CN114970871A - 量子噪声强度确定方法及装置、电子设备和介质 - Google Patents

量子噪声强度确定方法及装置、电子设备和介质 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种量子噪声强度确定方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品，涉及量子计算机领域，尤其涉及量子噪声缓释技术领域。实现方案为：获取最大混态；重复运行量子测量设备以对最大混态进行第一数值次数的测量，以获得测量结果；在所获取的最大叠加态的每一个量子比特上施加相位门；对相位θ进行多次采样，以使得对于采样得到的每一个θ值，重复运行量子测量设备以对最大叠加态进行第二数值次数的测量，以获得测量结果；对最大混态的测量结果以及每一个θ值所对应的所述最大叠加态的测量结果进行统计，以获得第一概率值和第二概率值；以及基于第一概率值和第二概率值之间的差值，确定量子测量设备的量子噪声强度。

Description

量子噪声强度确定方法及装置、电子设备和介质
技术领域
本公开涉及量子计算机领域，尤其涉及量子噪声缓释技术领域，具体涉及一种量子测量设备的量子噪声强度确定方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。
背景技术
量子计算机技术在近几年得到了飞速发展，但是在可预见的未来量子计算机中的噪声问题是难以避免的：量子比特中的热量耗散或是更底层的量子物理过程中产生的随机波动，将使得量子比特的状态翻转或随机化，以及测量设备读取计算结果出现偏差，都可能导致计算过程失败。
具体地，由于仪器、方法、条件等种种因素的局限，量子测量设备无法精准工作从而产生测量噪声，使得实际测量值出现偏差。因此，通常需要降低测量噪声的影响，以期得到测量结果的无偏估计。
发明内容
本公开提供了一种量子测量设备的量子噪声强度确定方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。
根据本公开的一方面，提供了一种量子测量设备的量子噪声强度确定方法，包括：获取n量子比特的最大混态，其中n为所述量子测量设备的量子比特数；重复运行所述量子测量设备以对所述最大混态进行第一数值次数的测量，以获得测量结果；获取n量子比特的最大叠加态；在所述最大叠加态的每一个量子比特上施加相位门，其中所述相位门包括可调节的相位θ；对所述相位θ进行多次采样，以使得对于采样得到的每一个θ值，重复运行所述量子测量设备以对施加相对应的相位门后的所述最大叠加态进行第二数值次数的测量，以获得测量结果；对所述最大混态的测量结果进行统计，以获得所述最大混态所对应的至少一个测量结果各自出现的第一概率值；分别对每一个θ值所对应的所述最大叠加态的测量结果进行统计，以获得所述最大叠加态所对应的所述至少一个测量结果各自出现的第二概率值；以及基于所述第一概率值和所述第二概率值之间的差值，确定所述量子测量设备的量子噪声强度。
根据本公开的另一方面，提供了一种量子测量设备错误缓释方法，包括：确定所述量子测量设备的量子噪声强度；以及基于所确定的量子噪声强度，通过量子测量设备层析方法或量子测量设备校准方法对所述量子测量设备进行错误缓释，其中，所述量子测量设备的量子噪声强度基于本公开所述的方法进行确定。
根据本公开的另一方面，提供了一种量子测量设备的量子噪声强度确定装置，包括：第一获取单元，配置为获取n量子比特的最大混态，其中n为所述量子测量设备的量子比特数；第一测量单元，配置为重复运行所述量子测量设备以对所述最大混态进行第一数值次数的测量，以获得测量结果；第二获取单元，配置为获取n量子比特的最大叠加态；设置单元，配置为在所述最大叠加态的每一个量子比特上施加相位门，其中所述相位门包括可调节的相位θ；第二测量单元，配置为对所述相位θ进行多次采样，以使得对于采样得到的每一个θ值，重复运行所述量子测量设备以对施加相对应的相位门后的所述最大叠加态进行第二数值次数的测量，以获得测量结果；第一统计单元，配置为对所述最大混态的测量结果进行统计，以获得所述最大混态所对应的至少一个测量结果各自出现的第一概率值；第二统计单元，配置为分别对每一个θ值所对应的所述最大叠加态的测量结果进行统计，以获得所述最大叠加态所对应的所述至少一个测量结果各自出现的第二概率值；以及第一确定单元，配置为基于所述第一概率值和所述第二概率值之间的差值，确定所述量子测量设备的量子噪声强度。
根据本公开的另一方面，提供了一种量子测量设备错误缓释装置，包括：第二确定单元，配置为确定所述量子测量设备的量子噪声强度；以及第三确定单元，配置为基于所确定的量子噪声强度，通过量子测量设备层析方法或量子测量设备校准方法对所述量子测量设备进行错误缓释，其中，所述量子测量设备的量子噪声强度基于本公开所述的方法进行确定。
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；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，该指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行本公开所述的方法。
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所述的方法。
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，该计算机程序在被处理器执行时实现本公开所述的方法。
根据本公开的一个或多个实施例，通过最大混态以及相位门调制后的最大叠加态，可以高效地估计各种情况下的量子噪声强度，进而可以基于所确定的量子噪声强度判断是否需要耗费更多资源去刻画量子测量设备的全部信息，从而提高计算结果精度。
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
附图示例性地示出了实施例并且构成说明书的一部分，与说明书的文字描述一起用于讲解实施例的示例性实施方式。所示出的实施例仅出于例示的目的，并不限制权利要求的范围。在所有附图中，相同的附图标记指代类似但不一定相同的要素。
图1示出了根据本公开的实施例的可以在其中实施本文描述的各种方法的示例性系统的示意图；
图2示出了通过量子测量设备校准方法进行错误缓释的流程图；
图3示出了根据本公开的实施例的量子测量设备的量子噪声强度确定方法的流程图；
图4示出了根据本公开的实施例的用于获取最大混态的量子电路示意图；
图5示出了根据本公开的实施例的用于获取调制后的最大叠加态的量子电路示意图；
图6示出了根据本公开的实施例的模拟得到的噪声曲线和拟合曲线的示意图；
图7示出了根据本公开的实施例的量子测量设备错误缓释方法的流程图；
图8示出了根据本公开的实施例的量子测量设备的量子噪声强度确定装置的结构框图；
图9示出了根据本公开的实施例的量子测量设备错误缓释装置的结构框图；以及
图10示出了能够用于实现本公开的实施例的示例性电子设备的结构框图。
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。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。
在本公开中，除非另有说明，否则使用术语“第一”、“第二”等来描述各种要素不意图限定这些要素的位置关系、时序关系或重要性关系，这种术语只是用于将一个元件与另一元件区分开。在一些示例中，第一要素和第二要素可以指向该要素的同一实例，而在某些情况下，基于上下文的描述，它们也可以指代不同实例。
在本公开中对各种所述示例的描述中所使用的术语只是为了描述特定示例的目的，而并非旨在进行限制。除非上下文另外明确地表明，如果不特意限定要素的数量，则该要素可以是一个也可以是多个。此外，本公开中所使用的术语“和/或”涵盖所列出的项目中的任何一个以及全部可能的组合方式。
下面将结合附图详细描述本公开的实施例。
迄今为止，正在应用中的各种不同类型的计算机都是以经典物理学为信息处理的理论基础，称为传统计算机或经典计算机。经典信息系统采用物理上最容易实现的二进制数据位存储数据或程序，每一个二进制数据位由0或1表示，称为一个位或比特，作为最小的信息单元。经典计算机本身存在着不可避免的弱点：一是计算过程能耗的最基本限制。逻辑元件或存储单元所需的最低能量应在kT的几倍以上，以避免在热胀落下的误动作；二是信息熵与发热能耗；三是计算机芯片的布线密度很大时，根据海森堡不确定性关系，电子位置的不确定量很小时，动量的不确定量就会很大。电子不再被束缚，会有量子干涉效应，这种效应甚至会破坏芯片的性能。
量子计算机(quantum computer)是一类遵循量子力学性质、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设备。当某个设备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。量子计算机遵循着独一无二的量子动力学规律(特别是量子干涉)来实现一种信息处理的新模式。对计算问题并行处理，量子计算机比起经典计算机有着速度上的绝对优势。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果，这种计算称为量子并行计算。量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作，例如一个很大的自然数的因子分解。量子相干性在所有的量子超快速算法中得到了本质性的利用。因此，用量子态代替经典态的量子并行计算，可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能，同时节省了大量的运算资源。
随着量子计算机技术的飞速发展，由于其强大的计算能力和较快的运行速度，量子计算机的应用范围越来越广。例如，化学模拟是指将真实化学体系的哈密顿量映射到物理上可操作哈密顿量，然后调制参数和演化时间，以找到能够反映真实化学体系的本征态的过程。在经典计算机上对一个N电子化学体系进行模拟时，涉及到2N维薛定谔方程的求解，计算量会随体系电子数的增加而呈指数式递增。因此经典计算机在化学模拟问题上作用十分有限。想要突破这一瓶颈，就必须依靠量子计算机强大的计算能力。量子本征求解器算法(Variational Quantum Eigensolver，VQE)是一种在量子硬件上进行化学模拟的高效量子算法，是量子计算机近期最有前途的应用之一，开启许多新的化学研究领域。但是现阶段量子计算机测量噪声率明显限制了VQE的能力，因此必须首先处理好量子测量噪声问题。
量子本征求解器算法VQE的一个核心计算过程是估计期望值Tr[Oρ]，其中ρ是由量子计算机生成的n量子比特的量子态(n-qubit quantum state)，而n量子比特可观测量O是真实化学体系的哈密顿量映射到物理上可操作哈密顿量。上述过程是量子计算提取经典信息的最一般形式，有着广泛的应用，可认为是从量子信息中读取经典信息的核心步骤。一般地，可以假设O是一个计算基下的对角矩阵，因此理论上可以通过以下公式计算期望值Tr[Oρ]：
Figure BDA0003673028560000061
其中，O(i)表示O的第i行第i列元素(假设矩阵元素索引从0开始编号)。上述量子计算过程可以如图1所示，其中，将量子计算机101生成n量子比特量子态ρ并将该量子态ρ经由量子测量设备102进行测量以获得测量结果的过程执行M次，统计输出结果i的次数Mi，估算出ρ(i)≈Mi/M，进而可以通过经典计算机103估算出Tr[Oρ]。示例地，量子测量设备102可以通过n(正整数)个单量子比特测量设备1021实现对n量子比特量子态ρ进行测量以获得测量结果。大数定律可以保证当M足够大的时候，上述估算过程是正确的。
可以理解的是，量子计算机101和量子测量设备102的组合为通常意义上的量子计算机或量子设备。
但是在物理实现中，由于仪器、方法、条件等种种因素的局限，量子测量设备无法精准工作从而产生测量噪声，使得实际估算出的值Mi/M和ρ(i)有偏差，导致利用上述公式计算Tr[Oρ]出现错误。
而噪声的来源既可能是经典噪声，也可能是量子噪声。具体地，对于：
Figure BDA0003673028560000062
Figure BDA0003673028560000063
在量子测量设备不含噪声的理想情况下，相对应的测量POVM(PositiveOperator-Valued Measure，正算子取值测度)表示为：
Figure BDA0003673028560000064
Figure BDA0003673028560000065
其中，上标i表示没有噪声(ideal)。在量子测量设备含有量子噪声的情况下，相对应的测量POVM(Positive Operator-Valued Measure，正算子取值测度)表示为：
Figure BDA0003673028560000066
Figure BDA0003673028560000071
其中，
Figure BDA0003673028560000072
为半正定矩阵、上标q表示量子噪声(quantum)。在量子测量设备只含经典噪声的情况下，相对应的测量POVM(Positive Operator-Valued Measure，正算子取值测度)表示为：
Figure BDA0003673028560000073
Figure BDA0003673028560000074
其中上标c表示经典噪声(classical)。上述x∈{0,1}n，表示量子测量设备的输出结果。
也就是说，在通过上述测量基对输出量子态进行测量、以确定相对应的输出结果时可能存在误差。最终，导致统计输出结果i的次数Mi可能不准确。
如果量子测量设备中存在量子噪声的话，必须要对量子测量设备进行量子测量设备层析方法(Quantum Measurement Tomography)才能获取噪声的全部信息并进行错误缓释工作；另一方面，如果量子测量设备中只存在经典噪声的话，只需要要对量子测量设备进行量子测量设备校准方法(Quantum Measurement Calibration)就可以获取噪声的全部信息并进行错误缓释工作。相对校准方法，层析方法能提取更多的信息，但是消耗的资源也更多。
以单量子比特为例，假设分别制备了大量|0>态和|1>态，经过量子测量设备测量后得到测量结果，发现得到x＝0测量结果的概率分别为0.9和0.2，x＝1测量结果的概率分别为0.1和0.8。可以写出对应的观测算符：
Figure BDA0003673028560000075
Figure BDA0003673028560000076
由于
Figure BDA0003673028560000077
可以确定γ1,γ2之间数值上的关系。这里的γ1,γ2就是量子噪声的来源，是通常只能通过层析方法才能刻画的量。
而量子测量设备层析方法和量子测量设备校准方法均是用于对量子测量设备进行错误缓释的常用技术。
量子测量设备层析方法制备不同的输入态并使用量子测量设备进行测量，根据统计数据来构造测量算符Πq。通过层析方法得到的测量算符可以完整地刻画出量子测量设备的量子噪声性质。但是，层析方法虽然可以将量子噪声完整地刻画出来，但量子态和测量基需要张成整个量子空间，因此层析代价非常高昂，需要的资源为O(4n)(n为量子测量设备量子比特数)。
量子测量设备校准方法通过运行校准电路所生成的校准数据，构建出经典矩阵Πc，该矩阵刻画了含噪量子测量设备的经典噪声信息，在后续需要执行某个具体量子计算任务时，可以利用已得到的校准矩阵Πc处理这个任务对应的量子电路所生成的含噪输出数据，从而缓释输出数据的误差。
示例地，在利用校准方法对测量设备进行错误缓释的过程中，通常，可以先校准测量设备然后纠正测量设备输出结果，其工作流程可以如图2所示。在这个测量噪声处理基本流程中，实验人员首先制备很多校准电路(步骤210)，然后将这些校准电路在实际测量设备中运行(步骤220)，以探测测量设备的基本信息。具体地，可以在如图1所示的系统中通过量子计算机101构造相应的校准电路，以获得相应的标准基量子态。标准基量子态经测量设备102多次测量后生成校准数据(步骤230)。利用生成的校准数据，可以构造得到一个校准矩阵A(步骤240)，该矩阵刻画了含噪测量设备的经典噪声信息。后续当需要执行某个具体量子计算任务时，可以首先构造计算任务所对应的量子电路(步骤S10)，并在实际设备中运行这个任务对应的量子电路(步骤S20)，并获得量子电路的含噪输出数据{Mi}i(步骤S30)。随后，可以利用已得到的校准矩阵A后处理这些含噪数据(步骤S40)：
Figure BDA0003673028560000081
其中，A-1表示校准矩阵A的逆。通过校准之后的概率分布p近似{ρ(i)}i，进而计算期望值Tr[Oρ](步骤S50)，可以有效消除经典噪声的影响，从而提高计算期望值的精度。
量子测量设备校准方法虽然需要的计算资源相对较低，但是只能刻画经典噪声。经典噪声只能反映出测量设备噪声的部分来源，比如统计误差这类在后续的数据处理中可以通过统计方法来缓释的噪声，然而如果量子测量设备的量子噪声比较显著，噪声的主要来源是量子噪声，此时获得的含噪测量数据无论通过何种高明的统计手段，都无法准确缓释其误差。
因此，如何高效快速地估计量子测量设备中的量子噪声强度将是必要的。基于估计出来的量子噪声强度，动态决定使用量子测量设备层析方法还是量子测量设备校准方法来处理量子测量设备的噪声，从而节约量子测量噪声处理所消耗的资源。
根据本公开的实施例，提供了一种量子测量设备的量子噪声强度确定方法。图3示出了根据本公开的实施例的量子噪声强度确定方法的流程图。如图3所示，该方法300包括：获取n量子比特的最大混态，其中n为所述量子测量设备的量子比特数(步骤310)；重复运行所述量子测量设备以对所述最大混态进行第一数值次数的测量，以获得测量结果(步骤320)；获取n量子比特的最大叠加态(步骤330)；在所述最大叠加态的每一个量子比特上施加相位门，其中所述相位门包括可调节的相位θ(步骤340)；对所述相位θ进行多次采样，以使得对于采样得到的每一个θ值，重复运行所述量子测量设备以对施加相对应的相位门后的所述最大叠加态进行第二数值次数的测量，以获得测量结果(步骤350)；对所述最大混态的测量结果进行统计，以获得所述最大混态所对应的至少一个测量结果各自出现的第一概率值(步骤360)；分别对每一个θ值所对应的所述最大叠加态的测量结果进行统计，以获得所述最大叠加态所对应的所述至少一个测量结果各自出现的第二概率值(步骤370)；以及基于所述第一概率值和所述第二概率值之间的差值，确定所述量子测量设备的量子噪声强度(步骤380)。
根据本公开的实施例，通过最大混态以及相位门调制后的最大叠加态，可以高效地估计各种情况下的量子噪声强度，进而可以基于所确定的量子噪声强度判断是否需要耗费更多资源去刻画量子测量设备的全部信息，从而提高计算结果精度。
通过量子测量设备对相应的量子态进行测量所获得的测量结果为二进制字符串，即测量结果为x，x∈{0,1}n。不同形式的x即为不同的测量结果。可以对预设的一个或多个测量结果(例如所有可能的测量结果)的出现次数进行统计，以获得该一个或多个测量结果的概率分布。
可以理解的是，通过本公开所述的方法，能够确定所有测量结果(x∈{0,1}n)的概率分布。
在本公开中，通过相位门引入了可变参数θ，通过不断调节其参数值，可以估计各种情况下的量子噪声强度，大大提高了本公开方法的适用场景和量子噪声的估计精确度。也就是说，根据本公开的方法，不仅可以在POVM元的非对角元之和不等于零(对应于相位门的参数θ等于0)时确定量子噪声强度，还能够在POVM元的非对角元之和等于零时准确判断其量子噪声强度。
示例地，在根据本公开的一个实施例中，估计n量子比特的量子测量设备的量子噪声强度，可以包括以下步骤：
第一步：制备最大混态：
Figure BDA0003673028560000101
I是2n维的单位矩阵。
第二步：重复运行含噪量子测量设备共N1次，统计输出结果为二进制字符串x的次数Nx|π，其中x∈{0,1}n，∑xNx|π＝N1。
第三步：制备最大叠加态
Figure BDA0003673028560000102
y和z均为二进制字符串，即y,z∈{0,1}n。
第四步：在最大叠加态的每一个量子比特上施加相位门
Figure BDA0003673028560000103
Figure BDA0003673028560000104
从而得到作用后量子态：
Figure BDA0003673028560000105
其中，|y|和|z|分别表示y的汉明权重和z的汉明权重，即y和z中各自包含的“1”的个数。
第五步：对不同的相位θ进行采样，从而对于每一个相位θ，重复运行含噪测量设备共N2次，并统计输出结果为二进制字符串x的次数
Figure BDA0003673028560000106
其中x∈{0,1}n，
Figure BDA0003673028560000107
第六步：对获取的数据集进行归一化处理，除以其相对对应的测量设备运行次数N1或N2，获得输出结果的概率分布，如下所示：
Px|π＝Nx|π/N1
Figure BDA0003673028560000111
如上所述，可以得到：
Figure BDA0003673028560000112
Figure BDA0003673028560000113
其中，
Figure BDA0003673028560000114
表示
Figure BDA0003673028560000115
的第y行第z列元素，
Figure BDA0003673028560000116
同理。
理论上证明了最大混态的统计结果仅仅刻画了经典噪声的大小，而相位门调制的最大叠加态的测量结果刻画了经典噪声和量子噪声的大小，二者的差值可以被傅里叶级数展开式刻画。因此，可以将实验统计数据按照预设的傅里叶级数展开式进行拟合，拟合得到的结果即可用来定量刻画量子噪声强度。
具体地，对比上面的Px|π和
Figure BDA0003673028560000117
的表达式，可以看出，二者的差值在一定程度上刻画了量子噪声的强度。将两个输入态对应的概率分布相减再乘以2n，得到：
Figure BDA0003673028560000118
将上述公式进行傅里叶级数展开，以获得相应的傅里叶级数展开式：
Figure BDA0003673028560000119
其中，系数2利用了POVM算符的共轭性质，
Figure BDA00036730285600001110
和
Figure BDA00036730285600001111
分别表示测量结果矩阵的第y行第z列的实部和虚部。可以看到，在相位门的作用下，得到了一组完备正交基<cos(mθ),sin(mθ)>，其中m＝(|y|-|z|)∈[0,n]，n为量子比特数。这使得POVM元的每一个非对角元可以在这一组基下展开，展开的系数即为具有相同的汉明权重差(即m＝(|y|-|z|)的POVM元非对角元的和。可以看出，<cos(mθ)>提取非对角元的实数信息，<sin(mθ)>提取非对角元的虚数信息。
因此，根据上面所述的傅里叶级数展开式的形式进行函数拟合，即可得到相应的系数。根据一些实施例，确定量子测量设备的量子噪声强度可以包括：对于所述至少一个测量结果中的每一个测量结果，基于所有采样得到的θ值和相对应的差值，根据预设的傅里叶级数展开式进行函数拟合；确定拟合得到的所述傅里叶级数展开式的系数，以基于所述系数确定所述量子测量设备的量子噪声强度。
具体地，以2比特为例，
Figure BDA0003673028560000121
Figure BDA0003673028560000122
其中，
Figure BDA0003673028560000123
可以看到，每一项按照傅里叶级数展开的系数刻画了输出结果为二进制字符串x的量子噪声强度。从而，对于输出结果x，将其对应的各个θ对应的差值按照上述
Figure BDA0003673028560000124
公式进行函数拟合，以获得当前输出结果x所对应的系数a0、a1、a2、b1和b2的值。其中，a0即表示POVM元的第3行第2列元素的实数信息、a1即表示POVM元的第2行第1列元素、第2行第1列元素、第4行第2列元素、第4行第2列元素的实数信息之和……。基于上述系数即可确定POVM元的非对角元元素。通过将预设θ所对应的POVM元的非对角元素(即gθ)、或者当前输出结果x所对应POVM元的非对角元素(即gx)与预先设置的容错率∈进行比较，即可判断量子噪声效应是否显著。
示例地，如果预设非对角元元素所对应的系数am＞＞∈或者bm＞＞∈，即可认为量子噪声显著，这时可以使用测量层析技术对含噪测量设备进行错误缓释；如果am＜＜∈且bm＜＜∈，即可认为量子噪声较小，这时可以使用测量校准技术对含噪测量设备进行错误缓释。
可以理解的是，相位θ的取值范围为[0,2π]。而且，对相位θ的采样次数越多(相位θ取值越全面)，对量子噪声的刻画越精准。因此，可以根据实际需求预设设置采样次数。
在一些实施例中，对于预设的一个或多个测量结果x(例如所有可能的测量结果x)，可以将其所对应的非对角元元素(基于拟合得到的系数确定)分别进行相加，以将相加后的非对角元元素与预设的容错率∈进行比较，以判断该量子测量设备对于特定测量结果的量子噪声水平。
根据本公开所述的方法，可以适用于所有量子测量设备，用以刻画量子测量设备的量子噪声强度，即使对于量子噪声强度不显著的测量设备，该方法也可以用于获取
Figure BDA0003673028560000131
的非对角元之和大小，即gx的大小，从而确定该量子测量设备的量子噪声强度。
根据一些实施例，通过预设的第一量子电路获取所述最大混态。所述第一量子电路包括n个处于基态的量子比特、n个H门、n个辅助量子比特以及n个受控非门。所述n个H门分别作用于所述n个处于基态的量子比特，并且，在作用所述H门之后、在所述n个处于基态的量子比特与相对应的辅助量子比特之间分别作用受控非门，所述n个处于基态的量子比特和所述n个辅助量子比特一一对应。
具体地，最大混态的制备可以借助“纯化”方法。以制备2个量子比特对应的最大混态为例，获取2个处于基态的量子比特，并额外引入2个辅助量子比特。将4个量子比特两两配对，第1个量子比特与第3个量子比特配对以制备纠缠态，第2个量子比特与第4个量子比特配对。最后，只观测配对的量子比特中的一半，即只观测前2个量子比特或者后2个量子比特，得到的就是最大混态所对应的观测结果。其中，纠缠态的制备可以是给量子比特对中的一个量子比特施加H门，然后再与另一个量子比特作用CNot门(受控非门)，如图4中的量子电路图所示。
可以理解的是，这里仅仅是用于制备最大混态的一种示例性方法，其中还包括用于制备最大混态的其他可选方法，并且并不限于以|0>态作为输入，在此不再赘述。
根据一些实施例，通过预设的第二量子电路获得所述最大叠加态。所述第二量子电路包括n个处于基态的量子比特、以及n个H门。所述n个H门分别作用于所述n个处于基态的量子比特。
具体地，以制备2个量子比特对应的最大叠加态为例，最大叠加态的制备可以是将2个处于基态的量子比特加上H门得到的。进一步地，在所得到的最大叠加态的每一个量子比特上施加相位门，得到相位调制的最大叠加态，如图5所示。
可以理解的是，这里仅仅是用于制备最大叠加态的一种示例性方法，其中还包括用于制备最大叠加态的其他可选方法，并且并不限于以|0>态作为输入，在此不再赘述。
在根据本公开实施例所述的方法的一个示例性应用中，为了使拟合过程更直观，通过泡利X测量来模拟相对理想的泡利Z测量的含噪测量。示例地，泡利X测量可以通过在泡利Z测量之前作用H门(Hadamard)得到，这将会给泡利Z测量对应的POVM元的非对角元引入实数。在泡利X测量下，以2比特为例，可以得到如下POVM元：
Figure BDA0003673028560000141
Figure BDA0003673028560000142
由此，可以得到对应的
Figure BDA0003673028560000143
如下所示：
Figure BDA0003673028560000144
得到理论计算值后，在LocalBaiduSim2量子模拟器上，按照上述方案搭建量子电路，θ取值范围为[0,2π]，得到如图6所示的噪声曲线与傅里叶拟合(Fourier Fitting)曲线，以及表1所示的拟合数据。
Figure BDA0003673028560000151
表1
根据图6和表1可以看出，拟合的结果与理论值相等，证明了根据本公开实施例的方法有效。
因此，如图7所示，根据本公开的实施例，还提供了一种量子测量设备错误缓释方法700，包括：确定所述量子测量设备的量子噪声强度(步骤710)；以及基于所确定的量子噪声强度，通过量子测量设备层析方法或量子测量设备校准方法对所述量子测量设备进行错误缓释(步骤720)。所述量子测量设备的量子噪声强度可以基于上面任一个实施例所述的方法进行确定。
示例地，在通过上述实施例所述的方法确定量子测量设备的量子噪声强度较为显著(相应的am＞＞∈或者bm＞＞∈)时，则通过量子测量设备层析方法对所述量子测量设备进行错误缓释；否则通过量子测量设备校准方法对所述量子测量设备进行错误缓释。
根据本公开的实施例，如图8所示，还提供了一种量子测量设备的量子噪声强度确定装置800，包括：第一获取单元810，配置为获取n量子比特的最大混态，其中n为所述量子测量设备的量子比特数；第一测量单元820，配置为重复运行所述量子测量设备以对所述最大混态进行第一数值次数的测量，以获得测量结果；第二获取单元830，配置为获取n量子比特的最大叠加态；设置单元840，配置为在所述最大叠加态的每一个量子比特上施加相位门，其中所述相位门包括可调节的相位θ；第二测量单元850，配置为对所述相位θ进行多次采样，以使得对于采样得到的每一个θ值，重复运行所述量子测量设备以对施加相对应的相位门后的所述最大叠加态进行第二数值次数的测量，以获得测量结果；第一统计单元860，配置为对所述最大混态的测量结果进行统计，以获得所述最大混态所对应的至少一个测量结果各自出现的第一概率值；第二统计单元870，配置为分别对每一个θ值所对应的所述最大叠加态的测量结果进行统计，以获得所述最大叠加态所对应的所述至少一个测量结果各自出现的第二概率值；以及第一确定单元880，配置为基于所述第一概率值和所述第二概率值之间的差值，确定所述量子测量设备的量子噪声强度。
这里，量子测量设备的量子噪声强度确定装置800的上述各单元810～880的操作分别与前面描述的步骤310～380的操作类似，在此不再赘述。
根据本公开的实施例，如图9所示，还提供了一种量子测量设备错误缓释装置900，包括：第二确定单元910，配置为确定所述量子测量设备的量子噪声强度；以及第三确定单元920，配置为基于所确定的量子噪声强度，通过量子测量设备层析方法或量子测量设备校准方法对所述量子测量设备进行错误缓释。所述量子测量设备的量子噪声强度可以基于上面任一个实施例所述的方法进行确定。
根据本公开的实施例，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。
参考图10，现将描述可以作为本公开的服务器或客户端的电子设备1000的结构框图，其是可以应用于本公开的各方面的硬件设备的示例。电子设备旨在表示各种形式的数字电子的计算机设备，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/或者要求的本公开的实现。
如图10所示，电子设备1000包括计算单元1001，其可以根据存储在只读存储器(ROM)1002中的计算机程序或者从存储单元1008加载到随机访问存储器(RAM)1003中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 1003中，还可存储电子设备1000操作所需的各种程序和数据。计算单元1001、ROM 1002以及RAM 1003通过总线1004彼此相连。输入/输出(I/O)接口1005也连接至总线1004。
电子设备1000中的多个部件连接至I/O接口1005，包括：输入单元1006、输出单元1007、存储单元1008以及通信单元1009。输入单元1006可以是能向电子设备1000输入信息的任何类型的设备，输入单元1006可以接收输入的数字或字符信息，以及产生与电子设备的用户设置和/或功能控制有关的键信号输入，并且可以包括但不限于鼠标、键盘、触摸屏、轨迹板、轨迹球、操作杆、麦克风和/或遥控器。输出单元1007可以是能呈现信息的任何类型的设备，并且可以包括但不限于显示器、扬声器、视频/音频输出终端、振动器和/或打印机。存储单元1008可以包括但不限于磁盘、光盘。通信单元1009允许电子设备1000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，并且可以包括但不限于调制解调器、网卡、红外通信设备、无线通信收发机和/或芯片组，例如蓝牙TM设备、802.11设备、WiFi设备、WiMax设备、蜂窝通信设备和/或类似物。
计算单元1001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1001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1001执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法300或700。例如，在一些实施例中，方法300或700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1008。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 1002和/或通信单元1009而被载入和/或安装到电子设备1000上。当计算机程序加载到RAM 1003并由计算单元1001执行时，可以执行上文描述的方法300或700的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元1001可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法300或700。
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)、复杂可编程逻辑设备(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。服务器可以是云服务器，也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。
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、也可以顺序地或以不同的次序执行，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。
虽然已经参照附图描述了本公开的实施例或示例，但应理解，上述的方法、系统和设备仅仅是示例性的实施例或示例，本发明的范围并不由这些实施例或示例限制，而是仅由授权后的权利要求书及其等同范围来限定。实施例或示例中的各种要素可以被省略或者可由其等同要素替代。此外，可以通过不同于本公开中描述的次序来执行各步骤。进一步地，可以以各种方式组合实施例或示例中的各种要素。重要的是随着技术的演进，在此描述的很多要素可以由本公开之后出现的等同要素进行替换。

Claims (13)

1.一种量子测量设备的量子噪声强度确定方法，包括：
获取n量子比特的最大混态，其中n为所述量子测量设备的量子比特数；
重复运行所述量子测量设备以对所述最大混态进行第一数值次数的测量，以获得测量结果；
获取n量子比特的最大叠加态；
在所述最大叠加态的每一个量子比特上施加相位门，其中所述相位门包括可调节的相位θ；
对所述相位θ进行多次采样，以使得对于采样得到的每一个θ值，重复运行所述量子测量设备以对施加相对应的相位门后的所述最大叠加态进行第二数值次数的测量，以获得测量结果；
对所述最大混态的测量结果进行统计，以获得所述最大混态所对应的至少一个测量结果各自出现的第一概率值；
分别对每一个θ值所对应的所述最大叠加态的测量结果进行统计，以获得所述最大叠加态所对应的所述至少一个测量结果各自出现的第二概率值；以及
基于所述第一概率值和所述第二概率值之间的差值，确定所述量子测量设备的量子噪声强度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述量子测量设备的量子噪声强度包括：
对于所述至少一个测量结果中的每一个测量结果，基于所有采样得到的θ值和相对应的差值，根据预设的傅里叶级数展开式进行函数拟合；
确定拟合得到的所述傅里叶级数展开式的系数，以基于所述系数确定所述量子测量设备的量子噪声强度。
3.如权利要求1所述的方法，其中，通过预设的第一量子电路获取所述最大混态，其中，
所述第一量子电路包括n个处于基态的量子比特、n个H门、n个辅助量子比特以及n个受控非门，并且其中，
所述n个H门分别作用于所述n个处于基态的量子比特，并且，在作用所述H门之后、在所述n个处于基态的量子比特与相对应的辅助量子比特之间分别作用受控非门，所述n个处于基态的量子比特和所述n个辅助量子比特一一对应。
4.如权利要求1或3所述的方法，其中，通过预设的第二量子电路获得所述最大叠加态，其中，
所述第二量子电路包括n个处于基态的量子比特、以及n个H门，并且其中，
所述n个H门分别作用于所述n个处于基态的量子比特。
5.一种量子测量设备错误缓释方法，包括：
确定所述量子测量设备的量子噪声强度；以及
基于所确定的量子噪声强度，通过量子测量设备层析方法或量子测量设备校准方法对所述量子测量设备进行错误缓释，
其中，所述量子测量设备的量子噪声强度基于权利要求1-4中任一项所述的方法进行确定。
6.一种量子测量设备的量子噪声强度确定装置，包括：
第一获取单元，配置为获取n量子比特的最大混态，其中n为所述量子测量设备的量子比特数；
第一测量单元，配置为重复运行所述量子测量设备以对所述最大混态进行第一数值次数的测量，以获得测量结果；
第二获取单元，配置为获取n量子比特的最大叠加态；
设置单元，配置为在所述最大叠加态的每一个量子比特上施加相位门，其中所述相位门包括可调节的相位θ；
第二测量单元，配置为对所述相位θ进行多次采样，以使得对于采样得到的每一个θ值，重复运行所述量子测量设备以对施加相对应的相位门后的所述最大叠加态进行第二数值次数的测量，以获得测量结果；
第一统计单元，配置为对所述最大混态的测量结果进行统计，以获得所述最大混态所对应的至少一个测量结果各自出现的第一概率值；
第二统计单元，配置为分别对每一个θ值所对应的所述最大叠加态的测量结果进行统计，以获得所述最大叠加态所对应的所述至少一个测量结果各自出现的第二概率值；以及
第一确定单元，配置为基于所述第一概率值和所述第二概率值之间的差值，确定所述量子测量设备的量子噪声强度。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述第一确定单元配置为执行以下操作：
对于所述至少一个测量结果中的每一个测量结果，基于所有采样得到的θ值和相对应的差值，根据预设的傅里叶级数展开式进行函数拟合；
确定拟合得到的所述傅里叶级数展开式的系数，以基于所述系数确定所述量子测量设备的量子噪声强度。
8.如权利要求6所述的装置，其中，通过预设的第一量子电路获取所述最大混态，其中，
所述第一量子电路包括n个处于基态的量子比特、n个H门、n个辅助量子比特以及n个受控非门，并且其中，
所述n个H门分别作用于所述n个处于基态的量子比特，并且，在作用所述H门之后、在所述n个处于基态的量子比特与相对应的辅助量子比特之间分别作用受控非门，所述n个处于基态的量子比特和所述n个辅助量子比特一一对应。
9.如权利要求6或8所述的装置，其中，通过预设的第二量子电路获得所述最大叠加态，其中，
所述第二量子电路包括n个处于基态的量子比特、以及n个H门，并且其中，
所述n个H门分别作用于所述n个处于基态的量子比特。
10.一种量子测量设备错误缓释装置，包括：
第二确定单元，配置为确定所述量子测量设备的量子噪声强度；以及
第三确定单元，配置为基于所确定的量子噪声强度，通过量子测量设备层析方法或量子测量设备校准方法对所述量子测量设备进行错误缓释，
其中，所述量子测量设备的量子噪声强度基于权利要求1-4中任一项所述的方法进行确定。
11.一种电子设备，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1-5中任一项所述的方法。
12.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行根据权利要求1-5中任一项所述的方法。
13.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其中，所述计算机程序在被处理器执行时实现权利要求1-5中任一项所述的方法。
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