CN115941059B - 量子通信实现方法及装置、电子设备和介质 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于量子信道的量子通信实现方法、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，尤其涉及量子通信技术领域。实现方案为：获取初始化所得到的与待传输的至少一个数据一一对应的至少一个编码量子态；迭代执行以下操作多次，以使得通过相应的测量算子分别对至少一个编码量子态进行测量时测量成功的概率满足预设条件：确定用于对至少一个编码量子态进行测量的至少一个测量算子，以使得测量成功的概率最大；确定新的至少一个编码量子态以使得测量成功的概率最大；以及基于预设的扰动参数分别对新的至少一个编码量子态进行微调；以及确定迭代操作后所获得的至少一个编码量子态以及至少一个测量算子。

Description

量子通信实现方法及装置、电子设备和介质

技术领域

本公开涉及量子计算机领域，尤其涉及量子通信技术领域，具体涉及一种基于量子信道的量子通信实现方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质。

背景技术

如今，随着量子计算机技术的飞速发展，基于量子技术的信息传输也逐渐从理论走到现实。与经典通讯类似，在量子通讯中，信息的传输由量子信道刻画。为了能让量子信道处理和传输经典信息，其中关键的步骤是经典信息编码和解码，不同的编码和解码方式直接影响接收信息方成功接收信息的概率。

发明内容

本公开提供了一种基于量子信道的量子通信实现方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质。

根据本公开的一方面，提供了一种基于量子信道的量子通信实现方法，包括：确定用于量子通信的量子信道所对应的Choi表示式以及预设的扰动参数；获取初始化所得到的与待传输的至少一个数据一一对应的至少一个编码量子态；迭代执行以下操作多次，以使得通过相应的测量算子分别对所述至少一个编码量子态进行测量时测量成功的概率满足预设条件：确定用于对所述至少一个编码量子态进行测量的至少一个测量算子，以使得通过所述至少一个测量算子对所述至少一个编码量子态中的相应编码量子态进行测量时测量成功的概率最大，其中，所述至少一个测量算子与所述至少一个编码量子态一一对应，并且其中，基于所述Choi表示式确定所述测量成功的概率；确定新的所述至少一个编码量子态，以使得通过所述至少一个测量算子对新的所述至少一个编码量子态中的相应编码量子态进行测量时测量成功的概率最大；以及响应于未满足所述预设条件，基于所述预设的扰动参数分别对新的所述至少一个编码量子态进行微调；以及确定迭代操作后所获得的所述至少一个编码量子态以及相应的所述至少一个测量算子，以基于所述至少一个编码量子态以及相应的所述至少一个测量算子实现量子通信。

根据本公开的另一方面，提供了一种基于量子信道的量子通信实现装置，包括：第一确定单元，配置为确定用于量子通信的量子信道所对应的Choi表示式以及预设的扰动参数；获取单元，配置为获取初始化所得到的与待传输的至少一个数据一一对应的至少一个编码量子态；迭代单元，配置为迭代执行以下操作多次，以使得通过相应的测量算子分别对所述至少一个编码量子态进行测量时测量成功的概率满足预设条件：确定用于对所述至少一个编码量子态进行测量的至少一个测量算子，以使得通过所述至少一个测量算子对所述至少一个编码量子态中的相应编码量子态进行测量时测量成功的概率最大，其中，所述至少一个测量算子与所述至少一个编码量子态一一对应，并且其中，基于所述Choi表示式确定所述测量成功的概率；确定新的所述至少一个编码量子态，以使得通过所述至少一个测量算子对新的所述至少一个编码量子态中的相应编码量子态进行测量时测量成功的概率最大；以及响应于未满足所述预设条件，基于所述预设的扰动参数分别对新的所述至少一个编码量子态进行微调；以及第二确定单元，配置为确定迭代操作后所获得的所述至少一个编码量子态以及相应的所述至少一个测量算子，以基于所述至少一个编码量子态以及相应的所述至少一个测量算子实现量子通信。

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，不需要额外的训练参数，对于任意的量子信道，仅需多项式时间即可给出其传输经典信息时的编码方式和解码方式，使得接收方以尽可能的高的概率成功接受信息，具有更好的效率。

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基于量子信道的量子通信实现方法的流程图；

图2示出了根据本公开的实施例的量子通信示意图；

图3示出了根据本公开的实施例的基于量子信道的量子通信实现装置的结构框图；以及

图4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，他就是量子计算机。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。

信息传输存在于人们生产生活中的各个方面，例如打电话、发邮件以及浏览网站等行为广义上讲都属于信息传输。近年来，量子信息科学蓬勃发展，基于量子力学中叠加、纠缠等基本原理传递信息的方式备受关注。在通信论中，信息的传输由信道(channel)刻画，而在量子信息论中，信息的传输由量子信道(quantum channel)刻画，即，量子信道是信息传输的主要研究对象，而经典信息是最常见的信息形式之一。为了能让量子信道处理和传输经典信息，其中关键的步骤是经典信息的编码和解码，不同的编码和解码方式直接影响接收信息方成功接收信息的概率。

因此，根据本公开的实施例提供了一种基于量子信道的量子通信实现方法。图1示出了根据本公开的实施例的基于量子信道的量子通信实现方法的流程图，如图1所示，方法100包括：确定用于量子通信的量子信道所对应的Choi表示式以及预设的扰动参数(步骤110)；获取初始化所得到的与待传输的至少一个数据一一对应的至少一个编码量子态(步骤120)；迭代执行以下操作多次，以使得通过相应的测量算子分别对所述至少一个编码量子态进行测量时测量成功的概率满足预设条件(步骤130)：确定用于对所述至少一个编码量子态进行测量的至少一个测量算子，以使得通过所述至少一个测量算子对所述至少一个编码量子态中的相应编码量子态进行测量时测量成功的概率最大，其中，所述至少一个测量算子与所述至少一个编码量子态一一对应，并且其中，基于所述Choi表示式确定所述测量成功的概率(步骤1301)；确定新的所述至少一个编码量子态，以使得通过所述至少一个测量算子对新的所述至少一个编码量子态中的相应编码量子态进行测量时测量成功的概率最大(步骤1302)；以及响应于未满足所述预设条件，基于所述预设的扰动参数分别对新的所述至少一个编码量子态进行微调(步骤1303)；以及确定迭代操作后所获得的所述至少一个编码量子态以及相应的所述至少一个测量算子，以基于所述至少一个编码量子态以及相应的所述至少一个测量算子实现量子通信(步骤140)。

根据本公开的实施例，不需要额外的训练参数，对于任意的量子信道，仅需多项式时间即可给出其传输经典信息时的编码方式和解码方式，使得接收方以尽可能的高的概率成功接受信息，具有更好的效率。

可以理解的是，量子信道是对通信物理过程的描述，数学上量子信道是一个完全正定的保迹映射(Completely Positive Trace-Preserving，CPTP)。通常，量子信道有两种等价表示，即Kraus表示和Choi表示。换言之，已知量子信道N，即认为已知该量子信道N的Kraus表示或者Choi表示。具体的，对于一个从系统A到系统B的量子信道N_A→B，它的Choi表示为一个半正定的矩阵J_N，同时满足tr_B[J_N]＝I_A(这里tr_B表示对B系统做部分迹操作，I_A表示A系统上的单位矩阵)。对于任意的A系统上的量子态ρ_A，存在一组算子{K_i|i＝1，…，r}，使得如下等式成立：

其中，r≥rank(J_N)，rank表示矩阵的秩；{K_i|i＝1，…，r}满足 称为Kraus算子。量子信道N的Choi表示和Kraus表示可以相互转换。

在通过量子信道进行量子通信的过程中，经典信息编码是将经典信息编码成量子态的过程，经过此过程才能让量子信道做进一步处理。图2示出了根据本公开的实施例的量子通信示意图，其中，量子信道为N，希望传输的数据量为M，编码方式ε和解码方式D。如图2所示，发送方想要发送M条信息(即每条信息通过一次量子通信过程进行传输)，由于量子信道存在噪声，导致接收方可能无法准确地接收到信息。

在一些示例中，判断接收方能够接收多少条信息的方式可以为：接收方能够以多大的概率区分每一条信息。如图2中的ε所示，编码过程是将经典信息编码成量子态的过程。例如，发送方想将数字0和1分别发送给接收方，编码过程即为可以将0对应量子态|0>、数字1对应量子态|1>。当然可以理解，也可以将数字0和1分别编码成其他的量子态。可以理解的是，编码量子态的比特数与量子信道的比特数相同。

量子态为量子系统的状态，数学上纯态可以用归一化向量表示，例如|0>：＝[1，0]^T、<0|：＝[1，0]、|1>：＝[0，1]^T为纯态的向量表示。更一般的，可以用密度矩阵ρ来表示量子态。不同的量子态将对应不同的编码方式。编码后，量子信道将这些量子态传输给接收方。

如图2中的D所示，解码过程是将量子态转化为经典信息的过程。这一步通过量子测量来完成，即通过量子测量区分接收到的不同量子态。数学上量子测量可以表示为一组测量算子{E₀，E₁，…}。例如，想要区分量子态|0>和|1>，则使用测量算子{E₀，E₁}对量子态进行测量，得到(区分)0的概率为tr[E₀|0><0|]，得到1的概率为tr[E₁|1><1|]。

在一些示例中，那么使用测量算子{E₀，E₁}区分量子态|0>和|1>的成功概率为(tr[E₀|0><0|]+tr[E₁|1><1|])/2，即使用测量算子{E₀，E₁}接收信息的成功概率。注意，这里不同的测量算子即表示不同的解码方式。以何种方式解码通常是未知的，因此期望找到一种解码方式使得成功概率尽可能的大。

因此，根据一些实施例，可以根据以下公式确定通过相应的测量算子对所述至少一个编码量子态进行测量时测量成功的概率：

其中，tr( )表示取迹，J_N表示所述量子信道所对应的Choi表示式，M为所述待传输的至少一个数据的数量，ρ_k表示所述至少一个编码量子态中的第k个编码量子态。

可以理解的是，所确定的测量成功的概率并不限于上述平均概率的形式，例如可以为每一个编码量子态被测量成功的概率。

根据一些实施例，可以基于半正定规划算法确定所述至少一个测量算子和新的所述至少一个编码量子态中的至少一项。

根据一些实施例，基于所述预设的扰动参数对所确定的新的至少一个编码量子态进行微调可以包括：随机生成至少一个酉矩阵，其中所述至少一个酉矩阵中的每一个酉矩阵与单位矩阵之间的保真度均大于所述预设的扰动参数，所述至少一个酉矩阵与所述至少一个编码量子态一一对应；以及将所述至少一个酉矩阵与所确定的新的至少一个编码量子态中的相应编码量子态进行相乘。

根据一些实施例，所述每一个酉矩阵与单位矩阵之间的保真度基于以下公式确定：

F(U_k，I)＝|tr[U_k]|/2ⁿ

其中，U_k表示第k个酉矩阵，I为单位矩阵，n为量子比特数，tr( )表示取迹。

在一个示例中，首先，确定量子信道N、量子信道N的量子比特数n、待传输的数据量M。其中，用于量子通信的编码方式为{ρ_k|k＝1，…，M}、解码方式为{E_k|k＝1，…，M}。在该实施例中，可以执行以下操作：

步骤1：输入量子信道的Kraus表示或者Choi表示，如果是Kraus表示则将其转化为Choi表示，记为J_N。

步骤2：随机初始化编码的量子态{ρ_k|k＝1，…，M}，设置算法迭代的精度∈和扰动参数δ，注意到这里随机初始化的态可以是纯态也可以是混合态。

步骤3：根据量子态{ρ_k|k＝1，…，M}、以{E_k|k＝1，…，M}为变量，求解如下半正定规划SDP问题：

其中，该半正定规划问题表示为：以{E_k|k＝1，…，M}为变量并且满足∑_kE_k＝I，E_k≥0，以使得最大化。

步骤4：根据3中求出的{E_k|k＝1，…，M}、以{ρ_k|k＝1，…，M}为变量，求解如下半正定规划SDP问题：

其中，该半正定规划问题表示为：以{ρ_k|k＝1，…，M}为变量并且满足tr[ρ_k]＝1，ρ_k≥0(表示其为量子态)，以使得最大化。

步骤5：随机生成酉矩阵集合{U_k|F(U_k，I)≥δ，k＝1，…，M}以用于扰动量子态(即对新生成的编码量子态进行微调)，其中F(U_k，I)＝|tr[U_k]|/2ⁿ酉矩阵U_k和单位矩阵I之间的保真度，值越大则两个酉矩阵越接近，根据酉矩阵集合作用到步骤4中求出的{ρ_k|k＝1，…，M}，重置量子态集合：

步骤6：重复3、4、5步骤，直到前后两次迭代过程中成功概率p_succ的变化小于预先设定的迭代精度∈，或者达到预设的迭代次数。

步骤7：输出编码方式对应的量子态集合{ρ_k|k＝1，…，M}和解码方式对应的测量算子集合{E_k|k＝1，…，M}。

在根据本公开的实施例中，添加扰动操作旨在避免算法在优化过程中陷入局部极值。而添加扰动的方式不限于使用随机的酉矩阵。可以理解的是，这里δ取值为0＜δ＜1。

因此，根据一些实施例，基于所述预设的扰动参数对所确定的新的至少一个编码量子态进行微调包括：随机生成至少一个量子态，所述至少一个量子态与所述至少一个编码量子态一一对应；以及基于所述预设的扰动参数确和所述随机生成的至少一个量子态，对所确定的新的至少一个编码量子态进行微调。

根据一些实施例，根据以下公式对所确定的新的至少一个编码量子态进行微调：

δρ_k+(1-δ)σ_k

其中，ρ_k表示所确定的新的至少一个编码量子态中的第k个编码量子态，σ_k为随机生成的与第k个编码量子态相对应的量子态，δ表示所述预设的扰动参数。

示例地，随机生成一个量子态集合{σ_k|k＝1，…，M}，根据扰动参数将编码量子态集合{ρ_k|k＝1，…，M}重置为{δρ_k+(1-δ)σ_k|k＝1，…，M}。可以理解的是，这里的扰动参数δ的取值接近于1，例如0.9，以使得随机生成的量子态以较小的概率影响原编码量子态ρ_k。

根据一些实施例，根据本公开的方法还包括：基于迭代操作后所获得的所述至少一个编码量子态以及相应的所述至少一个测量算子，确定所述量子信道经典容量的估计值。

量子信道的经典容量(classical capacity)表示使用该量子信道可靠地传输经典信息的最大速率。一个量子信道的经典容量/>由以下公式示出：

其中，表示n个量子信道/>的张量积(tensor product)所组成的量子信道，表示量子信道/>的霍列沃容量(Holevo capacity)。

值得注意的是，霍列沃容量具有超加性(superadditivity)，即，对于两个量子信道和/>而言，/>从而，可以得到以下形式。

也就是说，一个量子信道的霍列沃容量/>给出了该信道的经典容量/>的下界。

因此，可以通过估计量子信道的霍列沃容量来估计其经典容量：

其中，{p_j，ρ_j}为若干量子态ρ_j组成的系综(ensemble)，S(ρ)＝-Tr[ρlog₂ρ]为量子态ρ的冯诺依曼熵(Von Neumann entropy)。量子态ρ数学上可以用密度矩阵(densitymatrix)表示，Tr表示取矩阵的迹(trace)。霍列沃容量给出了一个量子信道的经典容量的下界，其表示不使用量子纠缠资源的情况下该信道能可靠地传输经典信息的最大速率。可以看出，计算量子信道的霍列沃容量即为找到一个系综以使得该量子信道在该系综时的霍列沃信息具有最大值。在每一个确定的系综下，均可确定该量子信道相应的霍列沃信息，以表征该信道的经典容量。

量子信道的经典容量描述了信道能够传输信息的能力，估计信道容量是量子和经典信息论中最主要研究内容。只有了解了信道的最大传输能力才能在具体应用中较少传输错误。具体地，迭代操作后所获得的所述至少一个编码量子态可以作为系综(ensemble)中的量子态，该系综中的量子态所对应的概率相同，即1/M，其中M为系综中的量子态个数，即上面所述的待传输的数据量。

根据本公开的实施例，如图3所示，还提供了一种基于量子信道的量子通信实现装置300，包括：第一确定单元310，配置为确定用于量子通信的量子信道所对应的Choi表示式以及预设的扰动参数；获取单元320，配置为获取初始化所得到的与待传输的至少一个数据一一对应的至少一个编码量子态；迭代单元330，配置为迭代执行以下操作多次，以使得通过相应的测量算子分别对所述至少一个编码量子态进行测量时测量成功的概率满足预设条件：确定用于对所述至少一个编码量子态进行测量的至少一个测量算子，以使得通过所述至少一个测量算子对所述至少一个编码量子态中的相应编码量子态进行测量时测量成功的概率最大，其中，所述至少一个测量算子与所述至少一个编码量子态一一对应，并且其中，基于所述Choi表示式确定所述测量成功的概率；确定新的所述至少一个编码量子态，以使得通过所述至少一个测量算子对新的所述至少一个编码量子态中的相应编码量子态进行测量时测量成功的概率最大；以及响应于未满足所述预设条件，基于所述预设的扰动参数分别对新的所述至少一个编码量子态进行微调；以及第二确定单元340，配置为确定迭代操作后所获得的所述至少一个编码量子态以及相应的所述至少一个测量算子，以基于所述至少一个编码量子态以及相应的所述至少一个测量算子实现量子通信。

这里，基于量子信道的量子通信实现装置300的上述各单元310～340的操作分别与前面描述的步骤110～140的操作类似，在此不再赘述。

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4，现将描述可以作为本公开的服务器或客户端的电子设备400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4所示，电子设备400包括计算单元401，其可以根据存储在只读存储器(ROM)402中的计算机程序或者从存储单元408加载到随机访问存储器(RAM)403中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 403中，还可存储电子设备400操作所需的各种程序和数据。计算单元401、ROM 402以及RAM 403通过总线404彼此相连。输入/输出(I/O)接口405也连接至总线404。

电子设备400中的多个部件连接至I/O接口405，包括：输入单元406、输出单元407、存储单元408以及通信单元409。输入单元406可以是能向电子设备400输入信息的任何类型的设备，输入单元406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407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408可以包括但不限于磁盘、光盘。通信单元409允许电子设备400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401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401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401执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法100。例如，在一些实施例中，方法100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408。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 402和/或通信单元409而被载入和/或安装到电子设备400上。当计算机程序加载到RAM 403并由计算单元401执行时，可以执行上文描述的方法100的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元401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100。

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)、互联网和区块链网络。

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 (16)

1.一种基于量子信道的量子通信实现方法，包括：

确定用于量子通信的量子信道所对应的Choi表示式以及预设的扰动参数；

获取初始化所得到的与待传输的至少一个数据一一对应的至少一个编码量子态；

迭代执行以下操作多次，以使得通过相应的测量算子分别对所述至少一个编码量子态进行测量时测量成功的概率满足预设条件：

确定用于对所述至少一个编码量子态进行测量的至少一个测量算子，以使得通过所述至少一个测量算子对所述至少一个编码量子态中的相应编码量子态进行测量时测量成功的概率最大，其中，所述至少一个测量算子与所述至少一个编码量子态一一对应，并且其中，基于所述Choi表示式确定所述测量成功的概率；

确定新的所述至少一个编码量子态，以使得通过所述至少一个测量算子对新的所述至少一个编码量子态中的相应编码量子态进行测量时测量成功的概率最大；以及

响应于未满足所述预设条件，基于所述预设的扰动参数分别对新的所述至少一个编码量子态进行微调；以及

确定迭代操作后所获得的所述至少一个编码量子态以及相应的所述至少一个测量算子，以基于所述至少一个编码量子态以及相应的所述至少一个测量算子实现量子通信。

2.如权利要求1所述的方法，其中，基于所述预设的扰动参数分别对新的所述至少一个编码量子态进行微调包括：

随机生成至少一个酉矩阵，其中所述至少一个酉矩阵中的每一个酉矩阵与单位矩阵之间的保真度均大于所述预设的扰动参数，所述至少一个酉矩阵与所述至少一个编码量子态一一对应；以及

将所述至少一个酉矩阵与新的所述至少一个编码量子态中的相应编码量子态进行相乘，以获得微调后的编码量子态。

3.如权利要求1所述的方法，其中，基于所述预设的扰动参数分别对新的所述至少一个编码量子态进行微调包括：

随机生成至少一个量子态，所述至少一个量子态与所述新的至少一个编码量子态一一对应；以及

基于所述预设的扰动参数和所述随机生成的至少一个量子态，对新的所述至少一个编码量子态进行微调。

4.如权利要求1所述的方法，其中，基于半正定规划算法确定所述至少一个测量算子和新的所述至少一个编码量子态中的至少一项。

5.如权利要求2所述的方法，其中，所述每一个酉矩阵与单位矩阵之间的保真度基于以下公式确定：

F(U_k,I)＝|tr[U_k]|/2ⁿ

其中，U_k表示第k个酉矩阵，I为单位矩阵，n为量子比特数，tr()表示取迹。

6.如权利要求3所述的方法，其中，根据以下公式对新的所述至少一个编码量子态进行微调：

δρ_k+(1-δ)σ_k

其中，ρ_k表示所述至少一个编码量子态中的第k个编码量子态，σ_k为随机生成的与所述第k个编码量子态相对应的量子态，δ表示所述预设的扰动参数。

7.如权利要求1所述的方法，其中，根据以下公式确定通过相应的测量算子对所述至少一个编码量子态进行测量时测量成功的概率：

其中，tr()表示取迹，J_N表示所述量子信道所对应的Choi表示式，M为所述待传输的至少一个数据的数量，ρ_k表示所述至少一个编码量子态中的第k个编码量子态。

8.如权利要求1所述的方法，还包括：

基于迭代操作后所获得的所述至少一个编码量子态以及相应的所述至少一个测量算子，确定所述量子信道经典容量的估计值，以基于所述估计值实现所述量子通信。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述预设条件包括前后两次迭代操作所确定的所述测量成功的概率之差小于预设的迭代精度。

10.一种基于量子信道的量子通信实现装置，包括：

第一确定单元，配置为确定用于量子通信的量子信道所对应的Choi表示式以及预设的扰动参数；

获取单元，配置为获取初始化所得到的与待传输的至少一个数据一一对应的至少一个编码量子态；

迭代单元，配置为迭代执行以下操作多次，以使得通过相应的测量算子分别对所述至少一个编码量子态进行测量时测量成功的概率满足预设条件：

确定用于对所述至少一个编码量子态进行测量的至少一个测量算子，以使得通过所述至少一个测量算子对所述至少一个编码量子态中的相应编码量子态进行测量时测量成功的概率最大，其中，所述至少一个测量算子与所述至少一个编码量子态一一对应，并且其中，基于所述Choi表示式确定所述测量成功的概率；

确定新的所述至少一个编码量子态，以使得通过所述至少一个测量算子对新的所述至少一个编码量子态中的相应编码量子态进行测量时测量成功的概率最大；以及

响应于未满足所述预设条件，基于所述预设的扰动参数分别对新的所述至少一个编码量子态进行微调；以及

第二确定单元，配置为确定迭代操作后所获得的所述至少一个编码量子态以及相应的所述至少一个测量算子，以基于所述至少一个编码量子态以及相应的所述至少一个测量算子实现量子通信。

11.如权利要求10所述的装置，其中，基于半正定规划算法确定所述至少一个测量算子和新的所述至少一个编码量子态中的至少一项。

12.如权利要求11所述的装置，其中，基于所述预设的扰动参数分别对新的所述至少一个编码量子态进行微调的操作包括：

随机生成至少一个酉矩阵，其中所述至少一个酉矩阵中的每一个酉矩阵与单位矩阵之间的保真度均大于所述预设的扰动参数，所述至少一个酉矩阵与所述至少一个编码量子态一一对应；以及

将所述至少一个酉矩阵与新的所述至少一个编码量子态中的相应编码量子态进行相乘，以获得微调后的编码量子态，其中，

所述每一个酉矩阵与单位矩阵之间的保真度基于以下公式确定：

F(U_k,I)＝|tr[U_k]|/2ⁿ

其中，U_k表示第k个酉矩阵，I为单位矩阵，n为量子比特数，tr()表示取迹。

13.如权利要求10所述的装置，还包括：第三确定单元，配置为基于迭代操作后所获得的所述至少一个编码量子态以及相应的所述至少一个测量算子，确定所述量子信道经典容量的估计值，以基于所述估计值实现所述量子通信。

14.如权利要求10所述的装置，其中，所述预设条件包括前后两次迭代操作所确定的所述测量成功的概率之差小于预设的迭代精度。

15.一种电子设备，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1-9中任一项所述的方法。

16.一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1-9中任一项所述的方法。