的对量子态操作的逻辑门符号；
响应模块：其用于量子计算机当前量子态针对接收设备接收到的逻辑门符号做出响应；
展示模块：其用于选择相应的可视化工具对响应模块的结果进行可视化。
基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法，通过当前数字量子态的操作类型；根据数字量子态的操作类型，利用信号傅里叶变换、逆傅里叶变换，实现对数字量子态的指定操作；通过展示模块接收响应模块的操作结果，选择可视化方式，对当前数字量子态及其在操作符作用下的结果展示出来，可以在常温下对数字量子态进行操作，且可视化节点把该操作过程形象、直观展示出来，让用户对数字量子态操作有个更深的认识。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法，其特征在于，包括：
步骤S001：通过输入设备输入数字量子态操作类型符号；
步骤S002：通过接收设备获得数字量子态操作类型符号；
步骤S003：通过操作模块中的计算节点依据数字量子态操作类型符号，基于数字量子态对应的电压信号的傅里叶变换、逆傅里叶变换，实现对数字量子态的可逆操作；
操作模块中的操作节点调用计算节点实现数字量子态的可逆操作接口；
步骤S004：展示模块通过可视化工具对操作前后的数字量子态进行展示。
2.根据权利要求1所述的基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法，其特征在于，所述输入设备为用户对数字量子计算机进行输入操作的设备。
3.根据权利要求1所述的基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法，其特征在于，所述数字量子态操作类型符号包括单数字量子态操作类型符号、多数字量子态操作类型符号；
所述单数字量子态操作类型符号包括H，X，Y，Z，S，T，ST，TT；
所述多数字量子态操作类型符号包括CNOT。
4.根据权利要求3所述的基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法，其特征在于，所述步骤S003中，对数字量子态进行可逆操作的方法为：
步骤S1：将接收的数字量子态操作类型符号标记为S，其中
Figure 628630DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤S2：将t时刻数字量子态对应的电压信号标记为f(t)，则相应的傅里叶变换如下：
Figure 765213DEST_PATH_IMAGE002
Figure 168513DEST_PATH_IMAGE003
其中，T表示函数f(t)的周期，函数
Figure 427456DEST_PATH_IMAGE004
在积分意义下是正交的，即
Figure 181785DEST_PATH_IMAGE005
；t表示时间；ω表示函数f(t)的角频率；e是自然常数；n是下标参数且
Figure 618932DEST_PATH_IMAGE006
，an、bn是相应三角函数的系数；
逆傅里叶变换如下：
Figure 142317DEST_PATH_IMAGE007
；
步骤S3：通过对电压信号傅里叶变换后的信号进行操作，实现可逆运算；操作节点调用计算节点实现的数字量子态的可逆操作接口，实现对数字量子态的操作；即响应模块，接收数字量子态操作类型符号“Si”，
Figure 572161DEST_PATH_IMAGE008
，对当前数字量子态
Figure 485890DEST_PATH_IMAGE009
进行操作，输出操作后的数字量子态
Figure 26593DEST_PATH_IMAGE010
。
5.根据权利要求4所述的基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法，其特征在于，所述操作节点调用计算节点实现数字量子态的可逆操作接口的过程为：
步骤一、对电压信号f(t)进行傅里叶变换为
Figure 670064DEST_PATH_IMAGE011
；
步骤二、对傅里叶变换信号
Figure 5231DEST_PATH_IMAGE012
进行带通滤波，得到特定角频率的信号
Figure 921103DEST_PATH_IMAGE013
，则滤波后的信号
Figure 999917DEST_PATH_IMAGE014
；
其中
Figure 497895DEST_PATH_IMAGE015
C是复数集合；a、b与t时刻数字量子态本征态的系数一致，由于
Figure 3962DEST_PATH_IMAGE016
，则将F’表示成向量形式[a,b]；
步骤三、对F’进行矩阵运算，矩阵为
Figure 157863DEST_PATH_IMAGE017
或
Figure 40369DEST_PATH_IMAGE018
的组合形式。
6.根据权利要求5所述的基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法，其特征在于：所述数字量子态
Figure 392852DEST_PATH_IMAGE019
、量子态的操作类型符号“Si”、输出操作后的数字量子态
Figure 23816DEST_PATH_IMAGE020
之间的关系如下：
Figure 461751DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 882368DEST_PATH_IMAGE022
Figure 354937DEST_PATH_IMAGE023
Figure 140491DEST_PATH_IMAGE024
Figure 65722DEST_PATH_IMAGE025
Figure 290030DEST_PATH_IMAGE026
Figure 804056DEST_PATH_IMAGE027
Figure 88407DEST_PATH_IMAGE028
Figure 500934DEST_PATH_IMAGE029
Figure 263354DEST_PATH_IMAGE030
。
7.根据权利要求1所述的基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法，其特征在于，所述展示模块根据输入的数字量子态操作类型符号及当前数字量子态，选择可视化方式，展示操作前后的数字量子态：
对于单数字量子态操作类型符号，选择Bloch球面、量子电路中的一种展示操作前后的数字量子态；
对于多数字量子态操作类型符号，选择量子电路展示操作前后的数字量子态。
8.根据权利要求1所述的基于冯氏计算机布尔数字逻辑的数字量子态的操作方法，其特征在于，所述的方法基于数字量子态的操作系统实现，所述数字量子态的操作系统包括：
输入设备：其用于用户输入对量子态操作的逻辑门符号；
接收设备：其用于接收从输入设备输入的对量子态操作的逻辑门符号；
响应模块：其用于量子计算机当前量子态针对接收设备接收到的逻辑门符号做出响应；
展示模块：其用于选择相应的可视化工具对响应模块的结果进行可视化。
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