CN115146779B - Qnd保真度的确定方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

Qnd保真度的确定方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本公开提供了QND保真度的确定方法、装置、设备及存储介质，涉及计算机领域，尤其涉及量子计算领域。具体实现方案为：确定对第k个输入量子态进行量子测量后得到的子量子非破坏性QND保真度Qk；其中，所述k为0，1，2...N‑1中任意值，所述N为大于等于1的自然数，表示所需的输入量子态的数量；基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，其中，所述目标QND保真度用于度量所述量子测量是否满足QND性质。这样，能够基于目标QND保真度来有效对量子测量的量子非破坏性QND性质进行度量。

Description

QND保真度的确定方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本公开涉及计算机技术领域，尤其涉及量子计算领域。
背景技术
量子计算机有望解决经典计算机所不能有效解决的问题，具有广泛的应用前景，因而获得了科研界和工业界的极大关注。然而，在实验上搭建一台通用量子计算机是具有相当难度的。为了衡量一个物理体系是否适合实现通用量子计算机，同时为了指导量子计算机的搭建，Divincenzo提出了广为使用的准则，包括可拓展的量子比特、量子比特的初始化、长相干时间、通用量子门以及量子比特的读取，共五条准则，称为Divincenzo准则。显然，量子比特的读取在搭建量子计算机的过程中是不可或缺的一个重要环节。
发明内容
本公开提供了一种QND保真度的确定方法、装置、设备及存储介质。
根据本公开的一方面，提供了一种QND保真度的确定方法，包括：
确定对第k个输入量子态进行量子测量后得到的子量子非破坏性QND保真度Qk；其中，所述k为0,1,2…N-1中任意值，所述N为大于等于1的自然数，为所需的输入量子态的数量；
基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，其中，所述目标QND保真度用于度量所述量子测量是否满足QND性质。
根据本公开的另一方面，提供了一种QND保真度的确定装置，包括：
子保真度确定单元，用于确定对第k个输入量子态进行量子测量后得到的子量子非破坏性QND保真度Qk；其中，所述k为0,1,2…N-1中任意值，所述N为大于等于1的自然数，表示所需的输入量子态的数量；
目标保真度确定单元，用于基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，其中，所述目标QND保真度用于度量所述量子测量是否满足QND性质。
根据本公开的再一方面，提供了一种量子测量设备，包括：
量子读取模块，用于获取第k个输入量子态，并对所述第k个输入量子态进行量子测量，得到所述k个输出量子态；
处理单元，用于确定对第k个输入量子态进行量子测量后得到的子量子非破坏性QND保真度Qk；其中，所述k为0,1,2…N-1中任意值，所述N为大于等于1的自然数，表示所需的输入量子态的数量；基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，其中，所述目标QND保真度用于度量所述量子测量是否满足QND性质。
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中任一实施例的方法。
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，其中，该计算机指令用于使该计算机执行根据本公开中任一实施例的方法。
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根据本公开中任一实施例的方法。
这样，能够基于目标QND保真度来有效对量子测量的量子非破坏性QND性质进行度量。
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QND保真度FQ的确定方法的实现流程示意图；
图2是根据QND保真度FQ与QND性质之间的关系示意图；
图3是根据本申请一实施例QND保真度的确定方法的实现流程示意图一；
图4是根据本申请一实施例目标理论QND保真度、目标实验QND保真度以及QND性质(或称QND测量)三者之间的关联关系；
图5是根据本申请一实施例QND保真度的确定方法的实现流程示意图二；
图6是根据本申请一实施例QND保真度的确定方法的实现流程示意图三；
图7(a)和图7(b)是根是根据本申请一实施例QND保真度的确定方法在一具体示例中的第一次量子测量、第二次量子测量的示意图；
图8是根据本申请一实施例目标理论QND保真度的确定方法在一具体示例中的实现流程示意图；
图9是根据本申请一实施例目标实验QND保真度的确定方法在一具体示例中的实现流程示意图；
图10是根据本公开实施例QND保真度的确定装置的结构示意图；
图11是根据本公开实施例量子测量设备的结构示意图；
图12是用来实现本公开实施例QND保真度的确定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。
量子比特的读取可通过量子测量方式实现，如将量子比特所处的状态(也即量子态)测量出来。为了更好地对量子比特的状态进行读取，所采用的量子测量需要满足量子非破坏性(Quantum Non-Demolition，QND)准则，如此，来实现量子非破坏性的量子比特读取。
量子非破坏性是指导量子比特读取装置设计的一个重要准则。为了刻画量子非破坏性，定义了量子非破坏性保真度(QND保真度)，这里，QND保真度取值范围通常为0-1之间的实数，比如，理论上，0表示完全不满足QND准则(或称QND性质)，1表示满足QND性质。
这里满足QND性质的量子测量，可称为QND测量。所述QND测量具有规避反作用性质，也即该QND测量在测量的过程中观测量的期望值保持不变，换言之，量子比特读取装置对量子体系具有较小的反作用，该性质(也即在测量的过程中观测量的期望值保持不变)可称为QND性质。
为了实现量子比特高保真度的读取，QND测量广泛地应用在量子比特读取领域，如在超导量子计算中，为了实现超导量子比特状态的高保真度读取，业界普遍使用色散读取方案，而色散读取工作在色散区，实现了近似满足QND性质的量子比特读取方案。
进一步地，还采用如下方式来定义QND测量，具体地：对一个待测量子系统，对于待测量子系统上的观测量O(比如，为待测量子系统中量子比特的可观测量，或者为待测量子系统的任意子系统的可观测量等)，O为厄密算符而言，若观测量O满足[H,O]＝0，所述H表示待测量子系统和量子比特读取装置组成的复合系统的哈密顿量，则观测量O在海森堡绘景中的演化是不变的，即此时，该观测量O可称为QND观测量。进一步地，对于任意的密度矩阵ρ，可记观测量O的期望值为<O>＝Tr[Oρ]，则均有/>满足该条件的量子测量即可称为QND测量。这里，密度矩阵ρ表示待测量子系统的密度矩阵，Tr[Oρ]表示对密度矩阵为ρ的待测量子系统中观测量O进行量子测量所得到的测量结果。
这里，量子测量还可进一步看成是一种量子操作，此时，可记量子测量的Kraus算符为Mm；进一步地，可定义此时，该Em可称为量子测量的POVM(PositiveOperator-Valued Measure)元，/>表示矩阵Mm的转置共轭矩阵。基于量子操作的语言可知，QND测量可进一步定义为：对所有能使用投影算符{|k><k|}做谱分解的观测量O，对任意的待测量子系统，该待测量子系统通过密度矩阵ρ表示，均有
Tr[Oρ]＝Tr[Oε(ρ)]
其中，表示对待测量子系统进行量子测量后的平均量子态，这里，m取值为0,1,2…N-1。基于此，可证明QND测量等价于量子测量的Kraus算符Mm中只有对角元。
实验中，为了能够刻画量子比特读取过程中的QND性质，指导符合QND性质的量子比特读取方案设计，可采用如图1所示的实验方法得到QND保真度，以通过该QND保真度来刻画量子比特读取的QND性质；具体地，对密度矩阵ρ为|k><k|的输入量子态进行两次测量，并将两次量子测量的测量结果均输出k的概率定义为该量子测量的QND保真度，这里，将该方式得到的QND保真度记为FQ。
如图1所示，具体步骤包括：
对密度矩阵ρ为|k><k|的输入量子态，进行第一次量子测量(该第一次量子测量可使用Kraus算符Mk表示)，此时，第一次量子测量的测量结果输出k的概率分布为pk(ρ)＝Tr[Ekρ]。
这里，可记pn|m(ρ)表示对于密度矩阵为ρ的输入量子态进行量子测量的过程中，第一次量子测量的测量结果输出m、且第二次量子测量的测量结果输出n的概率；这里，对于任意的密度矩阵ρ，均有
进一步地，基于可推导得到两次测量结果均输出k的概率；具体地，对第一次量子测量的输出结果为k的输出量子态/>进行第二次量子测量(该第二次量子测量使用的Kraus算符也用Mk表示)，得到第二次量子测量的测量结果也输出k的概率，此时，将两次测量结果均输出k的概率作为密度矩阵ρ为|k><k|的输入量子态所对应的QND保真度FQ，k，具体为：
其中，0≤pk(|k><k|)≤1且0≤pk|k(|k><k|)≤1。
因此，QND保真度FQ，k＝1，当且仅当进一步地，QND保真度FQ定义为FQ，k的平均值，即
这里，k＝0，1，...，N-1，N为大于等于1的自然数，表示所需的输出量子态的数量。
基于上述分析可知，QND保真度FQ＝1当且仅当对任意k有进一步可证明得到：QND保真度FQ＝1，当且仅当测量的Kraus算符Mm满足其中θm为任意实数，而/> 等价于量子测量为理想投影测量。换言之，QND保真度FQ＝1，当且仅当量子测量为理想投影测量。
综上可知，上述QND保真度FQ存在如下问题：
其一，QND测量等价于量子测量的Kraus算符Mm只有对角元，也即QND保真度FQ＝1，当且仅当量子测量的Kraus算符Mm满足换言之，如图2所示，当量子测量满足QND性质时，QND保真度FQ不一定等于1，还受到其他错误的影响，显然，QND保真度FQ偏离了对QND性质的刻画。
其二，QND保真度FQ＝1，当且仅当测量为理想投影测量，也就是说，QND保真度FQ旨在衡量实际测量与理想投影测量之间的差距，而并非是对QND性质的刻画。
为解决上述问题，本公开方案提出一种在量子比特读取中定量刻画QND性质的方案；具体内容如下：
首先，提出了一种理论QND保真度(也即以上目标理论QND保真度)，可记为QD，量子测量满足QND性质当且仅当理论QND保真度QD＝1，换言之，该理论QND保真度QD可以完全地、等价地刻画量子测量的QND性质。理论QND保真度QD可以通过一些实验方法直接得到，比如对量子测量过程进行层析得到完整的测量过程，进而得到理论QND保真度QD。具体地，本公开方案还设计了一个简单的实验来得到理论QND保真度QD，主要步骤包括：将计算基态|k><k|作为输入量子态，对计算基态进行测量，得到输出量子态ε(|k><k|)，对输出量子态ε(|k><k|)进行量子态层析，由此计算得到输出量子态ε(|k><k|)和输入的计算基态|k><k|之间的迹距离D(|k><k|，ε(|k><k|))，以及输出量子态ε(|k><k|)和计算基态|k><k|之间的保真度QD，k，最终得到理论QND保真度这里，k＝0，1，...，N-1。
其次，为了能够在实验上更高效地刻画QND性质，本公开方案还提出了一种实验QND保真度(也即目标实验QND保真度)，可记为QE。当量子测量满足QND性质时，实验QND保真度QE＝1；而当实验QND保真度QE＝1时，在一定限制条件下，量子测量一定满足QND性质。基于此，在一定限制条件下，实验QND保真度QE也可以用来刻画测量的QND性质。本公开方案还进一步证明了实验QND保真度QE是理论QND保真度QD的一个可达到的上界。这里，由于实验QND保真度QE能够在实验上高效得到，所以，可以利用实验QND保真度QE在实验上高效估计理论QND保真度QD的上界。因此可知，本公开方案所提供的实验QND保真度QE也具有实际意义，能够部分反映测量的QND性质。
总体而言，本公开方案提出的QND保真度(理论QND保真度QD，和/或实验QND保真度QE)能够更好地刻画测量的物理本质，该物理本质指对于QND测量而言，观测量在测量前后期望值不变。
具体地，图3是根据本申请一实施例QND保真度的确定方法的示意性流程图一。该方法可选地可以应用于经典计算设备中，比如，个人电脑、服务器、服务器集群等任何具有经典计算能力的电子设备，或者应用于具有经典计算能力的量子测量设备，此时，该量子测量设备能够读取量子比特的状态，也即能够进行量子测量，比如量子态层析等；该量子测量设备还可称为量子比特读取装置。
进一步地，该方法包括以下内容的至少部分内容。具体地，如图3所示，该方法包括：
步骤S301：确定对第k个输入量子态进行量子测量后得到的子量子非破坏性QND保真度Qk；其中，所述k为0,1,2…N-1中任意值，所述N为大于等于1的自然数，为所需输入量子态的数量。这里，所述N也表示量子测量所对应量子测量设备的输出结果的个数。
需要说明的是，量子测量设备在进行量子测量之后，会输出两类结果，第一类为经典数据，比如，0,1,2…等，第二类为量子态。
步骤S302：基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，其中，所述目标QND保真度用于度量所述量子测量是否满足QND性质。
这里，所述量子测量是否满足QND性质，也可称为所述量子测量是否为QND测量，该QND测量指在量子测量的过程中观测量的期望值保持，此时，该量子测量的过程中观测量的期望值保持的性质，相应地称为QND性质。
这样，能够基于目标QND保真度来有效对量子测量的QND性质进行度量，进而来度量量子测量设备，为指导符合QND性质的量子比特读取方案的设计提供了支持。
在本公开方案的一具体示例中，以上所述的基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，可以具体包括：基于所述子QND保真度Qk，得到所述量子测量对应的平均QND保真度；将所述平均QND保真度作为所述目标QND保真度。比如，在k取值为0,1,2…N-1的情况下，得到N个子QND保真度Qk，将N个子QND保真度Qk的平均值，也即平均QND保真度直接作为目标QND保真度，如此，提供了一种便捷方式，以快速得到目标QND保真度，进而便于对量子测量的QND性质进行快速度量。
在本公开方案的一具体示例中，所述目标QND保真度包括以下至少之一：
第一，目标理论QND保真度QD，其中，所述目标理论QND保真度QD在所述第一预设范围内，当且仅当所述量子测量满足所述QND性质；也就是说，如图4所示，该目标理论QND保真度QD可以完全地、等价地刻画量子测量的QND性质。
第二，目标实验QND保真度QE，其中，所述目标实验QND保真度QE在所述第一预设范围内，且所述量子测量满足预设条件的情况下，所述量子测量满足所述QND性质。也就是说，如图4所示，在一定限制条件下，目标实验QND保真度QE也可以用来刻画测量的QND性质。
这里，在一具体示例中，所述量子测量满足预设条件指：量子测量所使用的POVM元Em满足只有对角元，且相互之间是线性无关的，具体证明可参见下述针对描述，这里不再赘述。
在一具体示例中，所述目标理论QND保真度QD或目标实验QND保真度QE为0至1之间的实数，理论上，所述目标理论QND保真度QD＝1，当且仅当量子测量满足QND性质；所述目标实验QND保真度QE＝1，且所述量子测量满足预设条件的情况下，所述量子测量满足所述QND性质。相应地，所述目标理论QND保真度QD＝0，或者目标实验QND保真度QE＝0，均表示量子测量完全不满足QND性质。
这里，考虑到实际与理论之间的差异，还可以预先设置阈值，比如设置预设为0.9，此时，第一预设范围可以具体为(0.9，1]，此时，对于目标理论QND保真度QD而言，目标理论QND保真度QD为大于0.9且小于等于1的值，当且仅当所述量子测量满足QND性质。同理，对于目标实验QND保真度QE而言，只要为大于0.9且小于等于1的值，同时，所述量子测量满足预设条件的情况下，均可认为所述量子测量满足所述QND性质。
可以理解的是，上述阈值仅为一示例，可以基于实际需求而设置，本公开方案对此不作限制。
这样，本公开方案提出的目标QND保真度，如，目标理论QND保真度QD，和/或目标实验QND保真度QE，能够更好地刻画量子测量的物理本质，进一步为指导符合QND性质的量子比特读取方案的设计提供了支持。
在本公开方案的一具体示例中，所述目标理论QND保真度QD在第二预设范围内，当且仅当所述量子测量不满足所述QND性质。如此，为刻画量子测量的QND性质提供的一种有效方式，且该目标理论QND保真度QD可以完全地、等价地刻画量子测量的QND性质，进一步为指导符合QND性质的量子比特读取方案的设计提供了支持。
该示例中，所述第二预设范围不同于所述第一预设范围，而且，两者范围不重叠；继续以阈值是0.9为例进行说明，此时，第二预设范围可具体为[0，1]；进一步地，对于目标理论QND保真度QD而言，目标理论QND保真度QD为大于等于0且小于等于0.9的值，即在第二预设范围内，当且仅当量子测量不满足QND性质。
举例来说，如图4所示，目标理论QND保真度QD＝1，当且仅当量子测量满足QND性质，同理，所述目标理论QND保真度QD≠1，当且仅当量子测量不满足QND性质，如此，通过目标理论QND保真度QD来完全、等价地刻画测量的QND性质。
在本公开方案的一具体示例中，所述目标实验QND保真度QE在第二预设范围内的情况下，所述量子测量不满足所述QND性质。如此，为刻画量子测量的QND性质提供的一种有效方式，而且，该方式能够在一定程度上刻画了量子测量的物理本质，进一步为指导符合QND性质的量子比特读取方案的设计提供了支持。
该示例中，所述第二预设范围不同于所述第一预设范围，而且，两者范围不重叠；继续以阈值是0.9为例进行说明，此时，第二预设范围可具体为[0，1]；进一步地，对于目标实验QND保真度QE而言，只要为大于等于0且小于等于0.9的值，即在第二预设范围内，均可认为所述量子测量不满足所述QND性质。
举例来说，如图4所示，当量子测量满足QND性质时，目标理论QND保真度QD＝1，此时，目标实验QND保真度QE＝1。而当目标实验QND保真度QE≠1时，量子测量一定不是QND测量，也即量子测量一定不满足QND性质。
在本公开方案的一具体示例中，所述目标理论QND保真度QD小于等于目标实验QND保真度QE。也即所述目标实验QND保真度QE为所述目标理论QND保真度QD的一个可达上界，这里，由于目标理论QND保真度QD可以完全、等价地刻画量子测量的QND性质，因此，该目标实验QND保真度QE仍然具有实际意义，且能够部分反应量子测量的QND性质。
举例来说，如图4所示，图4示出了本公开方案提出的目标理论QND保真度QD、目标实验QND保真度QE与QND性质(也即QND测量)之间的关系，即目标理论QND保真度QD可以完全、等价地刻画测量的QND性质，而目标实验QND保真度QE虽然不能完全、等价地刻画测量的QND性质，但是，在实验实现上更具优势，且能够给出目标理论QND保真度QD的一个可达到的上界。
在本公开方案的一具体示例中，提供了一种QND保真度的确定方法，具体地，图5是根据本申请一实施例QND保真度的确定方法的示意性流程图二，该方法可选地可以应用于经典计算设备中，比如，个人电脑、服务器、服务器集群等任何具有经典计算能力的电子设备，或者应用于具有经典计算能力的量子测量设备，此时，该量子测量设备能够读取量子比特的状态，也即能够进行量子测量，比如量子态层析等；该量子测量设备还可称为量子比特读取装置。
可以理解的是，以上图3所示方法的相关内容，也可以应用于该示例中，该示例对相关联内容不再赘述。
进一步地，该方法包括以下内容的至少部分内容。具体地，如图5所示，该方法包括：
步骤S501：获取对第k个输入量子态进行量子态层析后所得到的第k个输出量子态。
步骤S502：确定所述第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离，其中，所述第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离用于度量对所述第k个输入量子态进行量子态层析的破坏性。
步骤S503：基于所述第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离，得到所述第k个输入量子态所对应的子QND保真度Qk。这里，所述子QND保真度Qk为子理论QND保真度QD,k。
举例来说，所述第k个输入量子态所对应的子QND保真度Qk＝1-(第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离)。
步骤S504：基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，其中，所述目标QND保真度用于度量所述量子测量是否满足QND性质。
这样，本公开方案提供一种目标QND保真度的实验方法，该方法简便可行，如此，使得本公开方案兼顾实用性和适用性。
这里，在一具体示例中，步骤S504可具体包括：基于所述子理论QND保真度QD,k，得到目标理论QND保真度QD，其中，所述目标理论QND保真度QD用于度量所述量子测量是否满足QND性质。具体地，所述目标理论QND保真度QD为预设值，当且仅当所述量子测量满足所述QND性质；所述目标理论QND保真度QD不为所述预设值，当且仅当所述量子测量不满足所述QND性质，如此，可以完全地、等价地刻画量子测量的QND性质。
进一步地，在一具体示例中，还可以采用如下方式得到目标理论QND保真度QD，可以具体包括：基于所述子理论QND保真度QD,k，得到所述量子测量对应的平均QND保真度；进而将基于子理论QND保真度QD,k所得到的平均QND保真度作为所述目标理论QND保真度QD。比如，在k取值为0,1,2…N-1的情况下，得到N个子理论QND保真度QD,k，将N个子理论QND保真度QD,k的平均值，直接作为目标理论QND保真度QD，如此，提供了一种便捷方式，以快速得到目标理论QND保真度，进而便于对量子测量的QND性质进行快速度量。
在一具体示例中，所述第k个输入量子态为计算基态|k><k|。这样，本公开方案提供一种目标QND保真度的实验方法，该方法简便可行，如此，使得本公开方案兼顾实用性和适用性。
在本公开方案的一具体示例中，提供了一种QND保真度的确定方法，具体地，图6是根据本申请一实施例QND保真度的确定方法的示意性流程图三，该方法可选地可以应用于经典计算设备中，比如，个人电脑、服务器、服务器集群等任何具有经典计算能力的电子设备，或者应用于具有经典计算能力的量子测量设备，此时，该量子测量设备能够读取量子比特的状态，也即能够进行量子测量，比如量子态层析等；该量子测量设备还可称为量子比特读取装置。
可以理解的是，以上图3所示方法的相关内容，也可以应用于该示例中，该示例对相关联内容不再赘述。
进一步地，该方法包括以下内容的至少部分内容。具体地，如图6所示，该方法包括：
步骤S601：确定第k个输入量子态所对应的概率分布pm(ρk)和概率分布qm(ρk)，其中，所述ρk为所述第k个输入量子态的密度矩阵，所述概率分布pm(ρk)表示对所述第k个输入量子态进行第一次量子测量的输出结果为m的概率；所述概率分布qm(ρk)表示对所述第k个输入量子态进行第一次量子测量后的输出量子态进行第二次量子测量的输出结果为m的概率。
步骤S602：基于所述概率分布pm(ρk)和概率分布qm(ρk)，得到所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离；其中，所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离用于表征对第k个输入量子态进行所述量子测量的破坏性。
步骤S603：基于所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离，得到第k个输入量子态所对应的子QND保真度Qk；其中，所述子QND保真度Qk为子实验QND保真度QE,k。
举例来说，所述第k个输入量子态所对应的子QND保真度Qk＝1-(所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离)。
步骤S604：基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，其中，所述目标QND保真度用于度量所述量子测量是否满足QND性质。
这样，本公开方案提供另外一种目标QND保真度的实验方法，该方法简便可行，如此，使得本公开方案兼顾实用性和适用性。
在一具体示例中，步骤S604可具体包括：基于所述子实验QND保真度QE,k，得到目标实验QND保真度QE，其中，所述目标实验QND保真度QE用于度量所述量子测量是否满足QND性质。具体地，所述目标实验QND保真度QE为预设值，在所述量子测量满足预设条件的情况下，所述量子测量满足所述QND性质；所述目标实验QND保真度QE不为所述预设值的情况下，所述量子测量不满足所述QND性质。如此，在一定程度上刻画了量子测量的物理本质，进一步为指导符合QND性质的量子比特读取方案的设计提供了支持。
进一步地，在一具体示例中，还可以采用如下方式得到目标实验QND保真度QE，可以具体包括：基于所述子实验QND保真度QE,k，得到所述量子测量对应的平均QND保真度；进而将基于子实验QND保真度QE,k所得到的平均QND保真度作为所述目标实验QND保真度QE。比如，在k取值为0,1,2…N-1的情况下，得到N个子实验QND保真度QE,k，将N个子实验QND保真度QE,k的平均值，直接作为目标实验QND保真度QE，如此，提供了一种便捷方式，以快速得到目标实验QND保真度，进而便于对量子测量的QND性质进行快速度量。
在一具体示例中，所述第k个输入量子态为计算基态|k><k|，所述ρk＝|k><k|。这样，本公开方案提供一种目标QND保真度的实验方法，该方法简便可行，如此，使得本公开方案兼顾实用性和适用性。
以下结合具体示例对本公开方案做进一步详细说明；具体地，本公开方案提出了一种在量子比特读取中定量刻画QND性质的方法；首先，提出了一种理论QND保真度QD(也即目标理论QND保真度)，该理论QND保真度QD＝1，当且仅当量子测量满足QND性质，如此，如图4所示，本公开方案所提出的理论QND保真度QD可以完全刻画量子测量的QND性质；其次，为了能够在实验上更高效地验证QND性质，本公开方案还提出了一种实验QND保真度QE(也即目标实验QND保真度)，同时给出一种实验方法，可以方便地从实验结果中计算得到实验QND保真度QE，同时，证明了实验QND保真度QE实际上是理论QND保真度QD的一个可达到的上界。
具体从以下两个方面阐述：第一部分，介绍本公开方案提出的理论QND保真度QD和实验QND保真度QE的核心思想及实验方法。第二部分，介绍本公开方案完整的技术实现方案。
第一部分，定量刻画量子非破坏性的度量指标：
(一)理论QND保真度QD的核心思想及实验方法
(1)核心思想
根据QND测量定义，针对一个待测量子系统，该待测量子系统通过密度矩阵ρ表示，所有能用投影算符{|k><k|}做谱分解的观测量O(所述待测量系统所对应的观测量)，对于任意的密度矩阵ρ，均有
Tr[Oρ]＝Tr[Oε(ρ)]；
其中，表示对所述待测量子系统进行量子测量后的平均量子态，m为0，1，2...N-1；N表示所需的输入量子态的数量；Mm表示所述量子测量的Kraus算符，/>表示算符Mm的转置共轭矩阵。据此，可以证明QND测量等价于量子测量的算符Mm只有对角元，进而可以证明QND测量等价于：对任意k，均有
ε(|k><k|)＝|k><k|；
进而等价于：
D(|k><k|，ε(|k><k|))＝0。
这里，D(|k)<k|，ε(|k><k|))表示密度矩阵为|k><k|的输入量子态(也即计算基态)和输出量子态ε(|k><k|)之间的距离，D(|k><k|，ε(|k><k|))能够度量对计算基态|k><k|进行测量测量的破坏性，所述D值越大，测量的破坏性越大。
这里，对于任意给定的密度矩阵ρ和密度矩阵σ，其距离还可使用迹距离进行计算，具体为：
其中，所述Tr表示迹距离的运算符，所述这里，可以理解的是，本公开方案所述的量子态，均可通过密度矩阵来表示。
因此，
基于此，对于计算基态|k><k|，可以定义量子测量的破坏性，也即计算基态|k><k|所对应的量子测量的破坏性，可记为DD，k，即
这里，所述DD，k也可称为作为输入量子态的计算基态|k><k|与输出量子态ε(|k><k|)之间的迹距离，记为计算基态|k><k|所对应的迹距离DD，k。
进一步地，得到计算基态|k><k|所对应的理论QND保真度，可记为QD，k，即：
QD，k＝1-DD，k；
进而，可将量子测量的理论QND保真度QD定义为N个计算基态|k><k|(k＝0，1，...，N-1)所对应的理论QND保真度QD，k的平均值，即
这里，所述N的取值为大于等于1的自然数，对应着需要考虑的待测量子系统的能级数。
这里，可以理解的是，为了便于区分，本公开方案将计算基态|k><k|所对应的理论QND保真度QD，k称为计算基态|k><k|所对应的子理论QND保真度QD，k；相应地，将量子测量的理论QND保真度QD称为量子测量的目标理论QND保真度QD，所述目标理论QND保真度QD为所有子理论QND保真度QD，k的平均值。
如此，如图4所示，本公开方案所述的目标理论QND保真度QD＝1，当且仅当量子测量满足QND性质，换言之，本公开方案所述的目标理论QND保真度QD可以完全地刻画量子测量的QND性质。
(2)实验方法
目标理论QND保真度QD可以通过以下实验方法直接得到，具体包括：
其一，对测量过程进行层析。对于任意的密度矩阵ρ(通过密度矩阵ρ来表示输入量子态)，在对输入量子态进行量子测量后，可对测量过程进行层析，如此，得到输出量子态ε(ρ)；进而，基于输入量子态和输出量子态，可以计算得到目标理论QND保真度QD。
其二，设计一个更简单的实验，即将计算基态|k><k|作为输入量子态，对计算基态|k><k|进行量子态层析，得到输出量子态ε(|k><k|)，由此可计算出输出量子态ε(|k><k|)和计算基态|k><k|的迹距离D(|k)<k|，ε(|k><k|))，进而得到计算基态|k><k|所对应的子理论QND保真度QD，k，最后基于N个子理论QND保真度QD，k计算得到该量子态层析的目标理论QND保真度QD，即
此外，本公开方案还提出一种实验方法，可以更高效地估计目标理论QND保真度QD的上界，为此本公开方案定义了一种实验QND保真度QE。以下对实验QND保真度QE进行详细说明。
(二)实验QND保真度QE的核心思想及实验方法
(1)核心思想
为了能从实验上根据测量结果判断该量子测量是否满足QND性质，本公开方案定义了实验QND保真度QE，并给出了实验方法。这里，实验QND保真度QE的优势在于可以在实验上更容易测量得到，且在一些条件下能够直接用来刻画量子测量的QND性质，此外，还能给出目标理论QND保真度QD的可达上界。
具体地，如图7(a)(第一次量子测量的输出结果为m的示意图)和图7(b)(第二次量子测量的输出结果为m的示意图)所示，密度矩阵ρ作为输入，该密度矩阵ρ表示输入量子态，进行第一次量子测量，第一次量子测量的可能输出值为{0，1，…，n…，N-1}中的一种，且第一次量子测量的输出结果为n的输出量子态为其中，所述pn(ρ)表征为第一次量子测量的输出结果为n的概率。
这里，可记第一次量子测量的输出结果为m的概率分布为pm(ρ)，即：
pm(ρ)＝Tr[Emρ]；
其中，所述表示量子测量的POVM元；所述Mm为量子测量的Kraus算符，所述/>表示矩阵Mm的转置共轭矩阵。
进一步地，可记pn|m(ρ)表示输入的密度矩阵ρ在第一次量子测量后的输出结果为m的情况下，进行第二次量子测量后，输出结果为n的概率；而且，对于任意的密度矩阵ρ，均有：
这里，Em表示第一次量子测量所选用的Kraus算符，所述En表示在第一次量子测量后输出结果为m的情况下，进行第二次量子测量所使用的Kraus算符。
进一步地，记第一次量子测量的输出结果为m的输出量子态为：
基于此，第一次量子测量后输出任意值的平均量子态为：
进一步地，对第一次量子测量后的输出量子态(可用平均量子态表示)进行第二次量子测量，并记该第二次量子测量的输出结果为m的概率分布为qm(ρ)，即
这里，pm(ρ)和qm(ρ)是两个经典概率分布，经典概率分布间的距离可义为：
此时，可基于概率分布pm(ρ)与概率分布qm(ρ)之间的距离来度量该量子测量的破坏性，进而得到实验QND保真度QE。
(2)实验方法
实验中，在确定实验QND保真度QE的实验步骤中，可以只考虑输入量子态为计算基态|k><k|的情况，也即输入量子态的密度矩阵ρ＝|k><k|，其中k＝0，1，2...N-1；进一步地，可将计算基态|k><k|在实验上量子测量的破坏性记为DE，k，即：
DE，k＝D(pm(|k><k|)，qm(|k><k|))；
进而得到计算基态|k><k|所对应的实验QND保真度，可记为QE，k，即
QE，k＝1-DE，k
进而，可将量子测量的实验QND保真度QE定义为N个计算基态|k><k|(k＝0，1，...，N-1)所对应的实验QND保真度QE，k的平均值(也即平均QND保真度)，即
这里，所述N的取值为大于等于1的自然数，对应着需要考虑的能级数。
需要说明的是，在统计第二次量子测量的输出结果，不关心第一次量子测量的输出结果，换言之，在统计第二次量子测量的输出结果为m的步骤中，第一次量子测量的输出结果与第二次量子测量的输出结果，可以相同，也可以不相同；比如，两次量子测量的输出结果均m，或者，第一次量子测量的输出结果为n，n与m不同等。而是比较第二次量子测量的输出结果为m的经典概率分布qm(ρ)和第一次量子测量的输出结果为m的经典概率分布pm(ρ)之间的差异，进而来定义实验QND保真度定义 而且，QD≤QE。因此当量子测量满足QND性质时，实验QND保真度QE＝1。当QE＝1时，还需要满足一定的条件，才能确定量子测量满足QND性质。
这里，可以理解的是，为了便于区分，本公开方案将计算基态|k><k|所对应的实验QND保真度QE，k称为计算基态|k><k|所对应的子实验QND保真度QE，k；相应地，将量子测量的实验QND保真度QE称为量子测量的目标实验QND保真度QE，所述目标实验QND保真度QE为所有子实验QND保真度QE，k的平均值。
这样，本公开方案给出的目标实验QND保真度QE，并且可以证明一个结论，即目标理论QND保真度QD≤目标实验QND保真度QE。
具体地，如图4所示，当量子测量满足QND性质时，目标实验QND保真度QE＝1；而当目标实验QND保真度QE≠1时，量子测量一定不是QND测量，也即量子测量一定不满足QND性质。
进一步地，本公开方案还可以证明，当目标实验QND保真度QE＝1时，如果POVM元Em满足只有对角元，且相互之间是线性无关的，此时量子测量满足QND性质；上述条件与投影测量是不矛盾的，因此，在实验上是合理的。在上述条件下，目标实验QND保真度QE也可以用来完全地、等价地刻画测量的QND性质。而当上述条件不满足时，目标实验QND保真度QE可以给出目标理论QND保真度QD的一个可达到的上界；这里，由于目标理论QND保真度QD可以完全、等价地刻画量子测量的QND性质，因此，该目标实验QND保真度QE仍然具有实际意义，且能够部分反应量子测量的QND性质。
综上所述，图4示出了本公开方案提出的目标理论QND保真度QD、目标实验QND保真度QE与QND性质(也即QND测量)之间的关系，即目标理论QND保真度QD可以完全、等价地刻画测量的QND性质，而目标实验QND保真度QE虽然不能完全、等价地刻画测量的QND性质，但是，在实验实现上更具优势，且能够给出目标理论QND保真度QD的一个可达到的上界。
第二部分，定量刻画量子非破坏性的度量指标的计算方法：
以下对目标理论QND保真度QD的具体确定过程进行说明，如图8所示，具体步骤如下：
步骤1：给定一组计算基态|k><k|，k＝0，1，...，N-1，所述N的取值为大于等于1的自然数，对应着需要考虑的能级数，比如，为待测量子系统的能级数。
步骤2：对计算基态|k><k|，进行量子态层析，得到输出量子态ε(|k><k|)。
步骤3：基于输出量子态ε(|k><k|)和计算基态|k><k|，计算得到计算基态|k><k|所对应的迹距离DD，k＝D(|k><k|，ε(|k><k|))，进而计算得到计算基态|k><k|所对应的子理论QND保真度QD，k＝1-DD，k。
步骤4：判断k值是否大于N-1；若不是，则设置k＝k+1，返回步骤2，以得到计算基态|k+1><k+1|所对应的子理论QND保真度QD，k+1；若是，执行步骤5。
也就是说，k≠N-1的情况下，则将k更新为k+1，进而基于步骤2和3的方式，计算得到计算基态|k+1><k+1|所对应的子理论QND保真度QD，k+1，如此循环，直接得到所有子理论QND保真度，即{QD，k，k＝0，1，...，N-1}。
步骤5：计算N个子理论QND保真度的平均值，将平均值作为目标理论QND保真度QD。
以下对目标实验QND保真度QE的具体确定过程进行说明，如图9所示，具体步骤包括：
步骤1：给定一组计算基态|k><k|，k＝0，1，...，N-1，所述N的取值为大于等于1的自然数，对应着需要考虑的能级数，比如，为待测量子系统的能级数。
步骤2：输入计算基态|k><k|。
步骤3：对计算基态|k><k|进行第一次量子测量，得到第一次量子测量后的输出量子态。
步骤4：对第一次量子测量后输出量子态进行第二次量子测量。
步骤5：判断针对计算基态|k><k|的第二次量子测量的循环次数是否大于预设值Num，若不是，则返回步骤2，继续进行量子测量；若是，则执行步骤6。
这里，所述预设值Num可取一个足够大的固定值，比如，为1024以上。
另外，可以理解的是，第一次量子测量和第二次量子测量的执行次数，可以相同，均为预设值Num；如此，便于后续计算得到两次测量所对应的概率分布。或者，两次量子测量的次数不同，这里，考虑到第二次量子测量的是对第一次量子测量后得到的输出量子态进行测量，所以，还可以第一次量子测量的执行次数，大于第二次量子测量的总执行次数，本公开方案对此不作限制，只要能够统计得到两次量子测量的经典概率分布即可，
步骤6：统计对计算基态|k><k|进行第一次量子测量的输出结果为m的次数C1，m，并得到第一次量子测量的输出结果为m的概率分布pm(ρk)＝C1，m/Num。这里，ρk＝|k><k|。
步骤7：统计对第一次量子测量后的输出量子态进行第二次量子测量的过程中，第二次量子测量的输出结果为m的次数C2，m，并得到第二次量子测量的输出结果为m的概率分布qm(ρk)＝C2，m/Num。这里，ρk＝|k><k|。
可以理解的是，实际应用中，上述步骤6与步骤7的执行顺序可以调换，也即先得到第二次量子测量对应的概率分布qm(ρk)，再得到第一次量子测量的概率分布pm(ρk)。
步骤8：基于得到的概率分布pm(ρk)和概率分布qm(ρk)，得到定义所述量子测量的破坏性，也即距离DE，k(|k><k|)＝D(pm(|k><k|)，qm(|k><k|))，进而得到计算基态|k><k|所对应的子实验QND保真度QE，k＝1-DE，k。
需要说明的是，在统计第二次量子测量的输出结果的步骤中，不关心第一次量子测量的输出结果，换言之，如图7(b)所示，在统计第二次量子测量的输出结果为m的步骤中，第一次量子测量的输出结果与第二次量子测量的输出结果，可以相同，也可以不相同；比如，两次量子测量的输出结果均m，或者，第一次量子测量的输出结果为n，n与m不同等。
步骤9：判断k值是否大于N-1；若不是，则设置k＝k+1，并返回步骤2，以得到计算基态|k+1><k+1|所对应的子实验QND保真度QE，k+1；若是，执行步骤10。
也就是说，若k≠N-1的情况下，则将k更新为k+1，进而基于步骤2至步骤8的方式，计算得到计算基态|k+1><k+1|所对应的子实验QND保真度QE，k+1，如此循环，直接得到所有子实验QND保真度，即{QE，k，k＝0，1，...，N-1}。
步骤10：计算N个子实验QND保真度的平均值，将平均值作为目标实验QND保真度QE。
该目标实验QND保真度QE为理论QND保真度QD的上界。
这里，量子测量的QND性质，即观测量的期望值在量子测量前后保持不变，从上述定义中可知，刻画量子测量的QND性质本身需要两次测量，但是，通过上述论证可知，仅将比较两次量子测量输出相同值的概率来定义QND保真度(也即FQ)是对定义的直观翻译，而且，通过上述证明可知，该QND保真度FQ存在问题，如图2所示，虽然QND保真度FQ和QND性质两者之间存在重合，但是在一定条件下会偏离对测量量子的QND性质的刻画。为解决上述问题，本公开提供了目标理论QND保真度QD，目标实验QND保真度QE，而且设计了相应地实验流程，如此，来解决QND保真度FQ无法有效对量子测量的QND性质进行刻画的问题。
如此，本公开方案所提供的目标理论QND保真度和目标实验QND保真度，以及对应的实验方法，对评价量子比特读取的性能有显著帮助，可以在量子比特读取的设计中被广泛采用。
本公开方案还提供了一种QND保真度的确定装置，如图10所示，包括：
子保真度确定单元1001，用于确定对第k个输入量子态进行量子测量后得到的子量子非破坏性QND保真度Qk；其中，所述k为0,1,2…N-1中任意值，所述N为大于等于1的自然数，表示所需的输入量子态的数量；
目标保真度确定单元1002，用于基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，其中，所述目标QND保真度用于度量所述量子测量是否满足QND性质。
在本公开方案的一具体示例中，所述目标保真度单元，具体用于：
基于所述子QND保真度Qk，得到所述量子测量对应的平均QND保真度；
将所述平均QND保真度作为所述目标QND保真度。
在本公开方案的一具体示例中，所述目标QND保真度包括以下至少之一：
目标理论QND保真度QD，其中，所述目标理论QND保真度QD在第一预设范围内，当且仅当所述量子测量满足所述QND性质；
目标实验QND保真度QE，其中，所述目标实验QND保真度QE在所述第一预设范围内，且所述量子测量满足预设条件的情况下，所述量子测量满足所述QND性质。
在本公开方案的一具体示例中，所述目标理论QND保真度QD在第二预设范围内，当且仅当所述量子测量不满足所述QND性质。
在本公开方案的一具体示例中，所述目标实验QND保真度QE在第二预设范围内的情况下，所述量子测量不满足所述QND性质。
在本公开方案的一具体示例中，所述目标理论QND保真度QD小于等于目标实验QND保真度QE。
在本公开方案的一具体示例中，所述子保真度确定单元，还用于：
获取对第k个输入量子态进行量子态层析后所得到的第k个输出量子态；
确定所述第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离，其中，所述第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离用于度量对所述第k个输入量子态进行量子态层析的破坏性；
基于所述第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离，得到所述第k个输入量子态所对应的子QND保真度Qk；其中，所述子QND保真度Qk为子理论QND保真度QD，k。
在本公开方案的一具体示例中，所述目标保真度确定单元，具体用于：
基于所述子理论QND保真度QD，k，得到目标理论QND保真度QD，其中，所述目标理论QND保真度QD用于度量所述量子测量是否满足QND性质。
在本公开方案的一具体示例中，所述第k个输入量子态为计算基态|k><k|。
在本公开方案的一具体示例中，所述子保真度确定单元，还用于：
确定第k个输入量子态所对应的概率分布pm(ρk)和概率分布qm(ρk)，其中，所述ρk为所述第k个输入量子态的密度矩阵，所述概率分布pm(ρk)表示对所述第k个输入量子态进行第一次量子测量的输出结果为m的概率；所述概率分布qm(ρk)表示对所述第k个输入量子态进行第一次量子测量后的输出量子态进行第二次量子测量的输出结果为m的概率；
基于所述概率分布pm(ρk)和概率分布qm(ρk)，得到所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离；其中，所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离用于表征对第k个输入量子态进行所述量子测量的破坏性；
基于所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离，得到所述第k个输入量子态所对应的子QND保真度Qk；其中，所述子QND保真度Qk为子实验QND保真度QE，k。
在本公开方案的一具体示例中，所述目标保真度确定单元，具体用于：
基于所述子实验QND保真度QE，k，得到目标实验QND保真度QE，其中，所述目标实验QND保真度QE用于度量所述量子测量是否满足QND性质。
在本公开方案的一具体示例中，所述第k个输入量子态为计算基态|k><k|，所述ρk＝|k><k|。
本公开实施例的装置的各单元的具体功能和示例的描述，可以参见上述方法实施例中对应步骤的相关描述，在此不再赘述。
本公开方案还提供了一种量子测量设备，如图11所示，包括：
量子读取模块1101，用于获取第k个输入量子态，并对所述第k+1个输入量子态进行量子测量，得到所述k个输出量子态；
处理单元1102，用于确定对第k个输入量子态进行量子测量后得到的子量子非破坏性QND保真度Qk；其中，所述k为0，1，2...N-1中任意值，所述N为大于等于1的自然数，表示所需的输入量子态的数量；基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，其中，所述目标QND保真度用于度量所述量子测量是否满足QND性质。
在一具体示例中，所述量子读取模块，还用于对第k个输入量子态进行量子态层析，并得到第k个输出量子态。
进一步地，所述处理单元，还可以执行以下至少部分内容：
在一具体示例中，所述处理单元具体用于：
基于所述子QND保真度Qk，得到所述量子测量对应的平均QND保真度；
将所述平均QND保真度作为所述目标QND保真度。
在一具体示例中，所述目标QND保真度包括以下至少之一：
目标理论QND保真度QD，其中，所述目标理论QND保真度QD在所述第一预设范围内，当且仅当所述量子测量满足所述QND性质；
目标实验QND保真度QE，其中，所述目标实验QND保真度QE在所述第一预设范围内，且所述量子测量满足预设条件的情况下，所述量子测量满足所述QND性质。
在一具体示例中，所述目标理论QND保真度QD在第二预设范围内，当且仅当所述量子测量不满足所述QND性质。
在一具体示例中，所述目标实验QND保真度QE在第二预设范围内的情况下，所述量子测量不满足所述QND性质。
在一具体示例中，所述目标理论QND保真度QD小于等于目标实验QND保真度QE。
在一具体示例中，所述处理单元，还用于：
获取对第k个输入量子态进行量子态层析后所得到的第k个输出量子态；
确定所述第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离，其中，所述第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离用于度量对所述第k个输入量子态进行量子态层析的破坏性；
基于所述第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离，得到所述第k个输入量子态所对应的子QND保真度Qk；其中，所述子QND保真度Qk为子理论QND保真度QD，k。
在一具体示例中，所述处理单元，具体用于：基于所述子理论QND保真度QD，k，得到目标理论QND保真度QD，其中，所述目标理论QND保真度QD用于度量所述量子测量是否满足QND性质。
在一具体示例中，所述第k个输入量子态为计算基态|k><k|。
在一具体示例中，所述处理单元，还用于：
确定第k个输入量子态所对应的概率分布pm(ρk)和概率分布qm(ρk)，其中，所述ρk为所述第k个输入量子态的密度矩阵，所述概率分布pm(ρk)表示对所述第k个输入量子态进行第一次量子测量的输出结果为m的概率；所述概率分布qm(ρk)表示对所述第k个输入量子态进行第一次量子测量后的输出量子态进行第二次量子测量的输出结果为m的概率；
基于所述概率分布pm(ρk)和概率分布qm(ρk)，得到所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离；其中，所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离用于表征对第k个输入量子态进行所述量子测量的破坏性；
基于所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离，得到所述第k+1个输入量子态所对应的子QND保真度Qk；其中，所述子QND保真度Qk为子实验QND保真度QE，k。
本公开实施例的量子测量设备的处理单元的具体功能和示例的描述，可以参见上述方法实施例中对应步骤的相关描述，在此不再赘述。
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。
图12示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备1200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/或者要求的本公开的实现。
如图12所示，设备1200包括计算单元1201，其可以根据存储在只读存储器(ROM)1202中的计算机程序或者从存储单元1208加载到随机访问存储器(RAM)1203中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 1203中，还可存储设备1200操作所需的各种程序和数据。计算单元1201、ROM 1202以及RAM 1203通过总线1204彼此相连。输入/输出(I/O)接口1205也连接至总线1204。
设备1200中的多个部件连接至I/O接口1205，包括：输入单元1206，例如键盘、鼠标等；输出单元1207，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元1208，例如磁盘、光盘等；以及通信单元1209，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元1209允许设备1200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1201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1201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1201执行上文所描述的各个方法和处理，例如QND保真度的确定方法。例如，在一些实施例中，QND保真度的确定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1208。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 1202和/或通信单元1209而被载入和/或安装到设备1200上。当计算机程序加载到RAM 1203并由计算单元1201执行时，可以执行上文描述的QND保真度的确定方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元1201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QND保真度的确定方法。
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、现场可编程门阵列(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。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 (25)

1.一种QND保真度的确定方法，包括：
确定对第k个输入量子态进行量子测量后得到的子量子非破坏性QND保真度Qk；其中，所述k为0，1，2...N-1中任意值，所述N为大于等于1的自然数，表示所需的输入量子态的数量；
基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，其中，所述目标QND保真度用于度量所述量子测量是否满足QND性质；
其中，所述目标QND保真度包括以下至少之一：
目标理论QND保真度QD，其中，所述目标理论QND保真度QD在第一预设范围内，当且仅当所述量子测量满足所述QND性质；
目标实验QND保真度QE，其中，所述目标实验QND保真度QE在所述第一预设范围内，且所述量子测量满足预设条件的情况下，所述量子测量满足所述QND性质。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，包括：
基于所述子QND保真度Qk，得到所述量子测量对应的平均QND保真度；
将所述平均QND保真度作为所述目标QND保真度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标理论QND保真度QD在第二预设范围内，当且仅当所述量子测量不满足所述QND性质。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标实验QND保真度QE在第二预设范围内的情况下，所述量子测量不满足所述QND性质。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述目标理论QND保真度QD小于等于目标实验QND保真度QE。
6.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：
获取对第k个输入量子态进行量子态层析后所得到的第k个输出量子态；
确定所述第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离，其中，所述第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离用于度量对所述第k个输入量子态进行量子态层析的破坏性；
其中，所述确定对第k个输入量子态进行量子测量后得到的子量子非破坏性QND保真度Qk，包括：
基于所述第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离，得到所述第k个输入量子态所对应的子QND保真度Qk；其中，所述子QND保真度Qk为子理论QND保真度QD，k。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，包括：
基于所述子理论QND保真度QD，k，得到目标理论QND保真度QD，其中，所述目标理论QND保真度QD用于度量所述量子测量是否满足QND性质。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第k个输入量子态为计算基态|k><k|。
9.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：
确定第k个输入量子态所对应的概率分布pm(ρk)和概率分布qm(ρk)，其中，所述ρk为所述第k个输入量子态的密度矩阵，所述概率分布pm(ρk)表示对所述第k个输入量子态进行第一次量子测量的输出结果为m的概率；所述概率分布qm(ρk)表示对所述第k个输入量子态进行第一次量子测量后的输出量子态进行第二次量子测量的输出结果为m的概率；
基于所述概率分布pm(ρk)和概率分布qm(ρk)，得到所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离；其中，所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离用于表征对第k个输入量子态进行所述量子测量的破坏性；
其中，所述确定对第k个输入量子态进行量子测量后得到的子量子非破坏性QND保真度Qk，包括：
基于所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离，得到所述第k+1个输入量子态所对应的子QND保真度Qk；其中，所述子QND保真度Qk为子实验QND保真度QE，k。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，包括：
基于所述子实验QND保真度QE，k，得到目标实验QND保真度QE，其中，所述目标实验QND保真度QE用于度量所述量子测量是否满足QND性质。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第k+1个输入量子态为计算基态|k><k|，所述ρk＝|k><k|。
12.一种QND保真度的确定装置，包括：
子保真度确定单元，用于确定对第k个输入量子态进行量子测量后得到的子量子非破坏性QND保真度Qk；其中，所述k为0，1，2...N-1中任意值，所述N为大于等于1的自然数，表示所需的输入量子态的数量；
目标保真度确定单元，用于基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，其中，所述目标QND保真度用于度量所述量子测量是否满足QND性质；
其中，所述目标QND保真度包括以下至少之一：
目标理论QND保真度QD，其中，所述目标理论QND保真度QD在第一预设范围内，当且仅当所述量子测量满足所述QND性质；
目标实验QND保真度QE，其中，所述目标实验QND保真度QE在所述第一预设范围内，且所述量子测量满足预设条件的情况下，所述量子测量满足所述QND性质。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述目标保真度单元，具体用于：
基于所述子QND保真度Qk，得到所述量子测量对应的平均QND保真度；
将所述平均QND保真度作为所述目标QND保真度。
14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述目标理论QND保真度QD在第二预设范围内，当且仅当所述量子测量不满足所述QND性质。
15.根据权利要求12所述的装置，其中，所述目标实验QND保真度QE在第二预设范围内的情况下，所述量子测量不满足所述QND性质。
16.根据权利要求12所述的装置，其中，所述目标理论QND保真度QD小于等于目标实验QND保真度QE。
17.根据权利要求12或13所述的装置，其中，所述子保真度确定单元，还用于：
获取对第k个输入量子态进行量子态层析后所得到的第k个输出量子态；
确定所述第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离，其中，所述第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离用于度量对所述第k个输入量子态进行量子态层析的破坏性；
基于所述第k个输入量子态与所述第k个输出量子态之间的迹距离，得到所述第k个输入量子态所对应的子QND保真度Qk；其中，所述子QND保真度Qk为子理论QND保真度QD，k。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述目标保真度确定单元，具体用于：
基于所述子理论QND保真度QD，k，得到目标理论QND保真度QD，其中，所述目标理论QND保真度QD用于度量所述量子测量是否满足QND性质。
19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述第k个输入量子态为计算基态|k><k|。
20.根据权利要求12或13所述的装置，其中，所述子保真度确定单元，还用于：
确定第k个输入量子态所对应的概率分布pm(ρk)和概率分布qm(ρk)，其中，所述ρk为所述第k个输入量子态的密度矩阵，所述概率分布pm(ρk)表示对所述第k个输入量子态进行第一次量子测量的输出结果为m的概率；所述概率分布qm(ρk)表示对所述第k个输入量子态进行第一次量子测量后的输出量子态进行第二次量子测量的输出结果为m的概率；
基于所述概率分布pm(ρk)和概率分布qm(ρk)，得到所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离；其中，所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离用于表征对第k个输入量子态进行所述量子测量的破坏性；
基于所述概率分布pm(ρk)与所述概率分布qm(ρk)之间的距离，得到所述第k个输入量子态所对应的子QND保真度Qk；其中，所述子QND保真度Qk为子实验QND保真度QE，k。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述目标保真度确定单元，具体用于：
基于所述子实验QND保真度QE，k，得到目标实验QND保真度QE，其中，所述目标实验QND保真度QE用于度量所述量子测量是否满足QND性质。
22.根据权利要求20所述的装置，其中，所述第k个输入量子态为计算基态|k><k|，所述ρk＝|k><k|。
23.一种量子测量设备，包括：
量子读取模块，用于获取第k个输入量子态，并对所述第k个输入量子态进行量子测量，得到所述k个输出量子态；
处理单元，用于确定对第k个输入量子态进行量子测量后得到的子量子非破坏性QND保真度Qk；其中，所述k为0，1，2...N-1中任意值，所述N为大于等于1的自然数，表示所需的输入量子态的数量；基于所述子QND保真度Qk，得到目标QND保真度，其中，所述目标QND保真度用于度量所述量子测量是否满足QND性质；
其中，所述目标QND保真度包括以下至少之一：
目标理论QND保真度QD，其中，所述目标理论QND保真度QD在第一预设范围内，当且仅当所述量子测量满足所述QND性质；
目标实验QND保真度QE，其中，所述目标实验QND保真度QE在所述第一预设范围内，且所述量子测量满足预设条件的情况下，所述量子测量满足所述QND性质。
24.一种电子设备，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1-11中任一项所述的方法。
25.一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1-11中任一项所述的方法。
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