JP2002042104A - Control system and control method using quantum soft computing - Google Patents

Control system and control method using quantum soft computing

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JP2002042104A
JP2002042104A JP2000226266A JP2000226266A JP2002042104A JP 2002042104 A JP2002042104 A JP 2002042104A JP 2000226266 A JP2000226266 A JP 2000226266A JP 2000226266 A JP2000226266 A JP 2000226266A JP 2002042104 A JP2002042104 A JP 2002042104A
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entropy
vector
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JP2000226266A
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Japanese (ja)
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V Urianov Sergei
ブイ.ウリアノフ セルゲイ
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Yamaha Motor Co Ltd
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    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a methodology programming the algorithm for solving a problem by using a quantum logic and to provide the algorithm. SOLUTION: A quantum logic program can be executed on a quantum computer. This algorithm can be executed on a non-quantum computer by using the non-quantum computer simulating the quantum computer. The principle of the quantum computation of concept, function, superposition, entanglement, quantum interference and others (massive parallelism feasible by these principles) can be utilized at its maximum by the non-quantum computer by using this algorithm without developing the hardware for the quantum computer.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、量子ソフトコンピュー
ティングに基づいた制御系に関し量子計算アルゴリズム
のプログラミングと量子計算アルゴリズムの使用に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a control system based on quantum soft computing, and to programming of a quantum computation algorithm and use of the quantum computation algorithm.

【0002】[0002]

【従来の技術】数学と物理学はいつでもお互いに良い影
響を与えながら、それぞれの分野で努力し発展してき
た。計算法は、ニュートン(Newton)とライプニッツ
(Leibniz)が物体の運動の動力学法則を理解し説明す
る目的で作った。一般に幾何学と物理学は、長期間、共
存関係をうまく保ってきた。すなわち、古典力学とニュ
ートンの万有引力はユークリッド幾何学に基づいている
が、アインシュタイン(Einstein)の一般相対性理論は
非ユークリッド幾何学であるリーマン幾何学(数学から
物理学に取り込まれた重要な洞察)をその基礎にしてい
る。物理学と幾何学は今もなお非常に強く結びついてい
るが、今日では情報理論と量子物理学が最も著しく関係
しているものの1つになっている。数学をさらに「物理
学的」にしようとしているように思える。
2. Description of the Related Art Mathematics and physics have always strived and developed in their respective fields, with good influence on each other. The calculation was made by Newton and Leibniz to understand and explain the laws of kinetics of body motion. In general, geometry and physics have been successfully co-existing for a long time. That is, while classical mechanics and Newton's universal gravitational force are based on Euclidean geometry, Einstein's theory of general relativity is a non-Euclidean geometry, Riemannian geometry (an important insight taken from mathematics into physics). Is the basis. Physics and geometry are still very closely linked, but today information theory and quantum physics are among the most strikingly related. It seems that mathematics is going to be more "physical".

【0003】情報処理の観点から計算の成り立ちを考え
ると、古典物理学の法則を元にした計算と量子力学を元
にした計算(最初にファインマン(Feymann)とドイッ
チェ(Deutsch)が行った)は、まったく別物になる。
計算は、安価になるに従って、永遠に、それでいて急激
に素晴らしくなる最適の品物(たとえば、速さ)のよう
に思える。ここ2、30年間に、情報処理能力は、生命
が地球上に誕生してから40億年間に達成したヒトの神
経系の情報処理能力に比べて、1,000万倍の速さで
成長した。しかし、計算の理論と技術は、計算のチュー
リング機械モデルの上で50年以上も停滞したままであ
った。そして、チューリング機械モデルは、今でも解決
できない多数の難解な問題や、決定できない問題を抱え
ている。
Considering the origin of computation from the viewpoint of information processing, computation based on the laws of classical physics and computation based on quantum mechanics (first performed by Feymann and Deutsch) , It is completely different.
Computing seems like the best item (eg, speed) that will get forever, but suddenly amazing, as it gets cheaper. In the last few decades, information processing capacity has grown 10 million times faster than the information processing capacity of the human nervous system, which was achieved four billion years after life was born on Earth. . However, computational theory and techniques have remained stagnant for over 50 years on Turing machine models of computation. And Turing machine models have a number of difficult and indeterminate problems that cannot be solved even today.

【0004】量子コンピュータを使用すれば、このよう
な難解な問題を解くことができる。しかし、残念なが
ら、現在は、量子コンピュータを「プログラミング」す
るアルゴリズムが存在しない。量子コンピュータの算術
計算は、従来のコンピュータの算術計算と同様に、量子
ハードウェア(計算機自身を物理的に実現するもの、た
とえば量子ゲートとその類似品)と量子ソフトウェア
(計算を行うためにハードウェアが実現する計算アルゴ
リズム)が結びついたものとして説明できる。量子コン
ピュータ上で問題を解く場合に使用する量子ソフトウェ
アアルゴリズムは、現在まで一切、実際の構造やプログ
ラミング方法論を使用せずその場限りの方法で開発され
た。たとえばショア(Shor)のアルゴリズムがその代表
である。
[0004] The use of a quantum computer can solve such a difficult problem. Unfortunately, there is currently no algorithm to "program" a quantum computer. Arithmetic calculation of a quantum computer is similar to that of a conventional computer, and includes quantum hardware (physical realization of the computer itself, for example, a quantum gate and the like) and quantum software (hardware (The calculation algorithm realized by). Until now, quantum software algorithms used to solve problems on quantum computers have been developed in an ad-hoc manner without using actual structures or programming methodologies. For example, Shore's algorithm is a typical example.

【0005】この方法は、カルノー図を使用せずに、従
来の論理回路を設計する場合に多少似ている。論理回路
設計者は、入力と、入力に対応する出力を設定された場
合に、カルノー図を使わないでも、NANDゲートを使
用した複雑な論理回路を設計できるかもしれない。しか
し、残念なことに、設計者は、多かれ少なかれ直観と試
行錯誤で論理回路を設計せざるを得ないだろう。カルノ
ー図によって、論理演算(AND、ORなど)を行う構造と
アルゴリズムがはっきりとするために、目指す論理計算
を実行する論理回路をすばやく設計できる。
This method is somewhat similar to designing a conventional logic circuit without using a Carnot diagram. When a logic circuit designer sets an input and an output corresponding to the input, the logic circuit designer may be able to design a complex logic circuit using a NAND gate without using a Karnaugh diagram. Unfortunately, designers will have to design logic circuits with more or less intuition and trial and error. The Carnot diagram makes it possible to quickly design a logic circuit that performs the desired logical calculation because the structure and algorithm for performing logical operations (AND, OR, etc.) are clear.

【0006】量子コンピュータをプログラミングしたり
設計したりする方法論が欠如しているために、量子コン
ピュータの有用性が大きく損なわれている。また、これ
は、量子計算に使用される量子論理の基になっている量
子原理、たとえば、重ね合わせ、もつれ合い及び干渉の
有用性も制約している。これらの量子原理は、従来のコ
ンピュータでは使用されない問題解決法に適している。
[0006] The lack of a methodology for programming and designing a quantum computer has severely impaired its usefulness. It also limits the usefulness of the quantum principles underlying quantum logic used for quantum computing, such as superposition, entanglement and interference. These quantum principles are suitable for problem solving not used in conventional computers.

【0007】これらの量子原理は、現在、遺伝子オプテ
ィマイザに使用している進化の遺伝子原理とほぼ同じ方
法で、従来のコンピュータ上で使用できる。自然は、進
化の過程で、大規模線形系を最適化する有効な方法を考
案した。コンピュータ上で実行する遺伝子オプティマイ
ザは、自然な進化の過程をシミュレーションして、以前
には困難であった多数の最適化問題を、効率的に解く。
また、自然は、量子力学の原理を使用して、最適化問
題、探索型問題、参照選択型問題などをはじめとする問
題を、量子論理で解く。しかし、量子原理と量子論理
は、量子論理を使用したアルゴリズムをプログラミング
する方法が存在しなかったために、従来のコンピュータ
では使用できなかった。
[0007] These quantum principles can be used on conventional computers in much the same way as the evolutionary genetic principles currently used in gene optimizers. Nature has devised an effective way to optimize large-scale linear systems during the course of evolution. Gene-optimizers running on computers simulate natural evolutionary processes to efficiently solve many previously difficult optimization problems.
Nature uses quantum mechanics to solve problems such as optimization problems, search problems, and reference selection problems, using quantum logic. However, quantum principles and quantum logic could not be used in conventional computers because there was no way to program algorithms using quantum logic.

【0008】発明の概要本発明は、量子論理を使用して
問題を解決するためのアルゴリズムをプログラミングす
る方法論とアルゴリズムを提供することによって、これ
らの問題とその他の問題を解く。量子論理プログラム
は、量子コンピュータ上で「実行」できる。また、このア
ルゴリズムは、量子コンピュータをシミュレーションす
る非量子コンピュータを使用して、非量子コンピュータ
上で「実行」できる。このアルゴリズムを使用すれば、量
子計算の概念、機能及び重ね合わせ、もつれ合い、量子
干渉など(そして、これらの原理によって可能になる塊
状の量子並列性)の原理が、量子コンピュータのハード
ウェアを開発しないでも、非量子コンピュータの利点を
生かして使用できる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves these and other problems by providing a methodology and algorithm for programming algorithms to solve problems using quantum logic. Quantum logic programs can be "executed" on a quantum computer. Also, the algorithm can be "run" on a non-quantum computer using a non-quantum computer that simulates the quantum computer. With this algorithm, the concepts, functions and superposition, entanglement, quantum interference, etc. of quantum computation (and the massive quantum parallelism enabled by these principles) do not develop hardware for quantum computers. But you can take advantage of the advantages of non-quantum computers.

【0009】1実施例において、量子プログラミング法
は、制御系の遺伝子探索アルゴリズムと共に使用され
る。従来の遺伝子探索アルゴリズムは、単一の空間で最
適解を探索する。量子探索アルゴリズムは、多空間の最
適解の大域的探索を提供する。1実施例において、量子
ソフトコンピューティングのアルゴリズム設計は、入力
関数fをユニタリ行列演算子UFに符号化して行う。次
に、演算子UFを量子ゲートGに組み込む。ここで、G
はユニタリ行列になっている。ゲートGを最初の正準基
底ベクトルに適用し、基底ベクトルを生成する。その
後、基底ベクトルを測定する。これらのステップを必要
なだけ何度も繰り返して、測定された基底ベクトルの集
合を生成する。測定された基底ベクトルを復号化して、
出力ベクトルに変換する。
In one embodiment, the quantum programming method is used with a control-based gene search algorithm. Conventional gene search algorithms search for an optimal solution in a single space. Quantum search algorithms provide a global search for optimal solutions in multiple spaces. In one embodiment, the algorithm design for quantum soft computing is performed by encoding the input function f into a unitary matrix operator U F. Next, the operator U F is incorporated into the quantum gate G. Where G
Is a unitary matrix. Apply gate G to the first canonical basis vector to generate a basis vector. After that, the basis vectors are measured. These steps are repeated as many times as necessary to generate a set of measured basis vectors. Decoding the measured basis vectors,
Convert to output vector.

【0010】1実施例において、UFへの符号化には、
fの写像表を単写関数F、Fの写像表をUFの写像表、
そしてUFの写像表をUFに変換することが含まれる。1
実施例において、基底ベクトルのシャノン(Shannon)
のエントロピが最小化される。1実施例において、シャ
ノンのエントロピーを減少させる量子探索アルゴリズム
を有するインテリジェントな制御系には、制御された機
械装置のエントロピー生成の速度を最小化するように構
成されたものである適応度関数を使用して局所解を求め
る、遺伝子オプティマイザが含まれる。量子探索アルゴ
リズムは、シャノンのエントロピを最小化するように構
成されたものである適応度関数を使用して大域解を求め
ることを目的として、局所解を探索するために使用され
る。
In one embodiment, encoding to U F includes:
A mapping table of f is a single mapping function F, a mapping table of F is a mapping table of UF,
And it is included to convert the mapping table of U F to U F. 1
In an embodiment, the basis vector Shannon
Is minimized. In one embodiment, an intelligent control system having a quantum search algorithm that reduces Shannon's entropy uses a fitness function that is configured to minimize the rate of entropy generation of the controlled machine. And a local optimizer to find the local solution. Quantum search algorithms are used to search for local solutions with the goal of finding a global solution using a fitness function that is configured to minimize Shannon's entropy.

【0011】1実施例において、大域解には、ファジー
ニューラルネットワークの重みが含まれている。1実施
例において、ファジーニューラルネットワークは、ファ
ジーコントローラを取り扱うために構成されたものであ
り、ファジーコントローラは、機械装置を制御するPI
Dコントローラに制御用の重みを提供する。1実施例に
おいて、量子探索アルゴリズムは、シャノンのエントロ
ピを最小化するように選択された適応度関数に従って展
開される。
In one embodiment, the global solution includes fuzzy neural network weights. In one embodiment, the fuzzy neural network is configured to handle a fuzzy controller, and the fuzzy controller includes a PI controlling a mechanical device.
The control weight is provided to the D controller. In one embodiment, the quantum search algorithm is developed according to a fitness function selected to minimize Shannon's entropy.

【0012】1実施例において、量子探索アルゴリズム
は、ハイゼンベルク(Heisenberg)の不確定性を最小化
し、シャノンのエントロピを最小化することで展開され
る。1実施例において、量子探索アルゴリズムは、もつ
れ合い演算子を適用して複数個の入力状態ベクトルから
複数個の相関状態ベクトルを生成し、相関状態ベクトル
に干渉演算子を適用してインテリジェントな状態ベクト
ルを生成することで展開される。ここで、インテリジェ
ントな状態ベクトルは、相関状態ベクトルに比べて小さ
い古典系のエントロピーを有している。
In one embodiment, the quantum search algorithm is developed by minimizing Heisenberg's uncertainty and minimizing Shannon's entropy. In one embodiment, the quantum search algorithm applies an entanglement operator to generate a plurality of correlation state vectors from a plurality of input state vectors, and applies an interference operator to the correlation state vectors to generate an intelligent state vector. It is expanded by generating. Here, the intelligent state vector has a smaller classical entropy than the correlation state vector.

【0013】1実施例において、部分的な最適解の特性
を改善するために、1番目の変換を初期状態に適用し、
基底状態のコヒーレントな重ね合わせを作り出すことに
よって大域的な最適化を行う。可逆変換を使用する2番
目の変換をコヒーレントな重ね合わせに適用し、コヒー
レントな出力状態を作り出す。3番目の変換をコヒーレ
ントな出力状態に適用し、出力状態の干渉を作り出す。
そして、大域解が出力状態の干渉から選択される。1実
施例において、最初の変換はアダマール回転になる。1
実施例において、各基底状態はキュビットで表せる。1
実施例において、2番目の変換は、シュレーディンガー
方程式の解になる。1実施例において、3番目の変換
は、量子高速フーリエ変換になる。1実施例において、
選択は、最大確率を求めるために行われる。1実施例に
おいて、入力状態の重ね合わせは、大域的な適応度関数
の局所解の集まりを含んでいる。
In one embodiment, a first transformation is applied to the initial state to improve the properties of the partial optimal solution,
Perform global optimization by creating a coherent superposition of ground states. A second transform using a reversible transform is applied to the coherent superposition to create a coherent output state. A third transform is applied to the coherent output states, creating output state interference.
The global solution is then selected from the output state interferences. In one embodiment, the first transformation is a Hadamard rotation. 1
In the embodiment, each ground state can be represented by a qubit. 1
In an embodiment, the second transformation is a solution of the Schrodinger equation. In one embodiment, the third transform is a quantum fast Fourier transform. In one embodiment,
The selection is made to find the maximum probability. In one embodiment, the superposition of input states includes a collection of local solutions of a global fitness function.

【0014】詳細な説明 緒言 古典的制御理論では、すべての機械装置は、線形システ
ムで制御されると仮定する。残念なことに、現実の世界
で、この仮定はまれにしか成立しない。ほとんどの機械
装置は、高度に非線形であり、ほとんどの場合、単純な
アルゴリズムでは制御できない。現在開発されている制
御系は、ソフトコンピューティングの概念たとえば、遺
伝子アナライザ、ファジーニューラルネットワークなど
を使用して非線形制御を行う。制御系は、長い時間をか
けて徐々に発展し、機械装置や動作環境あるいはその両
方の変化に適合してきた。
DETAILED DESCRIPTION INTRODUCTION In classical control theory, it is assumed that all machinery is controlled by a linear system. Unfortunately, in the real world, this assumption is rare. Most machinery is highly non-linear and in most cases cannot be controlled by simple algorithms. Currently developed control systems perform non-linear control using the concept of soft computing, for example, a gene analyzer, a fuzzy neural network, or the like. Control systems have evolved over time and adapted to changes in machinery and / or operating environment.

【0015】図1Aは、ソフトコンピューティングによ
って機械装置104を制御する制御系100を示してい
る。エントロピー生成計算器106は、機械装置104
のエントロピーの生産速度を計算する。エントロピー生
成計算器106の出力は、遺伝子アナライザ(GA)1
07(GAは遺伝子オプティマイザとも言う)に渡され
る。GA107は、最小のエントロピー生成を行う制御
用の重みの集合を探索する。重みはファジーニューラル
ネットワーク(FNN)108に渡される。FNNの出
力は、ファジーコントローラ109に渡される。ファジ
ーコントローラ109の出力は、機械装置104を制御
する在来型のPIDコントローラ103のゲインスケジ
ュールの集合になる。
FIG. 1A shows a control system 100 for controlling a mechanical device 104 by soft computing. The entropy generation calculator 106 controls the mechanical device 104
Calculate the entropy production rate. The output of the entropy generation calculator 106 is a gene analyzer (GA) 1
07 (GA is also called gene optimizer). The GA 107 searches for a set of control weights that generates the minimum entropy. The weights are passed to a fuzzy neural network (FNN) 108. The output of the FNN is passed to the fuzzy controller 109. The output of fuzzy controller 109 is a set of gain schedules for conventional PID controller 103 that controls mechanical device 104.

【0016】遺伝子アナライザ(GA)に基づくソフト
コンピューティングシステムでは、ほとんどの場合、古
典的な制御と同じ意味合いの制御法則は実際に存在しな
い。制御は、最小のエントロピー生成などの物理的な制
御法則に基づいて行われる。フィードバックと併用する
ことによりGA107の安定性が保証されるために、こ
の物理的な制御法則を使用してロバスト制御が可能にな
る。しかし、ロバスト制御は必ずしも最適制御とはいえ
ない。
[0016] In soft computing systems based on gene analyzers (GAs), in most cases, control laws that have the same meaning as in classical control do not actually exist. The control is performed based on physical control rules such as generation of minimum entropy. Since the stability of the GA 107 is guaranteed when used in combination with the feedback, robust control can be performed using this physical control law. However, robust control is not always optimal control.

【0017】GA107は、対象としている解空間の大
域的な最適解を求めようとする。機械装置の確率的攪乱
要因はGA107を別の解空間に「飛ばす」ことができ
る。たとえば、自動車の車体懸架装置を制御する場合、
道路条件の変更は、GA107を別の解空間に強制的に
変更する。遺伝子アルゴリズムは、自然遺伝子と自然淘
汰の仕組みに基づいた大域的な探索アルゴリズムであ
る。遺伝子探索で各設計変数は有限な長さのビット列で
表され、これらの有限なビット列は連結されて1つのビ
ット列になる。可能な解は、コード化されてビット列の
集団になる。続けて、生物学的な複製と進化に類似して
いる遺伝子変換が使用され、符号化された解が改善され
変更される。通常3つの主要な演算子、すなわち、複
製、交叉及び突然変異が、遺伝子探索に使用される。
The GA 107 seeks to find a global optimum solution of the target solution space. Stochastic disturbances in the machinery can "jump" the GA 107 into another solution space. For example, if you want to control the vehicle suspension,
Changing the road condition forcibly changes the GA 107 to another solution space. Genetic algorithms are global search algorithms based on natural genes and natural selection mechanisms. In the gene search, each design variable is represented by a bit string having a finite length, and these finite bit strings are concatenated into one bit string. Possible solutions are coded into groups of bits. Subsequently, genetic transformations similar to biological replication and evolution are used to improve and modify the encoded solution. Usually three main operators are used in gene search: replication, crossover and mutation.

【0018】複製は、より適合するメンバーを生成し、
適合しないメンバーを排除させる方向に検索を偏らせる
過程である。まず、個体の適応度を集団の各文字列に割
り当てる。その適合度に基づいて各メンバーに選択の確
率を割り当て、複製を行う初期集団のメンバーを選択す
るのが簡単な手法である。次に、平均適合度の高いメン
バーを使用して、元の大きさと同じ大きさの新しい集団
プールを生成する。
[0018] Duplication produces better matching members,
This is a process in which the search is biased in a direction to eliminate incompatible members. First, the fitness of the individual is assigned to each character string of the group. It is a simple method to assign a selection probability to each member based on the degree of fitness and select a member of the initial group to be duplicated. Next, a new population pool of the same size as the original size is generated using members having a high average goodness of fit.

【0019】複製過程では、単純に、優性設計された複
数のコピーが集団に含まれるようになる。交叉過程で
は、集団プールのメンバー間の設計特性を交換して、次
世代の適合度を高める。交叉は、交配する2個の親の文
字列を選択し、文字列上の2つの位置をランダムに選択
し、これらの選択された位置の0と1の文字列を交換す
ることで行われる。
In the duplication process, a plurality of dominantly designed copies are simply included in the population. In the crossover process, the design characteristics are exchanged between members of the collective pool to improve the fitness of the next generation. Crossover is performed by selecting two parental character strings to be crossed, randomly selecting two positions on the character string, and exchanging the character strings of 0 and 1 at these selected positions.

【0020】突然変異は、複製及び交叉の途中で貴重な
遺伝物質を損失してしまうことから、遺伝子探索の過程
を保護する。突然変異の過程では、単純に、突然変異の
確率に従って集団プールから数メンバを選択し、選択さ
れた文字列のランダムに選択された突然変異の位置で、
0を1に変更するか、あるいはその逆にする。GA10
7が使用する遺伝子探索の過程の概略を、図1Bに示
す。まず、文字列の集団が10進コードに変換され、次
に適合度の過程160に送られて、文字列すべての適応
度を計算する。偏ったルーレット106(ここで各文字
列は、その適応度に比例した大きさのルーレットスロッ
トになっている)が作成される。重み付けされたルーレ
ットの回転が、複製の候補を作る。この方法により、適
合度の高い文字列が後継世代で多数の子孫を持つことに
なる。複製する文字列が選択されたあと、文字列の複製
が適応度に基づいて作成される。そして、次の遺伝子操
作のために交配プール162に入力される。複製後、新
しい文字列の集団が、交叉163と突然変異164の進
化の過程を使用して生成される。最後に、上記で説明し
たように、最適解が見つかるまで、すべての遺伝子過程
が反復して行われる。
Mutations protect the genetic search process by losing valuable genetic material during replication and crossover. In the process of mutation, simply select several members from the population pool according to the probability of mutation, and at the position of the randomly selected mutation in the selected string,
Change 0 to 1 or vice versa. GA10
FIG. 1B shows an outline of the process of searching for a gene used by No. 7. First, the group of strings is converted to decimal code and then sent to a fitness step 160 to calculate the fitness of all strings. A biased roulette 106 (where each character string is a roulette slot of a size proportional to its fitness) is created. The rotation of the weighted roulette makes duplicate candidates. By this method, a character string having a high degree of matching has many descendants in the succeeding generation. After the character string to be duplicated is selected, a duplicate of the character string is created based on the fitness. Then, it is input to the hybridization pool 162 for the next genetic operation. After replication, a new population of strings is generated using the evolution process of crossover 163 and mutation 164. Finally, as explained above, all genetic processes are performed iteratively until an optimal solution is found.

【0021】前述の説明のように、遺伝子探索の仕組み
は単純であるが、従来の方法とはいくつか重要な違いが
あり、この違いが本発明の手法の長所になっている。遺
伝子アルゴリズムは、関数の評価だけを行い、導関数を
必要としていない。導関数が最適値への高速な収束に貢
献するのに対して、関数評価は局所的最適点への検索も
導く。さらに、探索が1点からもう1つの別の点に対し
て続けられる従来の方式とは異なって、探索が設計空間
の複数の点から別の設計点の集合に対して続けられるの
で、この方法は大域的最小を示す良好な確率になる。ま
た、遺伝子アルゴリズムは、変数自身ではなく、符号化
する設計変数に働く。これは、連続型、離散、整数変数
の混合から構成される設計空間に対する遺伝子アルゴリ
ズムの拡張を考慮している。
As described above, although the mechanism of gene search is simple, there are some important differences from the conventional method, and this difference is an advantage of the method of the present invention. Genetic algorithms only evaluate functions and do not require derivatives. While the derivative contributes to a fast convergence to the optimal value, the function evaluation also leads to a search for a local optimal point. Furthermore, unlike the conventional scheme, where the search is continued from one point to another, the search is continued from a plurality of points in the design space to another set of design points. Is a good probability of indicating a global minimum. Also, the genetic algorithm works on the design variables to be encoded, not on the variables themselves. This allows for the extension of genetic algorithms to a design space consisting of a mixture of continuous, discrete, and integer variables.

【0022】上記で説明したように、GA107は単一
の解空間の大域的最適を探索する。しかし、多重解空間
の大域的最適を探索して「普遍」的な最適解を求めること
が望ましい。量子探索アルゴリズムでは(以下に説明す
るように)、同時に多重空間を探索できる。図2は、量
子探索アルゴリズム(QSA)202をGA107とF
NN108の間に配置して、制御系を修正したものを表
している。QSA108は、同時に複数の解空間を探索
し普遍的な最適解、すなわち、解空間のすべてを考慮し
た1つの最適解を求める。
As explained above, GA 107 searches for a global optimum in a single solution space. However, it is desirable to search for a global optimum in a multiple solution space to find a "universal" optimal solution. A quantum search algorithm (as described below) can simultaneously search multiple spaces. FIG. 2 shows the quantum search algorithm (QSA) 202 as GA 107 and F
The modified control system is arranged between the NNs 108. The QSA 108 searches a plurality of solution spaces at the same time and finds a universal optimal solution, that is, one optimal solution considering all the solution spaces.

【0023】量子アルゴリズムは、量子力学の原理、法
則及び量子効果に基づいた大域的なランダム探索アルゴ
リズムである。量子探索で各設計変数は、古典的な初期
状態を線形かつ有限に重ね合わせて表される。この初期
状態は、系の最終状態の測定が正しく出力されるよう
に、初期量子状態|i>(入力)を操作する一連の基本
的なユニタリステップになっている。基本的な古典的前
処理で始まり、次の量子実験を適用する。すなわち、最
初に可能な状態をすべて重ね合わせ、古典的な関数を計
算し、量子フーリエ変換を適用し、最後に測定を実行す
る。得られる結果によって、同様な量子実験を繰り返し
て実行するか、古典的な後処理計算で処理を完了する
か、選択する。通常、量子探索アルゴリズムでは3つの
重要な演算子が使用される。これらの演算子は、線形な
重ね合わせ(コヒーレント状態)、もつれ合い及び干渉
である。
The quantum algorithm is a global random search algorithm based on the principles, rules and quantum effects of quantum mechanics. In the quantum search, each design variable is represented by a linear and finite superposition of classical initial states. This initial state is a series of basic unitary steps that manipulate the initial quantum state | i> (input) so that the measurement of the final state of the system is correctly output. Beginning with basic classical preprocessing, we apply the following quantum experiments. That is, first superimpose all possible states, calculate the classical function, apply the quantum Fourier transform, and finally perform the measurement. Depending on the results obtained, a choice is made between repeatedly performing similar quantum experiments or completing the process with classical post-processing calculations. Usually, three important operators are used in the quantum search algorithm. These operators are linear superposition (coherent states), entanglement and interference.

【0024】線形な重ね合わせは、よく知られているベ
クトルの線形結合の数学的原理に密接に関連している。
量子系は、ヒルベルト空間の波動関数ψによって表せ
る。ヒルベルト空間は基底状態|φi>で表せ、系は量
子状態
Linear superposition is closely related to the well-known mathematical principle of linear combination of vectors.
A quantum system can be represented by a wave function ψ in Hilbert space. The Hilbert space is represented by the ground state | φ i >, and the system is a quantum state

【0025】[0025]

【数1】 (Equation 1)

【0026】で表せる。|ψ>は基底状態|φi>の線
形な重ね合わせと言われ、一般的に係数ciは複素数で
ある。ここでは、ディラック(Dirac)のブラケットの
記号を使用している。ケット|>は、列ベクトルに類似
しており、ブラ<|は、ケットの複素共役転置に類似し
ている。量子力学で、ヒルベルト空間とその基底は物理
的に説明されているが、この説明は明らかに最も直観に
反した理論になっているかもしれない。直観には反する
が、系の状態は、微視的なレベルでは波動関数、すなわ
ち、すべての基底状態の線形な重ね合わせとして表され
る(すなわち、ある意味で、系は同時にすべての基底状
態になっている)。しかし、巨視的なレベルや古典的な
レベルでは、系は単一の基底状態だけで構成される。た
とえば、量子レベルでは、1個の電子は、多数の異なっ
たエネルギーの重ね合わせになっている。しかし、これ
は古典的な領域ではありえない。これは、コイン投げで
コインが空中にある間は、コインは、その基底状態の両
方(表と裏)の重ね合わせになっているのと類似してい
る。コインが着地すると、波動関数は、表か裏かのどち
らかの古典的な状態の1つに「落ち着く」。コインが空
中にある間は、だれも表になるか裏になるか当てられ
ず、その確率だけが計算できる。量子力学の波動関数ψ
も同様で、系がその各基底状態に「落ち着く」確率にな
っている。
## EQU2 ## | Ψ> is referred to as a linear superposition of the ground states | φ i >, and the coefficient c i is generally a complex number. Here, the bracket symbol of Dirac is used. Ket |> is analogous to a column vector, and bra <| is analogous to the complex conjugate transpose of ket. In quantum mechanics, the Hilbert space and its basis are physically explained, but this explanation may clearly be the most counterintuitive theory. Contrary to intuition, the state of the system is represented at the microscopic level as a wave function, a linear superposition of all ground states (ie, in a sense, the system is simultaneously Has become). However, at a macroscopic or classical level, the system consists of only a single ground state. For example, at the quantum level, one electron is a superposition of many different energies. But this cannot be a classic realm. This is analogous to a coin being flipped in both its ground state (front and back) while the coin is in the air during a flip. When the coin lands, the wave function "settles" into one of the classic states, either front or back. As long as the coin is in the air, no one can tell whether it is upside down or upside down, only the probability can be calculated. Wave function of quantum mechanicsψ
The same is true for the probability that the system "settles" in each of its ground states.

【0027】コーヒーレンスとデコヒーレンスは、線形
な重ね合わせの考え方と密接に関連している。量子系が
その基底状態の線形な重ね合わせになっている場合、量
子系はコヒーレントであると言われる。系がその環境と
相互作用する状態の線形な重ね合わせになっている場
合、量子力学の結論では、重ね合わせが破壊される。コ
ヒーレンスの低下は、デコヒーレンスと言われ、波動関
数によって決定される。係数ciは確率振幅と言われ
る。|ci|2は、状態|φi>に収縮する|ψ>の確率であ
り、デコヒーレンスの原因となっている環境(すなわ
ち、測定)との相互作用が発生する確率になっている。
波動関数は、正確に1つの基底状態に収縮しなければな
らない現実の物理系を表している。従って、振幅ci
よって決まる確率の和は1にならなければならない。こ
の欠くことのできない制約は、ユニタリ条件
[0027] Coffeence and decoherence are closely related to the concept of linear superposition. A quantum system is said to be coherent if it is a linear superposition of its ground states. If the system is in a linear superposition of states interacting with its environment, quantum mechanical conclusions will destroy the superposition. The decrease in coherence is called decoherence and is determined by the wave function. The coefficient c i is called the probability amplitude. | c i | 2 is the probability of | ψ> contracting to the state | φ i >, which is the probability of interaction with the environment (ie, measurement) causing decoherence.
Wave functions represent real physical systems that must contract to exactly one ground state. Therefore, the sum of the probabilities determined by the amplitude c i must be 1. The essential constraint is the unitary condition

【0028】[0028]

【数2】 (Equation 2)

【0029】と言われる。量子状態が固有状態(基底状
態)に縮退する確率は、ディラックの記法を使用すると
|<φi|ψ>|2で表せ、2つのベクトルのドット積(射
影)に類似している。たとえば、スピンと言われる離散
物理変数を考えてみる。最も簡単なスピンシステムは、
スピン1/2系と言われる2状態のシステムである。そ
の基底状態は、スピンアップとスピンダウンで表され
る。この最も単純なシステムで、波動関数は2つの値
(アップとダウン)の分布となり、コヒーレント状態
は、スピンアップとスピンダウンの線形な重ね合わせと
なっている。システムがその量子コヒーレンスを保持し
ている間、システムはスピンアップまたはスピンダウン
のどちらとも言えない。ある意味では、同時にスピンア
ップとスピンダウンの両方の状態になっている。当然、
古典的にはどちらかの状態でなければならないし、この
システムがデコヒーレンスになった場合、スピンアップ
またはスピンダウンのどちらかの結果になる。
It is said that The probability that a quantum state degenerates to an eigenstate (ground state) is calculated using Dirac's notation
| <φ i | ψ> | 2 and is similar to the dot product (projection) of two vectors. For example, consider a discrete physical variable called spin. The simplest spin system is
This is a two-state system called a spin 1/2 system. The ground state is represented by spin-up and spin-down. In this simplest system, the wave function has a distribution of two values (up and down) and the coherent state is a linear superposition of spin-up and spin-down. While the system retains its quantum coherence, the system is neither spin-up nor spin-down. In a sense, they are both spin-up and spin-down at the same time. Of course,
Classically, it must be in either state, and if the system becomes decoherent, it will either spin up or spin down.

【0030】ヒルベルト空間の演算子は、波動関数を別
の波動関数に変化させる方法を表している。演算子は、
通常、ベクトルに作用する行列で表す。演算子を使用す
ると、固有値方程式は、
The Hilbert space operator represents a method of changing a wave function into another wave function. The operator is
Usually represented by a matrix acting on a vector. Using the operator, the eigenvalue equation is

【0031】[0031]

【数3】 (Equation 3)

【0032】で表せる。この式でaiは、演算子Aの固
有値を表している。このような方程式の解は、固有状態
と言われ、ヒルベルト空間の基底を構成するために使用
される。量子形式主義では、性質が演算子ですべて表せ
る。演算子の固有状態は、その性質と関係するヒルベル
ト空間の基底を示している。また、固有値は、その性質
の値になっている量子を示している。量子力学の演算子
が線形演算子であり、さらにA*A=AA*=Iを満足する
ユニタリになっていることは重要である。ここで、Iは
恒等演算子であり、A*はAの複素共役転置(または共
役作用素と言われる)である。
## EQU1 ## In this equation, a i represents the eigenvalue of the operator A. The solution of such an equation is called an eigenstate and is used to construct the basis of the Hilbert space. In quantum formalism, all properties can be expressed by operators. The eigenstate of an operator indicates the basis of the Hilbert space related to its property. In addition, the eigenvalue indicates a quantum having a value of the property. It is important that the operator of quantum mechanics is a linear operator and that it is unitary which satisfies A * A = AA * = I. Where I is the identity operator and A * is the complex conjugate transpose of A (or called the conjugate operator).

【0033】干渉はよく知られている波動現象である。
位相の波のピークは強め合い、一方、位相が一致しない
場合は弱め合う。これは水から光までのすべての波動力
学に共通する現象である。また、よく知られている2ス
リット実験は、経験的に、干渉が量子レベルで量子力学
の確率波に当たることを表している。もつれ合いは、古
典的には説明できない相関を表す量子状態のポテンシャ
ルである。計算的な観点からすれば、もつれ合いは十分
に直観的に見える。相関が異なった量子系(たとえば、
異なった粒子)に存在できることは簡単に説明できる。
たとえば、1個の粒子がスピンアップ状態にあれば、も
う1個の粒子はスピンダウン状態にある。1個の粒子が
両方の状態になっているのは、量子状態が重ね合わせと
して存在するので、同様にこれらの相関も重ね合わせに
なっているからである。重ね合わせが壊れると、適切な
相関が粒子間で瞬時に行われる。もつれ合いではこの通
信が重要である。通信は、粒子が相当の距離に離れてい
ても、瞬時に行われる。アインシュタイン(Einstein)
は、これを「幽霊のように気味の悪い遠隔作用」と言っ
た。
Interference is a well-known wave phenomenon.
The peaks of the phase waves reinforce each other, while if the phases do not match, they decompose. This is a phenomenon common to all wave dynamics from water to light. Also, the well-known two-slit experiment shows empirically that interference hits a quantum mechanical stochastic wave at the quantum level. Entanglement is the potential of a quantum state that represents a classically unexplained correlation. From a computational point of view, entanglement looks sufficiently intuitive. Quantum systems with different correlations (for example,
It can be easily explained that they can be present in different particles).
For example, if one particle is in a spin-up state, another particle is in a spin-down state. One particle is in both states because the quantum states exist as superpositions and their correlations are also superposed. If the superposition is broken, an appropriate correlation is made instantaneously between the particles. This communication is important in entanglement. Communication occurs instantaneously, even if the particles are far away. Einstein
Said it was "a ghostly remote action."

【0034】計算の観点からは、ハミング(Hamming)
の距離に関して最大限に遠く隔たっている基底状態だけ
の重ね合わせになっている量子状態は、巨大なもつれ合
いを有している。さらに、干渉が古典的に類似したもの
がある量子の性質を有しているかぎりは、もつれ合いは
古典的には類似したものがない完全な量子現象になって
いる。
From a computational point of view, Hamming
The superposed quantum states of only the ground states that are as far apart as possible with respect to the distance have a huge entanglement. Furthermore, as long as the interference has certain quantum properties, the entanglement is a complete quantum phenomenon with no classically similar.

【0035】量子ネットワークは、量子計算の複数のモ
デルの1つである。他には、量子チューリング機械や量
子セリューラオートマトンがある。量子ネットワークモ
デルで、各ユニタリ演算子は、複数の量子ビット(キュ
ビット)に影響する量子論理ゲートとしてモデル化され
ている。キュビットは、状態の重ね合わせの中に存在す
る。従って、量子論理ゲートは、重ね合わせの状態すべ
てに同時に作用し、キュビットに作用する。これが量子
の並列性である。(量子論理ゲートという用語は、量子
系の時間的な発展を表す完全に概略的な方法の意味で使
用されている。「ゲート」という用語は、量子計算が古典
的な論理ネットワークと類似した方法で物理的に実現で
きることを意味していない。)粒子間のもつれ合い(量
子相関)のために、各粒子の状態の記述では系の状態を
まったく表せない。代わりに、粒子の状態は2n個の基
底状態のすべての複雑な重ね合わせになっている。従っ
て、記述には2n個の複素係数が必要になる。ヒルベル
ト空間の指数的な大きさは量子計算の要素になってい
る。指数的な並列性が指数的な計算力を意味しているこ
とは魅力的である。しかし、ここでは説明しない。すな
わち、古典的な計算でも同様に、指数的な並列性を見る
ことができる。問題は、どうやってシステム外に指数的
な情報を抽出するかにある。量子計算では、量子情報を
抽出するために、システムを観測しなければならない。
測定処理は、有名な波動関数の崩壊の原因になる。きわ
めて簡単に言えば、指数的な数だけ存在する可能な状態
が、測定後に1つに状態に写像されることを意味してい
る。従って、指数的な量の計算情報が失われる。
A quantum network is one of a plurality of models of quantum computation. Others include quantum Turing machines and quantum cellular automata. In the quantum network model, each unitary operator is modeled as a quantum logic gate affecting a plurality of qubits (qubits). A qubit exists in a superposition of states. Thus, the quantum logic gate acts on all superposition states simultaneously, acting on the qubit. This is the quantum parallelism. (The term quantum logic gate is used in the sense of a completely schematic method of describing the evolution of a quantum system over time. The term "gate" refers to a method by which quantum computation resembles a classical logic network. It does not mean that it can be physically realized by the following.) Due to the entanglement (quantum correlation) between particles, the state of each particle cannot express the state of the system at all. Instead, the state of the particle is a complex superposition of all 2 n ground states. Therefore, the description requires 2 n complex coefficients. The exponential size of the Hilbert space is a factor in quantum computation. It is attractive that exponential parallelism means exponential computational power. However, it will not be described here. In other words, exponential parallelism can be seen in classical calculations as well. The problem is how to extract exponential information out of the system. In quantum computation, a system must be observed in order to extract quantum information.
The measurement process causes the breakdown of the famous wave function. Quite simply, it means that an exponential number of possible states is mapped into one state after the measurement. Thus, an exponential amount of computational information is lost.

【0036】指数的な並列性を利用するには、干渉と組
み合わせる必要がある。干渉を使用すると、並列状態に
ある指数的な数の計算がちょうど波や光の干渉による弱
め合いのようにお互いに打ち消される。関係する計算だ
けを残して、残りの計算を相殺するように消去を行いた
い。指数的な並列性と干渉の組み合わせは、量子計算を
強力にし、量子アルゴリズムで重要な役割を果たしてい
る。実際にフーリエ変換は、干渉と指数性を表してい
る。
To take advantage of exponential parallelism, it is necessary to combine it with interference. Using interference, exponential number calculations in parallel cancel each other, just like destruction by wave and light interference. I want to erase only the relevant calculations and cancel out the remaining calculations. The combination of exponential parallelism and interference powers quantum computing and plays an important role in quantum algorithms. In fact, the Fourier transform describes interference and exponentiality.

【0037】古典的な計算とデジタルエレクトロニクス
では、一連の基本的な操作(たとえば、ANDS、OR
及びNOTのような操作)を行う。これらの操作は、古
典的なビット配列の操作に使用される。操作は数ビット
(1または2ビット)にだけ同時に作用するという意味
で基本的である。操作は、まとまった結果及び演算子、
行列、命令、ステップまたはゲートの操作として参照す
るのが便利な場合がある。また、量子計算では、一連の
基本的な操作(たとえば、制御NOTとキュビット回転)
を処理するが、その処理では古典的なビットの代わりに
キュビットを操作する。量子的な一連の基本的な操作
は、大部分がキュビット回路で図示できる。量子計算で
は、ほとんどの場合、キュビット配列の展開を表すユニ
タリ演算子Uが分かっている。
In classical computing and digital electronics, a series of basic operations (eg, ANDS, OR
And operations such as NOT). These operations are used for classic bit array operations. Operations are fundamental in the sense that they only operate on a few bits (one or two bits) simultaneously. Operations are a set of results and operators,
It may be convenient to refer to a matrix, instruction, step or gate operation. In quantum computation, a series of basic operations (for example, control NOT and qubit rotation)
Which operates on qubits instead of classical bits. The quantum series of basic operations can be largely illustrated by qubit circuits. In quantum computation, in most cases, a unitary operator U representing expansion of a qubit array is known.

【0038】量子系に固有である指数的な並列性を利用
した量子探索アルゴリズムを使用すると、制御系の意思
決定処理が行える。図3では、GAとQSAアルゴリズ
ムの構造を比較している。図3に示すようにGA探索で
は、解空間301が最初の位置(入力)302に導かれ
る。最初の位置302が、2進符号化方式310を使用
して、ビット列に符号化される。GA演算子、たとえ
ば、選択303、交叉304及び突然変異305が符号
化された文字列に適用されて、集団を生成する。適応度
関数306(たとえば、最小のエントロピ生成やその他
の望ましい性質に基づいた適応度関数)を使用し、空間
301の大域的最適条件を求める。
When a quantum search algorithm utilizing exponential parallelism inherent to a quantum system is used, the decision making process of the control system can be performed. FIG. 3 compares the structures of the GA and the QSA algorithm. As shown in FIG. 3, in the GA search, the solution space 301 is led to an initial position (input) 302. The first position 302 is encoded into a bit string using a binary encoding scheme 310. GA operators, such as selection 303, crossover 304, and mutation 305, are applied to the encoded string to generate a population. A fitness function 306 (eg, a fitness function based on minimal entropy generation or other desirable properties) is used to determine a global optimum for space 301.

【0039】図3に対比して示しているQSAでは、グ
ループ化したN個の解空間350が使用され、最初の位
置(入力)351を作っている。重ね合わせ352、も
つれ合い353及び干渉354などの量子演算子が最初
の位置に作用し、測定を作る。重ね合わせがアダマール
変換361(1ビット操作)使用して生成される。制御
NOT操作362(2ビット操作)を使用し、もつれ合
いが生成される。量子フーリエ変換(QFT)363を
使用し、干渉が生成される。量子演算子を使用して、グ
ループ350の全空間を満足する普遍的な最適条件が求
まる。
In the QSA shown in contrast to FIG. 3, N grouped solution spaces 350 are used to create an initial position (input) 351. Quantum operators, such as superposition 352, entanglement 353, and interference 354, act on the first position and make a measurement. The superposition is generated using the Hadamard transform 361 (one bit operation). Using control NOT operation 362 (2-bit operation), an entanglement is created. Using the quantum Fourier transform (QFT) 363, interference is generated. Using the quantum operator, a universal optimum that satisfies the entire space of the group 350 is determined.

【0040】このように、古典的な選択処理が、ほぼ、
量子処理の重ね合わせの生成に類似している。また、古
典的な交叉処理が、ほぼ、量子処理のもつれ合いに類似
している。さらに、古典的な突然変異処理が、ほぼ、量
子処理の干渉に類似している。図4は、QSA(たとえ
ば、QSA202)の一般的な構造を示している。概念
層を400、構造層を401、ハードウェア層を40
2、そして、ソフトウェア層を403で表している。概
念層400では、初期状態410が状態の重ね合わせを
生成する処理部420に渡される。状態の重ね合わせ
が、重ね合わせにユニタリ演算子Ufを提供する処理部
430に渡される。その処理部430の出力が、解の干
渉を計算する解部440に渡される。その解部440の
出力が観察/測定部460に渡される。
As described above, the classic selection process is almost
Similar to the generation of a superposition of quantum processing. Also, classic crossover processing is almost similar to the entanglement of quantum processing. Furthermore, classical mutation processing is almost similar to the interference of quantum processing. FIG. 4 shows the general structure of a QSA (eg, QSA 202). 400 conceptual layers, 401 structural layers, 40 hardware layers
2, and the software layer is denoted by 403. In the concept layer 400, the initial state 410 is passed to a processing unit 420 that generates a state superposition. The state superposition is passed to a processing unit 430 which provides a unitary operator U f for the superposition. The output of the processing unit 430 is passed to a solution unit 440 that calculates the solution interference. The output of the solution unit 440 is passed to the observation / measurement unit 460.

【0041】構造層で入力は、初期状態(たとえば、論
理的に零の状態)になっている連続した量子ビット(キ
ュビット)として符号化されている。入力が、アダマー
ル変換行列421に渡され、重ね合わせを生成する。行
列421の重ね合わせが、演算子Ufに渡される。ここ
で、Ufは処理部431のシュレーディンガー方程式の
解になっている。シュレーディンガー方程式の解である
処理部の出力が、干渉を行う量子高速フーリエ変換(Q
FFT)441に渡される。QFFT441の出力が、
変換行列451に渡される。変換行列451の出力が、
最大確率振幅461の解になっている。
In the structure layer, the input is encoded as a continuous quantum bit (qubit) in an initial state (eg, a logically zero state). The input is passed to a Hadamard transform matrix 421 to generate a superposition. Superposition of the matrix 421 is passed to the operator U f. Here, U f is a solution of the Schrodinger equation of the processing unit 431. The output of the processing unit, which is the solution of the Schrodinger equation, is the quantum fast Fourier transform (Q
FFT) 441. The output of QFFT 441 is
It is passed to the transformation matrix 451. The output of the transformation matrix 451 is
The solution has the maximum probability amplitude 461.

【0042】ハードウェア層で重ね合わせ420は、回
転ゲート422によって作られる。演算子Ufは、一連
の基本ゲート操作432として実現されている。QFF
T441は、一連のアダマールと置き換え(P)演算子
ゲートとして実現されている。そして、変換行列451
は、回転ゲート452を使用して実現されている。図5
に、初期状態から重ね合わせの生成までの一連の過程を
含むQSAのアーキテクチュアを示す。からみ合いは、
からみ合い状態になっているコヒーレントな量子系に固
有な量子の並列性を使用して、重ね合わせに適用され
る。干渉が導入されてQFFTを使用した解の重ね合わ
せが行われると、並列性が失われる。図5では、古典的
な2スリット実験、論理的な量子操作、量子探索操作の
3つの操作におけるこれらの過程を比較して示してい
る。
The overlay 420 in the hardware layer is created by the rotating gate 422. The operator U f is implemented as a series of basic gate operations 432. QFF
T441 is implemented as a series of Hadamard and Replace (P) operator gates. Then, the transformation matrix 451
Are implemented using a rotating gate 452. FIG.
Shows an architecture of the QSA including a series of processes from the initial state to the generation of the superposition. Entanglement,
It is applied to superposition using the quantum parallelism inherent in entangled coherent quantum systems. Parallelism is lost when interference is introduced and solution superposition using QFFT is performed. FIG. 5 shows a comparison of these processes in three operations of a classical two-slit experiment, a logical quantum operation, and a quantum search operation.

【0043】古典的な2スリット実験で、光源501
は、最初に、重ね合わせ状態の粒子を生成する。これ
は、アダマール(回転ゲート)を、固有状態に初期化さ
れたキュビットに適用する量子アルゴリズム操作に似て
いる。2スリット実験では、もつれ合いがスリット50
2を通過する粒子を使用して生成される。これはユニタ
リ演算子Ufを使用する重ね合わせ操作の過程に対応し
ている。
In a classic two-slit experiment, the light source 501
First produces superimposed particles. This is similar to a quantum algorithm operation that applies a Hadamard (rotating gate) to a qubit initialized to an eigenstate. In the two-slit experiment, the entanglement was 50 slits.
Produced using particles passing through 2. This corresponds to the process of superposition operation using the unitary operator U f.

【0044】2スリット実験では、もつれ合わせられた
粒子が干渉縞(解の重ね合わせ)を作るスリットの後ろ
に配置された写真フィルムに達する場合に、干渉が作ら
れる。これがQFFTに対応する。最後に、目的の解の
選択は、QFFTから最大の確率(すなわち、フィルム
上に作られる最も明るい線)を選ぶことに対応する。
In a two-slit experiment, interference is created when entangled particles reach a photographic film placed behind a slit that creates interference fringes (superposition of solutions). This corresponds to QFFT. Finally, the choice of the target solution corresponds to choosing the largest probability from the QFFT (ie the brightest line created on the film).

【0045】図6は、GA605と関連するQSAの使
用を示している。図6で初期状態604のゼネレータ
は、GA605と関連して働き、初期状態の集合を作
る。また、場合によっては、ファジーニューラルネット
ワーク603と関連して働き、初期状態の集合を作る。
初期状態がアダマール変換602に渡されて、古典的な
状態601の重ね合わせを作る。古典的な状態の重ね合
わせが制御NOTなどの演算子を使用し、もつれ合いを
行う処理部606に渡される。処理部606の出力がQ
FFTを使用してもつれ合った状態の干渉を計算する干
渉部607に渡される。干渉部607の出力が測定/観
察部608に渡される。測定/観察部608では、干渉
部607が計算した解の重ね合わせから目的の解を選択
する。
FIG. 6 illustrates the use of QSA in conjunction with GA 605. In FIG. 6, the generator in the initial state 604 works in association with the GA 605 to form a set of initial states. In some cases, it works in association with the fuzzy neural network 603 to create a set of initial states.
The initial state is passed to a Hadamard transform 602 to create a superposition of the classical state 601. The superposition of classical states is passed to a processing unit 606 that performs entanglement using an operator such as control NOT. The output of the processing unit 606 is Q
It is passed to an interference unit 607 that calculates the entangled interference using FFT. The output of the interference unit 607 is passed to the measurement / observation unit 608. The measurement / observation unit 608 selects a target solution from the superposition of the solutions calculated by the interference unit 607.

【0046】観察/測定部608の出力が、決定部60
9に渡される。決定部609は、たとえば初期状態60
4のゼネレータの入力を決定する。また、場合によって
は、GA605の新しい適応度関数を決定する。また、
決定部609は、データを復号部610に提供し、復号
部610から受け取る。復号部610は、センサー、そ
の他の制御系、ユーザーなどと通信できる。
The output of the observation / measurement unit 608 is
9 passed. The determination unit 609 determines, for example, the initial state 60
4 determine the input of the generator. In some cases, a new fitness function of the GA 605 is determined. Also,
The determination unit 609 provides the data to the decoding unit 610 and receives the data from the decoding unit 610. The decoding unit 610 can communicate with sensors, other control systems, users, and the like.

【0047】量子計算の基本は、量子情報理論から得ら
れる。量子情報理論では、情報は物理系の状態に符号化
されるものであり、計算は実際に物理的に実現可能な装
置上で実行されるものである。量子的な制約の付いた、
物理的な対象物の正当性モデルの開発手法の効果を表し
ている2つの例を示す。最初の例では、シャノンの古典
的なデータ伝送チャネルCc
The basis of quantum computation is obtained from quantum information theory. In quantum information theory, information is encoded into the state of a physical system, and calculations are actually performed on physically feasible devices. With quantum constraints,
Two examples showing the effect of the method of developing a validity model of a physical object are shown. In the first example, Shannon's classic data transmission channel C c

【0048】[0048]

【数4】 (Equation 4)

【0049】と量子データ伝送チャネルCq And the quantum data transmission channel C q

【0050】[0050]

【数5】 (Equation 5)

【0051】とを比較する。ここで、Pは、チャネルの
入力信号の強さ、Nは雑音の強さである。N→0の場
合、limCc→∞、limCq→lnPとなって、雑音
のある情報伝送チャネルの正当性モデルが得られる。2
番目の例では、量子的な制約条件の付いた制御対象の数
学的モデルの識別を検討する。古典的な制御対象では、
〔x,y〕=0(交換可能な場合)となり、次式
Is compared with Here, P is the strength of the input signal of the channel, and N is the strength of the noise. In the case of N → 0, limC c → ∞, limC q → lnP, and a validity model of a noisy information transmission channel is obtained. 2
In the second example, we consider the identification of a mathematical model of a controlled object with quantum constraints. In a classic controlled object,
[X, y] = 0 (when exchangeable), the following equation

【0052】[0052]

【数6】 (Equation 6)

【0053】となる。これに対して、モデル識別の量子
相関に基づいた制御対象の場合、[x,y]=ih(交換
不可能な場合)となり、次式
Is as follows. On the other hand, in the case of a control target based on the quantum correlation of model identification, [x, y] = ih (when exchange is not possible),

【0054】[0054]

【数7】 (Equation 7)

【0055】となる。量子の場合、1次フレッドフォル
ム型積分方程式の非正当性が、2次フレッドフォルム型
積分方程式の正当性に写像する。これは、入力信号x
(t)または僅かな誤差のある力学系k(t)の構造の
正当性識別を行う式(2.2)の出力信号y(t)の測
定で、僅かな誤差が生じることを意味している。古典的
な式(2.1)の場合、非正当性モデル識別ならびに出
力信号の測定の僅かな誤差は、識別信号で大きな誤差に
なる。
Is as follows. In the case of quantum, the invalidity of the first-order Fredform integral equation maps to the correctness of the second-order Fredform integral equation. This is the input signal x
It means that a slight error occurs in the measurement of the output signal y (t) of the equation (2.2) for validating the structure of the dynamical system k (t) with (t) or a slight error. I have. In the case of the classical equation (2.1), a slight error in the incorrect model identification as well as in the measurement of the output signal results in a large error in the identification signal.

【0056】量子計算は、量子の重ね合わせ、干渉及び
もつれ合いの原理に基づいている。量子状態は、常に、
古典的に可能な状態の一部か、あるいは、すべてに対応
する成分を有している。この量子効果を重ね合わせ状態
と言っている。量子規則に従うコンピュータは、塊状の
並列性を使用して異なった入力を処理でき、出力の重ね
合わせを生成する。この場合、量子コンピュータは、物
理的な機械であり、多数の可能で異なった入力のコヒー
レントな重ね合わせを表す入力状態を受理できる。そし
て、受理した後に、それらの入力状態を対応する出力の
重ね合わせに展開できる。量子のもつれ合いを使用し
て、事前に用意した複数の基底状態の自明でない多粒子
の重ね合わせにデータを符号化できる。そして、量子干
渉(動的過程)を使用してあらかじめ決まった方法で中
間の多粒子の重ね合わせを変更し、初期量子状態(入
力)を最終状態(出力)に展開できる。量子コンピュー
タは、異なった計算経路の量子干渉を使用して、正しい
結果を向上させ、誤った計算結果を抑制する。量子計算
を多粒子干渉として見た場合に、量子アルゴリズムを実
証する共通の傾向が識別できる。多粒子干渉は、(単一
粒子の干渉とは違って)類似するものが古典的な干渉に
存在しないので、本質的に量子過程と言える。
Quantum computation is based on the principles of quantum superposition, interference and entanglement. The quantum state is always
It has components that correspond to some or all of the classically possible states. This quantum effect is called a superposed state. Computers that obey quantum rules can process different inputs using massive parallelism and produce a superposition of the outputs. In this case, the quantum computer is a physical machine and can accept input states that represent a coherent superposition of many possible and different inputs. Then, after receipt, those input states can be developed into a superposition of the corresponding outputs. Quantum entanglement can be used to encode data into a superposition of a plurality of previously prepared non-trivial multi-particles of the ground state. Then, by using quantum interference (dynamic process), the superposition of intermediate particles can be changed in a predetermined manner, and the initial quantum state (input) can be expanded to the final state (output). Quantum computers use quantum interference in different computation paths to improve correct results and suppress erroneous computation results. When viewing quantum computation as multi-particle interference, a common tendency to demonstrate quantum algorithms can be identified. Multiparticle interference is essentially a quantum process, as there is no similarity (unlike single particle interference) in classical interference.

【0057】古典的コンピュータは、量子物理学に基づ
いているが、完全に量子的であるわけではない。古典的
コンピュータは、情報理論レベルで実際に問題になって
いる物質の「量子性」を使用していない。すなわち、古
典的なコンピュータで情報は、巨視的には2つのレベル
の系で記録される。コンピュータ内で電流を伝えている
電線は、2つの基本的な状態になっている。1つは電流
が流れていない状態、すなわち、論理的に「0」の状態、
もう1つは電流が流れている状態、すなわち、論理的に
「1」の状態になっている。これらの2つの状態が、ビッ
ト情報を表している。計算はすべて、これらのビットを
表す電線に作用する論理ゲートを使用するビットの論理
的な操作に基づいている。しかし、ここで説明するよう
に、量子コンピュータは、古典的コンピュータ上でシミ
ュレーションできる。
Classic computers are based on quantum physics, but are not completely quantum. Classical computers do not use the "quantity" of matter, which is actually a problem at the information theory level. That is, in a classical computer, information is macroscopically recorded in a two-level system. The wires that carry current in a computer are in two basic states. One is a state in which no current flows, that is, a state of logical "0",
The other is in a state where current is flowing, that is, a state of logical "1". These two states represent bit information. All calculations are based on the logical manipulation of bits using logic gates acting on the wires representing these bits. However, as described here, a quantum computer can be simulated on a classical computer.

【0058】電線と電流の代わりに、量子コンピュータ
は、たとえば、原子の電子的な状態を使用して、情報を
記録する。たとえば、2つの量子状態が、基底状態|0
>と励起状態|1>(ディラックの記法を使用)を使用
して記録される。原子は量子力学の法則に従うので、最
も一般的な電子状態は、この基本的な2つの状態の重ね
合わせになり、|ψ1>=c1|0>+c2|1>で表さ
れる。この電子状態は、略して量子ビット、すなわち、
キュビットと言われる。0と1の状態の他に、キュビッ
トは、まるで、「その間」のすべての状態になっている。
2つの古典的ビットの場合、00,01,10,11の
4つの場合がありえる。これは一般的に、|ψ1>=c1
|00>+c2|01>+c3|10>+c4|11>で
表せる状態になっている2個のキュビットと対比され
る。たとえば、
Instead of wires and currents, quantum computers use, for example, the electronic state of atoms to record information. For example, two quantum states are ground state | 0
> And excited state | 1> (using Dirac notation). Since atoms obey the laws of quantum mechanics, the most common electronic state is the superposition of these two basic states and is expressed as | ψ 1 > = c 1 | 0> + c 2 | 1>. This electronic state is, for short, a qubit,
It is called a qubit. In addition to the 0 and 1 states, the qubit is in all states "between".
For two classic bits, there can be four cases, 00,01,10,11. This is generally | ψ 1 > = c 1
| 00> + c 2 | 01> + c 3 | 10> + c 4 | 11> in comparison with two qubits. For example,

【0059】[0059]

【数8】 (Equation 8)

【0060】の場合、有名なアインシュタイン−ボドル
スキー−ローゼン(Einstein-Podolski-Rosen(EP
R))状態
In the case of the famous Einstein-Podolski-Rosen (EP
R)) State

【0061】[0061]

【数9】 (Equation 9)

【0062】が得られる。この状態の2つのキュビット
は、古典物理学では不可能な相関度を表している。従っ
て、すべての局所的(すなわち、古典的な)状態が満足
するベル(Bell)の不等式が成立しない。この現象はも
つれ合いと言われ、正確な量子計算の根幹になってい
る。多数のもつれ合ったキュビットを局所的に利用する
ことにより、古典コンピュータの計算速度に比べて量子
コンピュータの計算速度を著しく向上できる。このよう
に、古典計算と量子計算は、情報を符号化し、操作する
方法に違いがある。すなわち、古典的な論理(ブール論
理)または量子的な論理のどちらの論理が基本になって
いるかが重要な役割を果たしている。
Is obtained. The two qubits in this state represent a degree of correlation that is impossible in classical physics. Therefore, the Bell inequality that does not satisfy all local (ie, classical) states does not hold. This phenomenon is called entanglement and is the basis of accurate quantum computation. By using a large number of entangled qubits locally, the computational speed of a quantum computer can be significantly improved compared to the computational speed of a classical computer. Thus, classical and quantum computation differ in the way they encode and manipulate information. That is, whether the logic is based on classical logic (Boolean logic) or quantum logic plays an important role.

【0063】量子コンピュータは、因数分解やデータベ
ース検索などの問題を効率よく解くことができる。量子
探索アルゴリズム(QSA)は、古典的なアルゴリズム
では解けない問題の解法に使用できる。1実施例におい
て、量子力学アルゴリズムは、データベースの特別な性
質を利用する効率的なデータベースアルゴリズムと組み
合わせる。
The quantum computer can efficiently solve problems such as factorization and database search. Quantum search algorithms (QSAs) can be used to solve problems that cannot be solved by classical algorithms. In one embodiment, quantum mechanical algorithms combine with efficient database algorithms that take advantage of the special properties of databases.

【0064】量子アルゴリズムの一般的な構造 1実施例において、量子回路で表された量子アルゴリズ
ムは、対応するプログラム可能な量子ゲートに変換され
る。このゲートは行列演算子で表せ、量子レジスタの入
力状態のベクトル表示に適用した場合、生成される結果
は図7に示しているような量子レジスタの出力状態のベ
クトル表示になる。
General Structure of Quantum Algorithm In one embodiment, a quantum algorithm represented by a quantum circuit is converted into a corresponding programmable quantum gate. This gate can be represented by a matrix operator, and when applied to the vector representation of the input state of the quantum register, the generated result is a vector representation of the output state of the quantum register as shown in FIG.

【0065】量子計算は、量子コヒーレント状態に作用
する3つの演算子に基づいている。これらの演算子は、
重ね合わせ、もつれ合い及び干渉である。コヒーレント
状態は、最小不確定性の展開状態(ハイゼンベルクに従
うと、「最大の古典的性質」の量子状態である)を表す、
対応するシュレーディンガーの方程式の解として表せ
る。アダマール変換は、古典的な状態から重ね合わせを
生成する。量子演算子、たとえばCNOTは強固な重ね
合わせ状態を作る。量子高速フーリエ変換は、干渉を提
供する。量子計算の多数の操作は、重ね合わせ振幅の制
御された位相調整、置き換え、変換の近似及びブロック
行列変換に対する位相調整の一般化によって効率的に実
現される。これらの操作は、古典的コンピュータ上で実
現される量子探索アルゴリズム内で使用される演算子を
一般化する。次に、ドイッチェ−ヨーザ(Deutsch-Jozs
a)のアルゴリズムとグローバー(Grover)のアルゴリ
ズムに基づいた例に従って、古典的コンピュータ上でシ
ミュレーションする一般的な場合のこの手法の利用につ
いて説明する。
The quantum computation is based on three operators acting on the quantum coherent state. These operators are
Superposition, entanglement and interference. A coherent state represents an evolved state of minimal uncertainty (according to Heisenberg, a quantum state of "maximum classical properties"),
It can be expressed as a solution to the corresponding Schrodinger equation. The Hadamard transform produces a superposition from classical states. Quantum operators, such as CNOT, create strong superposition. The quantum fast Fourier transform provides interference. Many operations in quantum computation are efficiently realized by controlled phase adjustment, replacement, superposition of transforms, and generalization of phase adjustment to block matrix transformation. These operations generalize the operators used within quantum search algorithms implemented on classical computers. Next, Deutsch-Jozs
The use of this technique in the general case of simulating on a classical computer will be described according to an example based on the algorithm of a) and the Grover algorithm.

【0066】量子アルゴリズムで解く問題を 関数f:[0,1]n→[0,1]mが与えられた場合に、f
の性質を求める。と、する。量子アルゴリズムの構造を
高レベル表示で図8に示す。図8では、関数fで示され
ている入力801が、エンコーダ802に渡される。エ
ンコーダ802の出力は、演算子Uf803になる。演
算子803は、量子部804に渡される。量子部の出力
804は、基底ベクトル805の集合になる。基底ベク
トル805は、デコーダ806に渡される。答え807
が、デコーダ806の出力である。入力801と出力8
07は、ビット列層を作る。エンコーダ802とデコー
ダ806は、写像表と解釈空間層を作る。演算子80
3、量子部804及び基底ベクトル805は、複素ヒル
ベルト空間内に存在する。
When the problem solved by the quantum algorithm is given by a function f: [0, 1] n → [0, 1] m , f
Find the nature of And FIG. 8 shows the structure of the quantum algorithm in a high-level representation. In FIG. 8, an input 801 represented by a function f is passed to an encoder 802. The output of encoder 802 is operator U f 803. The operator 803 is passed to the quantum unit 804. The output 804 of the quantum part is a set of basis vectors 805. The basis vector 805 is passed to the decoder 806. Answer 807
Is the output of the decoder 806. Input 801 and output 8
07 creates a bit string layer. The encoder 802 and the decoder 806 create a mapping table and an interpretation space layer. Operator 80
3. The quantum part 804 and the basis vector 805 exist in the complex Hilbert space.

【0067】量子アルゴリズムの入力は、ビット列をビ
ット列に写像する関数fである。この関数は、すべての
文字列の写像を定義している写像表で表せる。関数f
は、まず最初に、fの性質に依存するユニタリ行列演算
子UFに符号化される。ある意味で、ユニタリ演算子UF
は、その入力と出力文字列が複素ヒルベルト空間の正準
基底ベクトルに符号化された場合のfを計算することで
ある。UFは、fを使用してすべての文字列のベクトル
符号をその像のベクトル符号に写像する。その逆行列が
共役転置UF -1=UFと一致する場合かつその場合に限
り、複素体の正方行列UFはユニタリである。ユニタリ
行列は、常に可逆であり、ベクトルのノルムを保持す
る。
The input of the quantum algorithm is a function f that maps a bit sequence into a bit sequence. This function can be represented by a mapping table that defines the mapping of all strings. Function f
Is first encoded into a unitary matrix operator U F depending on the nature of f. In a sense, the unitary operator U F
Is to compute f when its input and output strings are encoded into canonical basis vectors in complex Hilbert space. U F uses f to map the vector code of all strings to the vector code of its image. The complex square matrix U F is unitary if and only if its inverse matches the conjugate transpose U F -1 = U F. Unitary matrices are always invertible and preserve the norm of the vector.

【0068】行列演算子UFが生成された後に、UFが、
ユニタリ行列である量子ゲートGに組み込まれる。ユニ
タリ行列の構造は、行列UFの形式と解答する問題に依
存している。量子ゲートは、量子アルゴリズムの中心に
なっている。量子ゲートは、最初の正準基底ベクトルに
作用して、基底ベクトルの複素線形結合(重ね合わせ)
の出力を生成する。この重ね合わせには、最初の問題の
解答に必要な情報がすべて含まれている。
After the matrix operator U F has been generated, U F is
It is incorporated in a quantum gate G that is a unitary matrix. The structure of the unitary matrix depends on the form of the matrix U F and the problem to be solved. Quantum gates are central to quantum algorithms. The quantum gate operates on the first canonical basis vector to form a complex linear combination of the basis vectors (superposition).
Produces the output of This overlay contains all the information needed to answer the first question.

【0069】この重ね合わせが生成された後に、測定を
行い、情報を抽出する。量子力学で測定は、入力されて
いる重ね合わせの基底ベクトルのただ1つだけを出力と
して生成する非決定的な操作である。測定の出力になっ
ているすベての基底ベクトルの確率は、入力されている
複素線形結合の複素係数(確率振幅)に依存する。量子
ゲートと測定の部分的な作用が量子部804に渡され
る。量子部804をk回繰り返して、k個の基底ベクト
ルの集まりを作る。測定は非決定的な操作であるので、
これらの基底ベクトルは同一である必要がない。そし
て、問題の解答に必要な情報の1つを符号化する。
After the superposition is generated, measurement is performed to extract information. Measurement in quantum mechanics is a non-deterministic operation that produces as output only one of the input superposition basis vectors. The probabilities of all basis vectors that are the output of the measurement depend on the complex coefficient (probability amplitude) of the complex linear combination that is input. The partial action of the quantum gate and the measurement is passed to the quantum unit 804. The quantum unit 804 is repeated k times to create a set of k base vectors. Since measurement is a non-deterministic operation,
These basis vectors need not be identical. Then, one piece of information necessary for answering the question is encoded.

【0070】アルゴリズムの最後で、集められた基底ベ
クトルの解釈を行い、特定の確率を示している最初の問
題の解答を得る。エンコーダ部802の動作を図9に示
す。図9に示すように関数fが、3段階のステップで行
列UFに符号化される。まず、関数f:[0,1]n
[0,1]mの写像表が単写関数F:[0,1]n+m→[0,
1]n+mの写像表に変換される。ただし、単写関数Fは、
At the end of the algorithm, an interpretation of the collected basis vectors is performed to obtain an answer to the first problem which indicates a particular probability. FIG. 9 shows the operation of the encoder unit 802. As shown in FIG. 9, the function f is encoded into a matrix U F in three steps. First, the function f: [0, 1] n
The mapping table of [0,1] m is a single mapping function F: [0,1] n + m → [0,
1] It is converted into a mapping table of n + m . Where the single-shot function F is

【0071】[0071]

【数10】 (Equation 10)

【0072】を満足している。単写関数は、UFがユニ
タリであるという要件から導かれる。ユニタリ演算子は
可逆であるので、2個の異なった入力を同じ出力に写像
できない。UFは、Fを行列で表したものであるので、
Fは単写的であると仮定される。fは非単写的であり得
るので、関数fの行列表現を直接使用すると、非ユニタ
リ行列になってしまう。従って、単写性はビット数を増
加させて、関数fの代わりに関数Fを考慮することで満
足される。関数fは、入力文字列内で(y0,...,y
m-1)=(0,...,0)とし、最後の出力文字列のm
個の値を読むことで、常にFから計算される。
Is satisfied. The single-shot function is derived from the requirement that U F be unitary. Since unitary operators are reversible, two different inputs cannot be mapped to the same output. U F is a representation of F in a matrix,
F is assumed to be single-shot. Since f can be non-single-shot, the direct use of the matrix representation of the function f results in a non-unitary matrix. Therefore, the single shooting property is satisfied by increasing the number of bits and considering the function F instead of the function f. The function f is (y0, ..., y
m-1 ) = (0, ..., 0), and m of the last output character string
By reading these values, it is always calculated from F.

【0073】図9の2番目のステップで関数Fの写像表
は、次式の制約条件
The mapping table of the function F in the second step of FIG.

【0074】[0074]

【数11】 [Equation 11]

【0075】に従って、UFの写像表に変換される。符
号写像
According [0075], it is converted to the mapping table of the U F. Sign mapping

【0076】[0076]

【数12】 (Equation 12)

【0077】は対象とする複素ヒルベルト空間を表す)
は、次式
Represents a target complex Hilbert space)
Is

【0078】[0078]

【数13】 (Equation 13)

【0079】を満足する。符号τは、ビット値をC2
標準基に属する2次元の複素ベクトルに写像する。テン
ソル積を使用して、τは、一般的な状態のn次元のビッ
ト列を2n次元のベクトルに写像し、この状態をレジス
タを構成するnビットの結合状態に変える。すべてのビ
ット状態は、対応する2次元の基底ベクトルに変換され
る。次に、文字列の状態が、テンソル積を使用してビッ
トベクトルをすべて組み立てることにより、対応する2
n次元の基底ベクトルに写像される。このことより、テ
ンソル積は、状態結合のベクトルに対応するものであ
る。
Is satisfied. The symbol τ maps a bit value to a two-dimensional complex vector belonging to the C 2 standard. Using the tensor product, τ maps an n- dimensional bit sequence of a general state into a 2 n- dimensional vector, and turns this state into an n-bit combined state that makes up a register. All bit states are converted to corresponding two-dimensional basis vectors. Next, the state of the string is set to the corresponding 2 by assembling all the bit vectors using the tensor product.
Maps to an n- dimensional basis vector. Thus, the tensor product corresponds to the vector of the state coupling.

【0080】最後に、図9の第3ステップで、UFの写
像表が、次式で示す変換規則
Finally, in the third step of FIG. 9, the mapping table of U F

【0081】[0081]

【数14】 [Equation 14]

【0082】を使用してUFに変換される。この規則
は、ベクトル|i>と|j>を列ベクトルと考えること
で理解できる。これらのベクトルを標準基と関連させる
と、UFは単位行列の行の置き換え写像を定義してい
る。一般的には、行|j>が行|i>に写像される。図
10に、量子部804の操作を示す。量子部804の中
心は量子ゲート1002である。量子ゲートは、行列U
Fの性質に依存する。
Is converted to U F using This rule can be understood by considering the vectors | i> and | j> as column vectors. When these vectors is associated with a standard group, U F defines a mapping replacement row of the unit matrix. In general, row | j> is mapped to row | i>. FIG. 10 shows the operation of the quantum unit 804. The center of the quantum unit 804 is the quantum gate 1002. The quantum gate is a matrix U
Depends on the nature of F.

【0083】行列演算子UFは、エンコーダ部802の
出力であり、量子部804の入力になっている。量子部
804で、行列演算子UFは、まず、さらに複雑なゲー
トである量子ゲートGに組み込まれる。ユニタリ行列G
は、2n+m次元の最初の正準基底ベクトル|i>にk回
適用される。毎回、得られた基底ベクトルの複雑な重ね
合わせG|0..01..1>が測定され、その結果、
1つの基底ベクトル|xi>が作られる。測定された基
底ベクトル{|x1>,..,|xk>}が一緒に集められ
る。この集まりは、量子部804の出力になっている。
このアルゴリズムの「知性」は、fに要求される性質を求
めるために必要な情報が抽出でき、それを出力ベクトル
の集まりに保存できる、量子ゲートを組み立てる能力に
ある。
The matrix operator U F is an output of the encoder unit 802 and an input of the quantum unit 804. In the quantum unit 804, the matrix operator U F is first incorporated into a quantum gate G, which is a more complicated gate. Unitary matrix G
Is applied k times to the first canonical basis vector | i> of 2 n + m dimensions. Each time, a complex superposition G | 0. . 01. . 1> is measured, so that
One basis vector | x i > is created. The measured basis vectors {| x 1 >, .., | x k >} are collected together. This collection is the output of the quantum unit 804.
The "intelligence" of this algorithm lies in its ability to assemble a quantum gate that can extract the information needed to determine the properties required for f and store it in a collection of output vectors.

【0084】量子ゲートを表すには、量子回路と言われ
る図を使用するのが便利である。量子回路の例を図11
に示す。各長方形はn×nの行列と関係している。ここ
でnは長方形に入線及び出線する線の数になる。たとえ
ば、UFの長方形は行列UFに関係している。量子回路
は、ゲートを高レベルで表示したものである。量子回路
は、変換規則を使用すると、対応するゲート行列にまと
めることができる。これらの変換規則を図12A−12
Fに示す。
To represent a quantum gate, it is convenient to use a diagram called a quantum circuit. FIG. 11 shows an example of a quantum circuit.
Shown in Each rectangle is associated with an n × n matrix. Here, n is the number of lines entering and exiting the rectangle. For example, a rectangular U F is related to the matrix U F. Quantum circuits are high-level representations of gates. Quantum circuits can be organized into corresponding gate matrices using transformation rules. These conversion rules are shown in FIGS. 12A-12.
Shown in F.

【0085】デコーダ部806は、量子部804の実行
を繰り返した後に集めた基底ベクトルを解釈する。基底
ベクトルの復号化は、基底ベクトルをビット列に再変換
することを意味している。そして、基底ベクトルがすで
に開始した問題の答えを含んでいる場合には、ビット列
を直接解釈する。すなわち、ある方程式系の係数ベクト
ルとしてビット列を使用し、探索される解を得る。
The decoder section 806 interprets the basis vectors collected after repeating the execution of the quantum section 804. Decoding the basis vector means reconverting the basis vector into a bit string. Then, if the basis vector contains the answer to the problem already started, the bit string is interpreted directly. That is, a bit string is used as a coefficient vector of a certain equation system to obtain a solution to be searched.

【0086】上記のアルゴリズムの例として、ドイッチ
ェ−ヨーザ(DJ)のアルゴリズムの量子ゲート表現を
展開するのが都合が良い。このゲートは、行列演算子U
Fの構造を表している図8に関連して展開された手法に
従って実現される。DJアルゴリズムは次のように説明
される。定値または平衡関数f:{0,1}n→{0,
1}が与えられた場合に、fが定値または平衡している
かどうかを決定する(この問題は、ドイッチェの問題と
非常によく類似しているが、ドイッチェの問題はn>1
の場合に一般化されていた)。
As an example of the above algorithm, it is convenient to develop a quantum gate representation of the Deutsche-Yoser (DJ) algorithm. This gate uses the matrix operator U
This is realized according to the method developed in connection with FIG. 8 representing the structure of F. The DJ algorithm is described as follows. Fixed value or equilibrium function f: {0, 1} n → {0,
Given 1}, determine whether f is fixed or balanced (this problem is very similar to Deutsche's problem, but Deutsche's problem is n> 1
Was generalized to the case).

【0087】A.まず、n=2の特別な場合のDJアル
ゴリズムのエンコーダを考える。従って、
A. First, consider the DJ algorithm encoder for the special case of n = 2. Therefore,

【0088】[0088]

【数15】 (Equation 15)

【0089】の場合を考える。この場合、Fの写像表
は、
Consider the case (1). In this case, the mapping table of F is

【0090】[0090]

【表1】 [Table 1]

【0091】で与えられる。fの写像表をエンコーダ部
に入力して、それを行列演算子UFに符号化する。UF
複素ヒルベルト空間の中に作用する。関数fを、次式
Is given by The mapping table of f is input to the encoder unit, and it is encoded into the matrix operator U F. U F operates in complex Hilbert space. The function f is expressed by the following equation

【0092】[0092]

【数16】 (Equation 16)

【0093】に従った単写関数Fに符号化する。従っ
て、Fの写像表
Is encoded into a single-shot function F according to Therefore, the mapping table of F

【0094】[0094]

【表2】 [Table 2]

【0095】が得られる。Fの写像表を、規則Is obtained. The mapping table of F

【0096】[0096]

【数17】 [Equation 17]

【0097】を使用して、UFの写像表に符号化する。
ここで、τは上記で定義された符号写像である。従っ
て、UFの写像表は、
[0097] Use is encoded into the mapping table of the U F.
Here, τ is the code mapping defined above. Therefore, the mapping table of U F is

【0098】[0098]

【表3】 [Table 3]

【0099】となる。UFの写像表を元に、対応する行
列演算子を計算する。この行列は、規則
## EQU10 ## Based on a mapping table of U F, compute the corresponding matrix operator. This matrix is a rule

【0100】[0100]

【数18】 (Equation 18)

【0101】を使用して得られる。従って、UFは、Is obtained. Therefore, U F is

【0102】[0102]

【表4】 [Table 4]

【0103】の行列になる。行列のテンソル積を使用す
ると、UFは、次式
The matrix is as follows. Using the tensor product of the matrix, U F is

【0104】[0104]

【数19】 [Equation 19]

【0105】で表せる。ここで、Can be expressed by here,

【0106】[0106]

【数20】 (Equation 20)

【0107】はテンソル積、Iは2次の単位行列、C
は、
Is a tensor product, I is a quadratic identity matrix, C
Is

【0108】[0108]

【数21】 (Equation 21)

【0109】で定義されるNOT行列を表している。行
列Cは、基底ベクトルを反転する。すなわち、この行列
は、ベクトル|0>を|1>に、|1>を|0>に変換
する。行列UFを3個の2次元ベクトルのテンソル積に
適用する場合に得られるベクトルは、行列Iを入力ベク
トルの最初の2つのベクトルにそれぞれ適用し、行列C
を入力ベクトルの3番目のベクトルに適用して得られ
る、3個のベクトルのテンソル積になる。すなわち、U
Fは、入力ベクトルのテンソル積を作っている最初の2
つのベクトルはそのまま保存し、3番目のベクトルは反
転(Cの作用)させる。この作用は、UFの写像表に示
されている制約条件に対応している。
Represents a NOT matrix defined by The matrix C inverts the basis vector. That is, this matrix converts vector | 0> to | 1> and | 1> to | 0>. The vector obtained when applying the matrix U F to the tensor product of three two-dimensional vectors is obtained by applying the matrix I to each of the first two vectors of the input vector, and obtaining the matrix C
Is applied to the third vector of the input vectors, resulting in a tensor product of the three vectors. That is, U
F is the first two of the tensor products of the input vector
One vector is stored as it is, and the third vector is inverted (the effect of C). This effect corresponds to the constraints shown in mapping table of U F.

【0110】B.次に、B. next,

【0111】[0111]

【数22】 (Equation 22)

【0112】の場合を考える。この場合、fの写像表
は、
Consider the case (1). In this case, the mapping table of f is

【0113】[0113]

【表5】 [Table 5]

【0114】で与えられる。Fの写像表Is given by Mapping table of F

【0115】[0115]

【表6】 [Table 6]

【0116】が得られる。Fの写像表をUFの写像表に
符号化して、UFの写像表
Is obtained. A mapping table of F and encoded map table U F, mapping table of U F

【0117】[0117]

【表7】 [Table 7]

【0118】を得る。この写像表は、簡単に行列に変換
できる。ベクトルのすべてが保存され、対応する行列は
3次元の単位行列になる。すなわち、UFに対応する行
Is obtained. This mapping table can be easily converted into a matrix. All vectors are stored, corresponding matrix is two 3-dimensional matrix. That is, the matrix corresponding to U F

【0119】[0119]

【表8】 [Table 8]

【0120】が得られる。この行列は、行列のテンソル
積を使用すると、
Is obtained. This matrix, using the matrix tensor product,

【0121】[0121]

【数23】 (Equation 23)

【0122】で表せる。UFは、入力ベクトルのテンソ
ル積を作っている2次元の基底ベクトルをすべて独立し
て展開させる。どのベクトルも他のベクトルに影響を与
えない。たとえば、平衡関数
It can be expressed by U F independently expands all the two-dimensional basis vectors forming the tensor product of the input vectors. None of the vectors affect other vectors. For example, the equilibrium function

【0123】[0123]

【数24】 (Equation 24)

【0124】を考える。この場合、fの写像表は次のConsider the following. In this case, the mapping table of f is

【0125】[0125]

【表9】 [Table 9]

【0126】となる。上記で説明したような計算を行う
と、次の写像表
Is as follows. Performing the calculations described above yields the following mapping table:

【0127】[0127]

【表10】 [Table 10]

【0128】は、単写関数F(ただし、fは符号化され
ている)を表している。次に、Fの写像表をUFの写像
表に符号化して、UFの写像表
Represents a single-shot function F (where f is encoded). Then encodes the mapping table of F to the mapping table of the U F, mapping table of U F

【0129】[0129]

【表11】 [Table 11]

【0130】を得る。従って、UFに対応する行列Is obtained. Therefore, the matrix corresponding to U F

【0131】[0131]

【表12】 [Table 12]

【0132】を得る。この行列は小行列のテンソル積で
は表せない。すなわち、ブロック行列で表すと、
Is obtained. This matrix cannot be expressed as a tensor product of small matrices. That is, when represented by a block matrix,

【0133】[0133]

【表13】 [Table 13]

【0134】となる。入力ベクトルのテンソル積を作っ
ている3番目のベクトルに作用する行列演算子は、最初
の2つのベクトルの値に依存していることが分かる。た
とえば、最初の2つのベクトルが|0>と|0>の場
合、3番目のベクトルに作用する演算子は単位行列にな
る。また、最初の2つのベクトルが|0>と|1>の場
合、3番目の展開は行列Cが決定する。従って、この演
算子はもつれ合い、すなわち、テンソル積のベクトルの
相関を作っている。
Is obtained. It can be seen that the matrix operator acting on the third vector forming the tensor product of the input vectors depends on the values of the first two vectors. For example, if the first two vectors are | 0> and | 0>, the operator acting on the third vector is an identity matrix. If the first two vectors are | 0> and | 1>, the third expansion is determined by the matrix C. Thus, this operator is tangling, that is, correlating the vector of tensor products.

【0135】C.n=2の一般的な関数を考える。この
一般的な場合、fの写像表は、
C. Consider a general function of n = 2. In this general case, the mapping table for f is

【0136】[0136]

【表14】 [Table 14]

【0137】で与えられる。ただし、fi∈{0,
1},i=00、01、10、11とする。fが定数の
場合、
Is given by Where f i ∈ {0,
1}, i = 00, 01, 10, and 11. If f is a constant,

【0138】[0138]

【数25】 (Equation 25)

【0139】が成り立つ。fが平衡している場合、|
{fi:fi=0}|=|{fi:fi=1}|が成り立つ。
単写関数F(ここで、fは符号化されている)は次の写
像表
The following holds. If f is balanced |
{F i: f i = 0 } | = | {f i: f i = 1} | is satisfied.
The single-map function F (where f is encoded) is the following mapping table

【0140】[0140]

【表15】 [Table 15]

【0141】で表せる。次に、Fの写像表をUFの写像
表に符号化して、UFの写像表
Can be represented by Then encodes the mapping table of F to the mapping table of the U F, mapping table of U F

【0142】[0142]

【表16】 [Table 16]

【0143】を得る。UFに対応する行列は、ブロック
行列を使用して次の一般形式
Is obtained. The matrix corresponding to U F is expressed in the following general form using a block matrix

【0144】[0144]

【表17】 [Table 17]

【0145】で表せる。ここで、fi=0の場合Mi=I、
i=l,の場合Mi=Cとなる。ただし、i=00,0
1,10,11である。この行列は、入力ベクトルの最
初の2個のベクトルを他のベクトルに写像する場合、零
の演算子を入力ベクトルの3番目のベクトルに適用して
変換し零の確率振幅を生成する。従って、最初の2個の
ベクトルは常に変らない。また、入力ベクトルの最初の
2個のベクトルを自分自身に写像する場合、これとは逆
に、演算子はMi∈{I,C}が成り立つ集合に属し、そ
の演算子が3番目のベクトルに適用される。Miのすべ
てが一致する場合、演算子UFは定値関数を符号化す
る。それ以外の場合、演算子UFは非定値関数を符号化
し、さらに、|[Mi:Mi=I]|=|[Mi:Mi=C]|の場
合、fは平衡している。
Can be expressed by Here, if f i = 0, M i = I,
In the case of f i = 1, M i = C. Where i = 00,0
1, 10, and 11. This matrix is transformed by applying a zero operator to the third vector of the input vector to produce a zero probability amplitude when mapping the first two vectors of the input vector to another vector. Therefore, the first two vectors do not always change. On the other hand, when the first two vectors of the input vector are mapped to themselves, the operator belongs to the set where M i {I, C} holds, and the operator is the third vector. Applied to If all M i match, the operator U F encodes the value function. Otherwise, the operator U F encodes a non-definite function, and if | [M i : M i = I] | = | [M i : M i = C] | I have.

【0146】D.n>0の一般的な場合、入力関数fの
写像表は、
In the general case where D.n> 0, the mapping table of the input function f is

【0147】[0147]

【表18】 [Table 18]

【0148】で与えられる。ただし、fi∈{0,1},
i∈(0,1)nが成り立つ。fが定数の場合は
Is given by Where f i ∈ {0,1},
i∈ (0,1) n holds. If f is a constant

【0149】[0149]

【数26】 (Equation 26)

【0150】となる。fが平衡している場合は|[fi
i=0]|=|[fi:fi=1]|となる。対応する単写関数
Fの写像表は
Is obtained. If f is balanced, | [f i :
f i = 0] | = | [f i: f i = 1] | become. The mapping table of the corresponding single-shot function F is

【0151】[0151]

【表19】 [Table 19]

【0152】になる。次に、Fの写像表をUFの写像表
に符号化して、UFの写像表
Is obtained. Then encodes the mapping table of F to the mapping table of the U F, mapping table of U F

【0153】[0153]

【表20】 [Table 20]

【0154】を得る。UFに対応する行列は、ブロック
行列を使用して次の一般形式
Is obtained. The matrix corresponding to U F is expressed in the following general form using a block matrix

【0155】[0155]

【表21】 [Table 21]

【0156】で表せる。ここで、fi=0の場合Mi
I、またfi=lの場合Mi=Cとなる。ただし、i∈
{0,1}nとする。この行列は、最初のn個のベクト
ルをそのまま残し、演算子Mi∈{I,C}を最後のベ
クトルに適用する。MiのすべてがIまたはCと一致す
る場合、行列は定値関数を符号化して
Can be expressed by Here, when f i = 0, M i =
I, and if f i = 1, then M i = C. Where i∈
{0, 1} n . This matrix applies the operator M i {I, C} to the last vector, leaving the first n vectors intact. If all M i coincides with I or C, matrix encodes the value function

【0157】[0157]

【数27】 [Equation 27]

【0158】で表せる。この場合、もつれ合いは生成さ
れない。それ以外の場合で条件|{M i:Mi=I}|=
|{Mi:Mi=C}|が満足される場合、fは平衡して
おり、演算子がベクトルの相関を作る。次に、エンコー
ダの出力である行列UFが、DJアルゴリズムの量子ゲ
ートに組み込まれる。このゲートは、図13に示されて
いる量子回路を使用して表される。図12Cの同一性の
規則を使用して、図13の回路が、図14に示されてい
る回路にまとめられる。
Can be expressed by In this case, entanglement is created
Not. Otherwise | Condition | i: Mi= I} | =
| {Mi: Mi= C} | is satisfied, f is balanced
And the operator creates a vector correlation. Next, Enko
Matrix U which is the output ofFIs the quantum algorithm of the DJ algorithm
Embedded in the chart. This gate is shown in FIG.
Is represented using a quantum circuit. 12C identity
Using rules, the circuit of FIG. 13 is shown in FIG.
Circuit.

【0159】fが定数でその値が1の場合、行列演算子
F
If f is a constant and its value is 1, the matrix operator U F is

【0160】[0160]

【数28】 [Equation 28]

【0161】で表される。従って、図12Aで示されて
いるように、UFは、入力ベクトルのテンソル積を作っ
ているn+1個の2次元ベクトルに同時に作用する、n
+1個の小演算子に分解される。得られる回路を図15
に示す。図12Bを使用して入力のすべての2次元ベク
トルに作用している部分ゲートを求めると、図16が得
られる。入力ベクトルがすべて独立して展開する。これ
は、演算子UFがどのような相関も作らないためであ
る。従って、入力ベクトルのすべての展開を別々に分析
できる。この回路はM・I=Mであるので、図17で示
すように簡単に表せる。H2=Iであるので、回路は図
18となる。
Is represented by Thus, as shown in FIG. 12A, U F operates on n + 1 two-dimensional vectors simultaneously forming a tensor product of the input vectors, n
Decomposed into +1 small operators. The resulting circuit is shown in FIG.
Shown in Using FIG. 12B to determine partial gates acting on all two-dimensional vectors of the input, FIG. 16 is obtained. All input vectors expand independently. This is because the operator U F does not make any correlation. Thus, all expansions of the input vector can be analyzed separately. Since this circuit has M · I = M, it can be simply represented as shown in FIG. Since H 2 = I, the circuit is as shown in FIG.

【0162】次に、ベクトルのすべてに作用する演算子
の効果
Next, the effect of the operator acting on all of the vectors

【0163】[0163]

【数29】 (Equation 29)

【0164】を考える。図12Dと12Cに示されてい
る操作と関連するこれらの演算子の結果を使用して、図
19に示されているような回路表現が得られる。このよ
うに、fが値1の定数の場合、最初のn個のベクトルが
保存される。同様な分析を値0の定値関数に対して行
う。この場合、UF
Consider the following. Using the results of these operators in conjunction with the operations shown in FIGS. 12D and 12C, a circuit representation as shown in FIG. 19 is obtained. Thus, if f is a constant with the value 1, the first n vectors are saved. A similar analysis is performed for the constant function of value 0. In this case, U F

【0165】[0165]

【数30】 [Equation 30]

【0166】で表される。また、最後の回路を図20に
示す。この場合も、最初のn個の入力ベクトルが保持さ
れる。従って、量子ゲートが作用した後の最初のn個の
入力ベクトルの出力値は、そのまま|0>になってい
る。図14の回路を操作すると、図21に示すDJアル
ゴリズムを一般的に実現するゲートが得られる。図21
に示す回路は、図22に示す最終回路に展開される。
Are represented by FIG. 20 shows the last circuit. Also in this case, the first n input vectors are retained. Therefore, the output values of the first n input vectors after the operation of the quantum gate are | 0> as they are. Operating the circuit of FIG. 14 results in a gate that generally implements the DJ algorithm shown in FIG. FIG.
Is expanded to the final circuit shown in FIG.

【0167】n=2の場合、UFIf n = 2, U F is

【0168】[0168]

【表22】 [Table 22]

【0169】の形式になる。ここで、Mi∈{I,C}で
ある。ただし、i=00,01,10,11である。量
子ゲートを
The format is as follows. Here, M i {I, C}. Here, i = 00, 01, 10, and 11. Quantum gate

【0170】[0170]

【数31】 [Equation 31]

【0171】とすると、Then,

【0172】[0172]

【表23】 [Table 23]

【0173】[0173]

【表24】 [Table 24]

【0174】が得られるn>0の一般的な場合に、UF
は、
In the general case where n> 0, we have U F
Is

【0175】[0175]

【表25】 [Table 25]

【0176】の形式になる。ここで、Mi∈{I,C}で
ある。ただし、i∈{0,1}nである。量子ゲートを
The format is as follows. Here, M i {I, C}. Here, i∈ {0,1} n . Quantum gate

【0177】[0177]

【数32】 (Equation 32)

【0178】とすると、Then,

【0179】[0179]

【表26】 [Table 26]

【0180】が得られる。この表では、ビット列演算子
.」を使用している。この演算子は2つの文字列のビ
ットごとにANDを取ったビットのパリティを表してい
る。この演算子は、長さnの2個のビット列xとyが与
えられた場合に、次式
Is obtained. This table uses the bit string operator " . " This operator represents the parity of the bits obtained by ANDing the bits of two strings. This operator, given two bit strings x and y of length n, gives

【0181】[0181]

【数33】 [Equation 33]

【0182】で定義される。ここで、2つのビット間で
使われている記号「・」は論理演算子のANDを表して
いる。行列n+1Hが実際に上表で得られることを明らか
にするには、次式
Is defined as Here, the symbol "." Used between the two bits indicates the logical operator AND. To show that the matrix n + 1 H is actually obtained in the above table,

【0183】[0183]

【数34】 [Equation 34]

【0184】が成り立つことを証明すればよい。証明は
帰納法により行う。n=1の場合、次式
It suffices to prove that the following holds. Proof is made by induction. When n = 1, the following equation

【0185】[0185]

【数35】 (Equation 35)

【0186】が成り立つ。n>1の場合、次式The following holds. If n> 1, the following equation

【0187】[0187]

【数36】 [Equation 36]

【0188】が得られる。行列n+1Hがテンソル積によ
ってnHから得られる。同様にして、行列
Is obtained. The matrix n + 1 H is obtained from n H by the tensor product. Similarly, the matrix

【0189】[0189]

【数37】 (37)

【0190】が計算され、Is calculated,

【0191】[0191]

【表27】 [Table 27]

【0192】[0192]

【表28】 [Table 28]

【0193】が得られる。この演算子は排他的に入力ベ
クトル|0..01>に適用されるので、ゲートGの最
初の列だけを計算する。従って、計算結果を表す次表に
は、最初の列だけが示されている。
Is obtained. This operator is exclusive with the input vector | 0. . 01>, only the first column of gate G is calculated. Therefore, only the first column is shown in the following table showing the calculation results.

【0194】[0194]

【表29】 [Table 29]

【0195】fが定数の場合、行列Miのすべてが同一
になることが分かる。これは、次式
[0195] If f is a constant, it can be seen that all matrices M i are the same. This is

【0196】[0196]

【数38】 (38)

【0197】となる。これは、この和で+1の数が−1
の数に等しいためである。従って、入力ベクトル|
0..01>はベクトル|0..00>と|0..01
>の重ね合わせに写像される。fが平衡している場合、
i=Iの数はMi=Cの数に等しい。これは、
The following is obtained. This means that the sum of +1 in this sum is -1
Because it is equal to the number of Therefore, the input vector |
0. . 01> is a vector | 0. . 00> and | 0. . 01
> Are superimposed. If f is balanced,
The number M i = I is equal to the number M i = C. this is,

【0198】[0198]

【数39】 [Equation 39]

【0199】となる。従って、次式Is obtained. Therefore,

【0200】[0200]

【数40】 (Equation 40)

【0201】となる。平衡関数の場合、入力ベクトル|
0..01>は、量子ゲートによってベクトル|0..
00>または|0..01>を含む重ね合わせに写像で
きないことが分かる。量子部は測定で終了する。測定の
可能な出力とその確率を決定できる。結果を次表に示
す。
The following is obtained. For the equilibrium function, the input vector |
0. . 01> is a vector | 0. .
00> or | 0. . It can be seen that the image cannot be mapped to the superposition including <01>. The quantum part ends with the measurement. The measurable outputs and their probabilities can be determined. The results are shown in the following table.

【0202】[0202]

【表30】 [Table 30]

【0203】A−Bの集合は、Aのすべての要素が属
し、Bの要素が属していない。この集合はA/Bと表さ
れる場合がある。量子部はドイッチェ−ヨーザのアルゴ
リズムでは1回だけ繰り返される。従って、最後の収集
は1個のベクトルだけで行われる。ドイッチェのアルゴ
リズムでは、最後の基底ベクトルが測定された場合に、
その基底ベクトルを解釈してfが定数であるか、平衡し
ているか決定することが必要になる。得られたベクトル
が、|0..0>の場合に関数は定数であり、そうでな
い場合関数は平衡している。すなわち、fが定数の場合
に、ゲートGは、測定した基底ベクトル|0..00>
と|0..01>だけが非零の確率振幅を排他的に持つ
ようなベクトルを作る。また、fが平衡している場合
に、ゲートGはこれらの2つのベクトルが基底ベクトル
の線形結合に零の係数をもつようなベクトルを作る。こ
の方法で、得られたベクトルが復号化され、ドイッチェ
−ヨーザの問題に対する以下の解が得られる。
In the set of AB, all elements of A belong and elements of B do not belong. This set may be denoted as A / B. The quantum part is repeated only once in the Deutsche-Yosa algorithm. Thus, the last acquisition is performed on only one vector. In Deutsche's algorithm, when the last basis vector is measured,
It is necessary to interpret the basis vectors to determine whether f is constant or balanced. The obtained vector is | 0. . If 0>, the function is constant; otherwise, the function is balanced. That is, when f is a constant, the gate G outputs the measured basis vector | 0. . 00>
And | 0. . 01> only have a non-zero probability amplitude exclusively. Also, when f is balanced, gate G creates a vector such that these two vectors have a zero coefficient in a linear combination of the basis vectors. In this way, the resulting vector is decoded and the following solution to the Deutsche-Yosa problem is obtained.

【0204】[0204]

【表31】 [Table 31]

【0205】次に説明するグローバーのアルゴリズム
は、ドイッチェ−ヨーザのアルゴリズムの変形である。
グローバーのアルゴリズムは、
The algorithm of Grover described next is a modification of the algorithm of Deutsche-Yosa.
Grover's algorithm is

【0206】[0206]

【表32】 [Table 32]

【0207】で表せる。ドイッチェ−ヨーザのアルゴリ
ズムは、入力関数を2種類に分類し、問題が入力関数が
どの分類に属しているか決定する。グローバーのアルゴ
リズムでは2n個の分類の入力関数を取り扱うが、この
ような難しい問題の場合でも問題の形が類似している
(説明されている種類の各関数は分類と考える)。以下
では、すっきりとした説明を行うために、まずn=2の
特別な関数を考える。次に、n=2の一般的な場合につ
いて説明する。そして、最後に、n>0の一般的な場合
について説明する。
Can be expressed by The Deutsche-Yosa algorithm classifies input functions into two types and determines to which question the input function belongs. Although Grover's algorithm handles 2 n classes of input functions, the shape of the problem is similar for these difficult problems (each function of the type described is considered a class). In the following, a special function of n = 2 is first considered for a clear description. Next, a general case where n = 2 will be described. Finally, a general case where n> 0 will be described.

【0208】まず、 n=2 f(01)=1 の場合を考える。この場合、fの写像表は、First, consider the case where n = 2 f (01) = 1. In this case, the mapping table of f is

【0209】[0209]

【表33】 [Table 33]

【0210】で定義される。関数fは、図8に関連して
説明されているように作成された単写関数Fに符号化さ
れる。関数fを、次式
Is defined as The function f is encoded into a single-shot function F created as described in connection with FIG. The function f is expressed by the following equation

【0211】[0211]

【数41】 [Equation 41]

【0212】に従った単写関数Fに符号化する。次に、
Fの写像表は、
Is encoded into a single-shot function F according to next,
The mapping table of F is

【0213】[0213]

【表34】 [Table 34]

【0214】になる。次に、Fの写像表を規則Is obtained. Next, the mapping table of F

【0215】[0215]

【数42】 (Equation 42)

【0216】を使用してUFの写像表に符号化する。た
だし、τは、図8に関連して説明されている符号写像で
ある。従って、UFの写像表は、
[0216] encoded into the mapping table of U F using. Where τ is the code mapping described in connection with FIG. Therefore, the mapping table of U F is

【0217】[0219]

【表35】 [Table 35]

【0218】となる。UFの写像表から、対応する行列
演算子を計算する。この行列は、規則
The following is obtained. From the mapping table of U F, compute the corresponding matrix operator. This matrix is a rule

【0219】[0219]

【数43】 [Equation 43]

【0220】を使用して得られる。その結果、対応する
行列演算子
Obtained by using As a result, the corresponding matrix operator

【0221】[0221]

【表36】 [Table 36]

【0222】が得られる。この行列は、最初のベクトル
が|0>で2番目のベクトルが|1>の場合に、入力ベ
クトルのテンソル積を作っている最初と2番目の入力基
底ベクトルはそのままにし、3番目の入力基底ベクトル
を反転する。これは、上記で説明したUFの制約条件に
一致している。
Is obtained. If the first vector is | 0> and the second vector is | 1>, the first and second input basis vectors forming the tensor product of the input vectors are left as they are, and the third input basis is Invert the vector. This is consistent with the constraints of the U F described above.

【0223】次に、さらに一般的な場合である次式Next, the following general formula, which is a more general case, is used.

【0224】[0224]

【数44】 [Equation 44]

【0225】を考える。対応する行列演算子は、Consider the following. The corresponding matrix operator is

【0226】[0226]

【表37】 [Table 37]

【0227】である。n=2の場合からn>1の場合に
演算子UFを一般化するのが近道である。ブロック行列
の主対角上の演算子Cは、ベクトル|x>によって名前
付けされているセルの対応に基づいている。ここで、x
は、fによってベクトル|x>を写像したビット列であ
る。従って、
Is as follows. From the case of n = 2 of n> 1 is a shortcut that generalize the operator U F in. The operator C on the main diagonal of the block matrix is based on the correspondence of the cell named by the vector | x>. Where x
Is a bit string obtained by mapping the vector | x> by f. Therefore,

【0228】[0228]

【表38】 [Table 38]

【0229】となる。エンコーダの出力である行列UF
が量子ゲートに組み込まれる。このゲートは、図23の
量子回路に示されている。演算子Dnはn次の拡散行列
と言われており、このアルゴリズムで干渉の役割を果た
している。ショアのアルゴリズムのQFTnならびにド
イッチェ−ヨーザのアルゴリズム及びサイモン(Simo
n)のアルゴリズムのnHと同じ役割を果たしている。こ
の行列は、
Is obtained. The matrix U F which is the output of the encoder
Is incorporated in the quantum gate. This gate is shown in the quantum circuit of FIG. The operator D n is said to be an n-order diffusion matrix and plays a role of interference in this algorithm. QFT n of Shore's algorithm and Deutsche-Yosa algorithm and Simon
It plays the same role as n H of the algorithm of n). This matrix is

【0230】[0230]

【表39】 [Table 39]

【0231】で定義される。図12Cに示されている変
換を使用して、図23の回路が図24の回路にまとめら
れる。たとえば、UFが、
Is defined as Using the transformation shown in FIG. 12C, the circuit of FIG. 23 is combined into the circuit of FIG. For example, U F

【0232】[0232]

【表40】 [Table 40]

【0233】の場合を考える。次に、量子ゲートをConsider the case of Next, the quantum gate

【0234】[0234]

【数45】 [Equation 45]

【0235】とした場合を計算する。この場合、式の各
項は、
Then, the case is calculated. In this case, each term in the equation is

【0236】[0236]

【表41】 [Table 41]

【0237】で得られる。h=1とすると、Is obtained. If h = 1, then

【0238】[0238]

【表42】 [Table 42]

【0239】が得られる。1つの例で、演算子3Hは、
最初の正準基底ベクトル|001>を絶対値が同じ
(実)係数の基底ベクトルのすべての重ね合わせにす
る。しかし、この係数は最後のベクトルが|0>の場合
正の符号、そうでない場合は負の符号をもつ。演算子U
Fは相関を作る。すなわち、演算子UFは、最初の2つの
ベクトルが|0>と|1>の場合、3番目のベクトルを
反転する。最終的に、
Is obtained. In one example, the operator 3 H is
Let the first canonical basis vector | 001> be the superposition of all basis vectors with the same (real) coefficient in absolute value. However, this coefficient has a positive sign if the last vector is | 0>, and a negative sign otherwise. Operator U
F makes a correlation. That is, the operator U F inverts the third vector when the first two vectors are | 0> and | 1>. Finally,

【0240】[0240]

【数46】 [Equation 46]

【0241】は干渉を作る。すなわち、すべての基底ベ
クトル
Create interference. That is, all basis vectors

【0242】[0242]

【数47】 [Equation 47]

【0243】に対して、演算子UFは、その最初の確率
振幅α’x0x1y0の符号を反転し、
On the other hand, the operator U F inverts the sign of its initial probability amplitude α ′ x0x1y0 ,

【0244】[0244]

【数48】 [Equation 48]

【0245】の形式のベクトルのすべての確率振幅の平
Average of all probability amplitudes of a vector of the form

【0246】[0246]

【数49】 [Equation 49]

【0247】の2倍を加えて、その出力確率振幅α’
x0x1y0を計算する。例では
The output probability amplitude α '
Calculate x0x1y0 . In the example

【0248】[0248]

【数50】 [Equation 50]

【0249】となる。たとえば、基底ベクトルを|00
0>とすると、
Is as follows. For example, if the basis vector is | 00
0>

【0250】[0250]

【数51】 (Equation 51)

【0251】となる。一般に、n=2の場合、UFは、Is obtained. In general, for n = 2, U F is

【0252】[0252]

【表43】 [Table 43]

【0253】となる。この一般的な場合の量子ゲートIs obtained. Quantum gate in this general case

【0254】[0254]

【数52】 (Equation 52)

【0255】は、Is

【0256】[0256]

【表44】 [Table 44]

【0257】となる。次に、Gをベクトル|001>に
適用した場合、
The following is obtained. Next, when G is applied to the vector | 001>,

【0258】[0258]

【数53】 (Equation 53)

【0259】を考える。出力ベクトルを測定し、得られ
たテンソル積の、最初の2つの2次元基底ベクトルを復
号化した場合に、
Consider the following. When the output vectors are measured and the first two 2D basis vectors of the resulting tensor product are decoded,

【0260】[0260]

【表45】 [Table 45]

【0261】結果確率の結果が得られる。n>0の一般
的な場合に、UFは、
The result of the result probability is obtained. In the general case where n> 0, U F is

【0262】[0262]

【表46】 [Table 46]

【0263】の形式になる。量子ゲートThe format is as follows. Quantum gate

【0264】[0264]

【数54】 (Equation 54)

【0265】は、Is

【0266】[0266]

【表47】 [Table 47]

【0267】となる。たとえば、h=1の場合、Is as follows. For example, if h = 1,

【0268】[0268]

【表48】 [Table 48]

【0269】となる。Is obtained.

【0270】[0270]

【数55】 [Equation 55]

【0271】であるので、この列は、Thus, this column is

【0272】[0272]

【表49】 [Table 49]

【0273】となる。従って、The following is obtained. Therefore,

【0274】[0274]

【表50】 [Table 50]

【0275】が得られる。次に、ベクトル|1>に行列
演算子{〔−l+(2n−1)/2n-1〕I+C/
n-1}H/2n/2と行列演算子{〔(2n−1)/2n-1
I+[−1+1/2n-1]C〕H/2n/2を適用すると、
それぞれ、次式
Is obtained. Next, the vector | 1> is added to the matrix operator {[−1+ (2 n −1) / 2 n−1 ] I + C /
2 n-1 } H / 2 n / 2 and matrix operator {[(2 n -1) / 2 n-1
When I + [-1 + 1 / 2n-1 ] C] H / 2n / 2 is applied,
Respectively,

【0276】[0276]

【数56】 [Equation 56]

【0277】が得られる。従って、次式Is obtained. Therefore,

【0278】[0278]

【数57】 [Equation 57]

【0279】が得られる。この式をブロックベクトルで
表すと、
Is obtained. Expressing this equation as a block vector,

【0280】[0280]

【表51】 [Table 51]

【0281】が得られる。この形式のベクトルに演算子Is obtained. Operator on vectors of this form

【0282】[0282]

【数58】 [Equation 58]

【0283】を適用する。この形式のベクトルを、Is applied. Vectors of this form

【0284】[0284]

【表52】 [Table 52]

【0285】とする。ここで、αとβは、〔2n−1〕
α22=1を満足する実数である。演算子を適用した
結果は、
It is assumed that Here, α and β are [2 n -1]
It is a real number that satisfies α 2 + β 2 = 1. The result of applying the operator is

【0286】[0286]

【表53】 [Table 53]

【0287】となる。この形式のベクトルGh=1
0..01>から始めて、h回演算子
Is obtained. Vector of this form G h = 1 |
0. . 01>, h times operator

【0288】[0288]

【数59】 [Equation 59]

【0289】を適用すると、t回目の係数はBy applying, the coefficient at the t time becomes

【0290】[0290]

【数60】 [Equation 60]

【0291】になる。従って、βが増加すると、αは減
少する。ドイッチェ−ヨーザのアルゴリズムのようにグ
ローバーの量子ゲートからの出力ベクトルが測定された
場合に、出力を解釈して
[0291] Thus, as β increases, α decreases. When the output vector from the Glover quantum gate is measured as in the Deutsche-Yosa algorithm, the output is interpreted.

【0292】[0292]

【数61】 [Equation 61]

【0293】を求める。このステップは比較的簡単であ
る。すなわち、大きなhを選択して、1に近い確率の探
索されたベクトル
Is obtained. This step is relatively simple. That is, by selecting a large h, the searched vector with a probability close to 1

【0294】[0294]

【数62】 (Equation 62)

【0295】を求めれば十分である。ベクトルを求めた
後、得られたテンソル積の最初のn個の基底ベクトルを
2進値に復号化し、最終解として文字列
Is sufficient. After finding the vectors, the first n basis vectors of the obtained tensor product are decoded into binary values, and the final solution is a string

【0296】[0296]

【数63】 [Equation 63]

【0297】が得られる。 情報理論 次に、情報理論から見た量子アルゴリズムの展開につい
て説明する。ここでは、量子ゲートに入力する複素ベク
トルを古典レベルと量子レベルの両方の情報源として考
える。シャノンのエントロピーHshは古典的な情報単位
である。ヒルベルト空間
Is obtained. Information theory Next, the development of the quantum algorithm from the viewpoint of information theory will be described. Here, a complex vector input to the quantum gate is considered as an information source at both the classical level and the quantum level. Shannon's entropy Hsh is a classical information unit. Hilbert space

【0298】[0298]

【数64】 [Equation 64]

【0299】の絶対値1の複素ベクトルを考える。ただ
し、HilQkはkのすべてに対して2次元であり、基底
ベクトルの複素線形結合
Consider a complex vector having an absolute value of 1. Where Hil Qk is two-dimensional for all k and is a complex linear combination of basis vectors.

【0300】[0300]

【数65】 [Equation 65]

【0301】で表せる。次に、基底[0301] Next, the base

【0302】[0302]

【数66】 [Equation 66]

【0303】についての状態|ψ>のシャノンのエント
ロピーを
The state | ψ> of Shannon's entropy

【0304】[0304]

【数67】 [Equation 67]

【0305】で定義する。ここで、[0305] here,

【0306】[0306]

【数68】 [Equation 68]

【0307】はベクトル|i1,i2…in>を測定する
確率と考える。フォンノイマン(Von Neumann)のエン
トロピーが量子相関に保存される情報の測定に使用され
る。ρ=|ψ><ψ|を状態|ψ>に関連する密度行列と
し、
[0307] is a vector | think the probability of measuring the i 1, i 2 ... i n >. Von Neumann's entropy is used to measure information stored in quantum correlation. Let ρ = | ψ><ψ | be the density matrix associated with the state | ψ>,

【0308】[0308]

【数69】 [Equation 69]

【0309】とする。次に、[0309] next,

【0310】[0310]

【数70】 [Equation 70]

【0311】と定義する。ここで、Tr〔1,,n
-T(…)は部分トレース演算子である。|ψ>のキュビ
ットjのフォンノイマンのエントロピーは、次式
The following is defined. Here, Tr [ 1, ... , n ]
-T (…) is a partial trace operator. The entropy of von Neumann of qubit j of | ψ> is

【0312】[0312]

【数71】 [Equation 71]

【0313】で定義される。また、次式Is defined. Also,

【0314】[0314]

【数72】 [Equation 72]

【0315】の定義も使用する。これらの量を、ウェン
(Wenn)のダイアグラムを使用して図25に示す。エン
トロピーの測度は、大多数の物理量の測度とは異なる。
量子力学では、観測量と状態を区別しなければならな
い。観測量(位置、運動量など)は、数学的にはヒルベ
ルト空間の自己共役演算子で記述される。状態(一般的
には混在している)は、密度行列ρ(0、すなわち、ト
レースTr(ρ)=1のエルミート演算子によって表さ
れる。状態ρの観測量Aの期待値は<A>=Tr(ρ
A)である。エントロピーは観測量ではない。このよう
に、ある状態のその期待値が、そのエントロピーである
ような性質をもつ演算子は存在しない。正確には、演算
子は状態の関数になる。ボルツマン(Boltzmann)の定
数kBを使用した情報理論的なエントロピーと物理的な
エントロピー間のジャニス(Jaynes)の関係により、物
理的なエントロピー
The following definition is also used. These quantities are shown in FIG. 25 using the Wenn diagram. The measure of entropy is different from the measure of most physical quantities.
In quantum mechanics, we must distinguish between observables and states. Observed quantities (position, momentum, etc.) are mathematically described by a self-conjugate operator in Hilbert space. A state (generally mixed) is represented by a density matrix ρ (0, that is, a Hermitian operator of a trace Tr (ρ) = 1. The expected value of the observed amount A of the state ρ is <A> = Tr (ρ
A). Entropy is not an observable. Thus, no operator has the property that its expected value in a state is its entropy. To be precise, operators are functions of state. The physical entropy is given by the Janis relation between the information-theoretic entropy and the physical entropy using Boltzmann's constant k B.

【0316】[0316]

【数73】 [Equation 73]

【0317】の特定の値を量子物体に関係付けられる。 エントロピー式の古典的な極限A particular value of can be associated with a quantum object. The classical limit of entropy

【0318】[0318]

【数74】 [Equation 74]

【0319】は、コヒーレント状態を数学的に表せる。
ここでは、古典的な値を中心にした最小不確定状態、す
なわち、コヒーレント状態の粒子を見いだす確率の測定
だけが可能である。
Can mathematically represent a coherent state.
Here, it is possible to measure only the probability of finding a particle in a minimal uncertain state centered on a classical value, that is, a coherent state.

【0320】[0320]

【数75】 [Equation 75]

【0321】の一般的な場合に、観測結果がIn the general case of

【0322】[0322]

【数76】 [Equation 76]

【0323】のとき|z>=W(z)|0>をコヒーレ
ント状態とし、q、pはそれぞれ位置、または運動量の
期待値とする。配位空間で|0>は、明らかに波動関数
In this case, | z> = W (z) | 0> is set to the coherent state, and q and p are the expected values of the position or the momentum, respectively. | 0> is clearly a wave function in the configuration space

【0324】[0324]

【数77】 [Equation 77]

【0325】で与えられる。W(z)は、ユニタリ演算
Is given by W (z) is a unitary operator

【0326】[0326]

【数78】 [Equation 78]

【0327】であり、Q,Pはそれぞれ位置または運動
量の演算子を表している。次に、密度行列ρに対応する
古典的な密度分布を、ρ(Z):=<z|ρ|z>で定義
する。すべての関数f(z)に対して、
Where Q and P represent position or momentum operators, respectively. Next, a classical density distribution corresponding to the density matrix ρ is defined by ρ (Z): = <z | ρ | z>. For all functions f (z),

【0328】[0328]

【数79】 [Expression 79]

【0329】が成り立つ多くても1個の密度行列ρが存
在する。凹性によるs(x):={−xlnx(x>
0);0(x=0)}に対して、S(<z|ρ|z>)
(<z|ρ|z>となり、従って、
At most one density matrix ρ exists. S (x) due to concaveness: = {− xlnx (x>
0); 0 (x = 0)}, S (<z | ρ | z>)
(<Z | ρ | z>, so that

【0330】[0330]

【数80】 [Equation 80]

【0331】が成り立つので、Since the following holds,

【0332】[0332]

【数81】 [Equation 81]

【0333】の関係は真になる。更に一般的には、任意
の凸(凹)関数fに対して、
The relationship becomes true. More generally, for any convex (concave) function f,

【0334】[0334]

【数82】 (Equation 82)

【0335】が成り立つ。ρ(z)の連続性によってThe following holds. by the continuity of ρ (z)

【0336】[0336]

【数83】 [Equation 83]

【0337】とすると、すべてのzに対してS(<z|
ρ|z>)=(<z|S(ρ)|z>)となる。すると、S
(・)の狭義の凹性に関してすべての|z>はρの固有
ベクトルでなければならなくなる。しかし、それは不可
能であるので、従って、
Then, for all z, S (<z |
ρ | z>) = (<z | S (ρ) | z>). Then S
All | z> must be eigenvectors of ρ for the narrow sense concaveity of (•). But it is impossible, so

【0338】[0338]

【数84】 [Equation 84]

【0339】が成り立つ。古典系のエントロピーは、す
べてのユニタリ変換で不変数ではない。すなわち、すべ
てのUに対して
The following holds. Classic entropy is not invariant in all unitary transformations. That is, for all U

【0340】[0340]

【数85】 [Equation 85]

【0341】とは言えない。しかし、この関係は制限さ
れたクラスにだけは当てはまる。たとえば、U=W(z
0)の場合、次式
Cannot be said. However, this relationship only applies to restricted classes. For example, U = W (z
0 ), the following equation

【0342】[0342]

【数86】 [Equation 86]

【0343】が成り立つ。また、この議論は、dz=d
z’(正準変換)の場合、位相因子の時間を決めるUW
(z)=W(z‘)が成り立つユニタリUのすべてに対
して作用する。|ψ>が純粋状態(単位ベクトル)でρ=
|ψ><ψ|の場合、ρ(z)=|<ψ|z>|2であ
り、
The following holds. Also, this argument is dz = d
In the case of z '(canonical transformation), UW that determines the time of the phase factor
It operates on all the unitary U for which (z) = W (z ′) holds. | ψ> is a pure state (unit vector) and ρ =
If | ψ><ψ |, then ρ (z) = | <ψ | z> | 2 and

【0344】[0344]

【数87】 [Equation 87]

【0345】が成り立つ。|ψ>=|z0>を代入する
と、
The following holds. By substituting | ψ> = | z 0 >,

【0346】[0346]

【数88】 [Equation 88]

【0347】が得られる。一方、任意の高い古典系のエ
ントロピーの純粋状態が存在する。これは、ε>0の場
合に、すべてのzに対して<ψ|z><εを満足する単
位ベクトル|ψ>を求められることを示せば良い。純粋
状態では、よく知られた不等式
Is obtained. On the other hand, there is a pure state of any high classical entropy. This only needs to show that when ε> 0, a unit vector | ψ> that satisfies <ψ | z><ε can be obtained for all z. In pure state, the well-known inequality

【0348】[0348]

【数89】 [Equation 89]

【0349】が成り立つ。古典系の最小エントロピー状
態は、正確に密度行列|z><z|によって表せ、その
結果が
The following holds. The minimum entropy state of a classical system can be represented exactly by the density matrix | z >><z |, and the result is

【0350】[0350]

【数90】 [Equation 90]

【0351】となると考えられる。It is considered that

【0352】[0352]

【数91】 [Equation 91]

【0353】を小さくするためには、Sup|ρ(z)|
が1に近づかなければならない。さもなければ、前述の
不等式は古典系のエントロピーに対して非常に大きな値
になる。次に、Sup|ρ(z)|が正確に1に等しい
場合、連続性によってρ(z0)=1、すなわち、<z0
|ρ|z0>=1を満足するz0が存在することになる。
In order to reduce Sup | ρ (z) |
Must approach one. Otherwise, the above inequality will be very large for the entropy of classical systems. Then, if Sup | ρ (z) | is exactly equal to 1, continuity will result in ρ (z 0 ) = 1, ie, <z 0
| Ρ | z 0> = 1 is z 0 to satisfy will be present to.

【0354】[0354]

【数92】 (Equation 92)

【0355】であるので、これはThus, this is

【0356】[0356]

【数93】 [Equation 93]

【0357】であることを示している。一方、Tr
(ρ)=1であり、ρのその他の固有値は0でなければ
ならないので、ρ=|z0><z0|が成り立つ。調和振
動子のポテンシャルの最小不確定なコヒーレント状態
は、基底状態が集合のメンバーになっているという制約
条件を追加すれば、ハイゼンベルクの不確定性関係を最
小化する(不確定性関係の等式になる)コヒーレント状
態として定義できる。最小不確定なコヒーレント状態
は、古典的な状態にできるだけ近づくことと考えられ
る。調和振動子系の限度を超えた場合、コヒーレント状
態は、一般的なポテンシャルの量子(シュレーディンガ
ー)系と一般的なリー(Lie)対称に対して展開でき
る。これらのコヒーレント状態は(一般的な)最小不確
定なコヒーレント状態と(一般的な)距離作用素のコヒ
ーレント状態と言われる。また、調和振動子系のコヒー
レント状態には、これとは異なる一般化が存在する。こ
れは、「スクイーズド状態」の概念である。(スクイージ
ングは、真空と関連するレベル以下の直交ゆらぎの収縮
である。) 1モード調和振動子(シュレーディンガーの猫の状態)
の偶コヒーレント状態と奇コヒーレント状態は、非古典
的な状態の代表である。シュレーディンガーの猫の状態
は、スクイーズド状態に類似した性質を持っている。す
なわち、スクイーズド真空状態と偶コヒーレント状態
は、偶数フォトンのフォック(Fock)の状態を含んでい
る。
[0357] It is shown that On the other hand, Tr
Since (ρ) = 1 and the other eigenvalues of ρ must be 0, ρ = | z 0 >><z 0 | holds. The coherent state in which the potential of the harmonic oscillator is the least uncertain is minimized by adding the constraint that the ground state is a member of the set. ) Can be defined as a coherent state. The minimally uncertain coherent state is considered to be as close as possible to the classical state. Beyond the limits of the harmonic oscillator system, coherent states can be expanded for quantum (Schrodinger) systems of general potential and general Lie symmetry. These coherent states are referred to as (general) minimally indeterminate coherent states and (general) distance operator coherent states. A different generalization exists in the coherent state of the harmonic oscillator system. This is the concept of "squeezed state". (Squeezing is the contraction of orthogonal fluctuations below the level associated with vacuum.) One-mode harmonic oscillator (Schrodinger's cat state)
The even and odd coherent states of are representative of non-classical states. Schrodinger's cat state has properties similar to the squeezed state. That is, the squeezed vacuum state and the even coherent state include the Fock state of even-numbered photons.

【0358】量子力学で2個の非可換な観測量は、同時
に、任意の精度で測定できない。よくハイゼンベルグの
不確定性原理と言われるこの事実は基本的な制約であ
り、既存の実在する測定装置の欠陥または観測結果の実
験誤差のどちらにも関係していない。それは、どちらか
と言えば、量子状態自身に固有の性質である。不確定性
原理は、(逆説的には十分に)多解釈問題を回避する唯
一の方法を提供している。与えられた観測量のペアに対
して指定された不確定性原理は、不確定性関係としてそ
の数学的明示を表している。基本的に非可換な観測量
(すなわち、位置と運動量に対して
In quantum mechanics, two non-commutative observables cannot be measured simultaneously with any precision. This fact, often referred to as Heisenberg's uncertainty principle, is a fundamental limitation and is not related to either defects in existing real measuring equipment or experimental errors in observations. It is rather a property inherent to the quantum state itself. The uncertainty principle offers a (paradoxically sufficient) way to avoid multiple interpretation problems. The uncertainty principle specified for a given pair of observables expresses its mathematical manifestation as an uncertainty relationship. Basically non-commutative observables (ie, position and momentum

【0359】[0359]

【数94】 [Equation 94]

【0360】が成り立つ)の不確定性関係の厳密な一次
微分は、不等式、すなわち、
The strict first derivative of the uncertainty relation of

【0361】[0361]

【数95】 [Equation 95]

【0362】が成り立つ。これは、位置と運動量の表示
において、系の波動関数を結び付けているフーリエ変換
の性質の結果である。エントロピー、すなわち、情報
(「エントロピーUR」−EUR)の項で量子の不確定
性関係(UR)を表せば、この点で役立つ。(標準偏差
の)通常の「標準UR」は、次式
The following holds. This is a consequence of the nature of the Fourier transform linking the wave functions of the system in the representation of position and momentum. Expressing the quantum uncertainty relationship (UR) in terms of entropy, or information ("entropy UR" -EUR), helps in this regard. The normal "standard UR" (of standard deviation) is

【0363】[0363]

【数96】 [Equation 96]

【0364】である。(この不等式の第2項は、観測量
AとBの共分散、すなわち、相関
Is as follows. (The second term of this inequality is the covariance of observables A and B,

【0365】[0365]

【数97】 (97)

【0366】を表していることに注意する。AとBは、
エントロピー形式の不等式
It should be noted that A and B are
Entropy inequality

【0367】[0367]

【数98】 [Equation 98]

【0368】として表される状態|ψ>の観測量であ
り、不確定性原理を更に適切に表した情報形式
Is the observed quantity of the state | ψ>, which is an information format that more appropriately expresses the uncertainty principle

【0369】[0369]

【数99】 [Equation 99]

【0370】で表せる。2個の非可換な観測量が与えら
れると、その不確定性関係を導ける。不等式の等号を満
足する状態は、インテリジェントな状態と言われる。)
たとえば、パラメトリックな展開のゼネレータである任
意の連続パラメータλと任意のエルミート観測量A
(λ)を考える。その場合、URは
[0370] Given two non-commutative observables, we can derive its uncertainty relationship. States that satisfy the inequality equality are said to be intelligent states. )
For example, an arbitrary continuous parameter λ, which is a generator of a parametric expansion, and an arbitrary Hermitian observable A
Consider (λ). In that case, the UR is

【0371】[0371]

【数100】 [Equation 100]

【0372】となる。ここで、The following is obtained. here,

【0373】[0373]

【数101】 [Equation 101]

【0374】は、観測量の不確定性のパラメータの平均
であり、
Is the average of the uncertainty parameters of the observables,

【0375】[0375]

【数102】 [Equation 102]

【0376】は、Aの共役変数空間の測定された距離で
ある。URを一般化したこの式は、位置−運動量、位相
−個数または任意の組み合わせに対して成り立つであろ
う。初期状態と最終状態が直交する場合、
Is the measured distance of A's conjugate variable space. This formula generalizing UR would hold for position-momentum, phase-number or any combination. If the initial state and the final state are orthogonal,

【0377】[0377]

【数103】 [Equation 103]

【0378】で表せるすべての状態は、等式All states that can be expressed by the equation

【0379】[0379]

【数104】 [Equation 104]

【0380】を満足するインテリジェントな状態だけで
あることが分かっている。しかし、初期状態と最終状態
が直交しない場合に、その状態はこの等式を満足しな
い。この場合に、パラメトリックな展開のゼネレータA
が、A0+Alの2つの部分に分けられる場合に、次式
It has been found that only an intelligent state that satisfies is satisfied. However, if the initial state and the final state are not orthogonal, the state does not satisfy this equation. In this case, the generator A of the parametric expansion
Is divided into two parts, A 0 + A l ,

【0381】[0381]

【数105】 [Equation 105]

【0382】で表せる状態のすべてが、非直交の初期状
態と最終状態のインテリジェントな状態である。ただ
し、A0は量子数の集合Iのスペクトル{a0}を退化す
る正規化された固有ベクトル
All the states that can be expressed by are intelligent states of non-orthogonal initial state and final state. Where A 0 is a normalized eigenvector that degenerates the spectrum {a 0 } of the set I of quantum numbers

【0383】[0383]

【数106】 [Equation 106]

【0384】の複素基底になっている、そしてA1が行
列要素(A1ii=0=(A1jjと(A1ij=(A1
ji=a1を持っている。「最大情報」のいろいろな特徴を
比較し、「最小不確定」との関連性を示せば役立つ。以
下の説明は、分かりやすくするために主に「単純な場合
の」観測量(最小の自明でないブール代数
Where A 1 is a matrix element (A 1 ) ii = 0 = 0 (A 1 ) jj and (A 1 ) ij = (A 1 )
ji = have a 1. It is useful to compare the various features of "maximum information" and show their relevance to "minimum uncertainty". The following discussion is mainly for the sake of simplicity, mainly in the "simple case" observable (the smallest non-trivial Boolean

【0385】[0385]

【数107】 [Equation 107]

【0386】で定義される)に限られるが、一般性は失
っていない。問題の量は、1つの効果であるE:Iψ
(E)=Eψln(Eψ)+E‘ψln(E’ψ),E
‘=I−Eについての情報である。(不明な)性質Eと
Fの非交換性すなわち不一致は、一般に、同時にそれら
の両方を測定または準備する確率を許さない。特に、E
=EQ(X)、F=FP(Y)が有界な可測集合X,Yと
関係する位置と運動量のスペクトル射影の場合、
[0386] However, generality is not lost. The amount of the problem is one effect, E: Iψ
(E) = Eψln (Eψ) + E′ψln (E′ψ), E
'= Information on IE. The incompatibility or mismatch of the (unknown) properties E and F generally does not allow the probability of measuring or preparing them both at the same time. In particular, E
= E Q (X), F = F P (Y) is the spectral projection of the position and momentum associated with the bounded measurable sets X, Y,

【0387】[0387]

【数108】 [Equation 108]

【0388】が成り立ち、次式The following equation holds:

【0389】[0389]

【数109】 (Equation 109)

【0390】と等価になる。従って、「特定の」位置と運
動量の決定は互いに排除し合い、位置と運動量が同時に
どの程度の「不確定性度」で分かるかという問題が生じ
る。最大の結合知識、すなわち、結合情報の何らかの合
理的な特性について考える。この場合、上記の式が等価
な形式の次式
Is equivalent to Therefore, the determination of the "specific" position and momentum are mutually exclusive, and the problem arises as to how much "uncertainty" the position and momentum can be known at the same time. Consider the maximum binding knowledge, that is, some reasonable property of the binding information. In this case, the above expression is equivalent to

【0391】[0391]

【数110】 [Equation 110]

【0392】になる。「最大情報の状態」を3種類の値
を使用して定義できる。最初に、式Eψ+Fψの最大値
を扱い、対応する「最大情報の状態」について以下に系
統だてて説明する。任意の効果のペアE、及び、FのE
ψ+Fψだけではなく、Eψ・Fψ、及び、Iψ(E)
+Iψ(F)についても同様に、最大値の問題について
説明する。特に、URの最小不確定積になる状態が存在
する場合にだけ、各量が最大になることができることを
示す。さらに、Iψ(E)+Iψ(F)の最大値の射影
は、(存在する場合だけ)
[0392] "State of maximum information" can be defined using three types of values. First, the maximum value of the expression E {+ F} is handled, and the corresponding "state of maximum information" will be systematically described below. E of any pair of effects E and F
Not only {+ F}, but E {F} and I {(E)
Similarly, the problem of the maximum value for + Iψ (F) will be described. In particular, we show that each quantity can be maximized only if there is a condition that results in a minimum uncertainty product of the UR. Further, the projection of the maximum of Iψ (E) + Iψ (F) is (if present)

【0393】[0393]

【数111】 (Equation 111)

【0394】の量の最大値の射影と一致する。Eψ+F
ψの最大値に対して、<ψ|E|ψ>+<ψ|F|ψ>
−λ<ψ|ψ>の変分が零にならなければならないの
で、次の方程式、(E+F)|ψ>=(Eψ+Fψ)|
ψ>が成り立つ。EまたはFについての増分を取り、そ
の期待値を計算すると、次式
This corresponds to the projection of the maximum value of the quantity. Eψ + F
For the maximum value of ψ, <ψ | E | ψ> + <ψ | F | ψ>
Since the variation of −λ <ψ | ψ> must be zero, the following equation: (E + F) | ψ> = (Eψ + Fψ) |
ψ> holds. Taking the increment for E or F and calculating its expected value,

【0395】[0395]

【数112】 [Equation 112]

【0396】になる。[0396]

【0397】[0397]

【数113】 [Equation 113]

【0398】が、最小のURになる。同様に、積Eψ・
Fψの最大値を求めると、(FψE+EψF)|ψ>=
2Eψ・Fψ|ψ>となり、
Becomes the minimum UR. Similarly, the product Eψ
When the maximum value of Fψ is obtained, (FψE + EψF) | ψ> =
2Eψ ・ Fψ | ψ>,

【0399】[0399]

【数114】 [Equation 114]

【0400】の場合に、In the case of

【0401】[0401]

【数115】 [Equation 115]

【0402】が再び最小のURになる。最後に、最大情
報の和Iψ(E)+Iψ(F)が
Becomes the minimum UR again. Finally, the maximum information sum Iψ (E) + Iψ (F) is

【0403】[0403]

【数116】 [Equation 116]

【0404】を満足する状態で実現されるようになる。
一般に、この方程式はすべての定常点、たとえば、最小
[0404] This is realized in a state where the above is satisfied.
In general, this equation has all stationary points, for example,

【0405】[0405]

【数117】 [Formula 117]

【0406】、すなわち結合固有状態を含んでいる。こ
こでの目的の1つはE,Fの正の結果についての最大情
報の状態を求めることであるので、
That is, it includes the coupling eigenstate. One of the objectives here is to find the state of the maximum information about the positive results of E and F,

【0407】[0407]

【数118】 [Equation 118]

【0408】と仮定する。次に、この方程式はAssume that Next, this equation is

【0409】[0409]

【数119】 [Equation 119]

【0410】となり、[0410]

【0411】[0411]

【数120】 [Equation 120]

【0412】が、再度URの最小不確定積になる。最大
情報の3種類の概念は、それらが最小不確定積を示す限
り不変である。たとえば、E,Fをそれぞれ位置と運動
量のスペクトル射影とすると、E=EQ(X)、F=FP
(Y)となる。確率の和、Eψ+Fψは、XとYが有界
な可測集合であるとすると、
However, it becomes the minimum uncertainty product of UR again. The three concepts of maximum information are invariant as long as they exhibit a minimum uncertainty product. For example, if E and F are the spectral projections of position and momentum, respectively, E = E Q (X), F = F P
(Y). The sum of probabilities, E {+ F}, is given by X and Y as bounded measurable sets:

【0413】[0413]

【数121】 [Equation 121]

【0414】が成り立つψ=ψminの状態の場合に、最
大となることを示した。ここで
In the state of ψ = ψ min that holds, the maximum is shown. here

【0415】[0415]

【数122】 [Equation 122]

【0416】は、コンパクト演算子(FEF)の最大固
有値であり、g0は対応する
Is the largest eigenvalue of the compact operator (FEF), and g 0 is the corresponding

【0417】[0417]

【数123】 [Equation 123]

【0418】を満足する固有ベクトルである。上記の説
明から、ψminが(E+F)の固有状態でなければなら
ないことは明らかである。また、これは次の方法で直接
分かる。
This is an eigenvector satisfying the following. From the above description, it is clear that ψ min must be an (E + F) eigenstate. Also, this is directly known by the following method.

【0419】[0419]

【数124】 [Equation 124]

【0420】とすると、[0420] Then,

【0421】[0421]

【数125】 [Equation 125]

【0422】となる。ψminは、対称形の次式Is obtained. ψ min is the symmetric form

【0423】[0423]

【数126】 [Equation 126]

【0424】で表すことができる。ψminの値は、3つ
の量(Eψ・Fψ)、(Eψ+Fψ)及び(Iψ(E)
+Iψ(F))のすべてを最大化する。そして、ψ
minは、不確定積△ψE・△ψFを最小化する。従っ
て、最大情報(最小エントロピー)と最小不確定性は、
インテリジェントなコヒーレント状態で成り立ち、そし
て、再び一致するだろう。次の新しい発表は、情報デー
タフロー処理として量子アルゴリズムのエントロピー変
更の役割ならびに古典系と量子系の情報量が量子アルゴ
リズムの変動を変える方法について説明している。次
に、量子アルゴリズムの情報の流れの変動の発展の質的
な公理の説明が提供される。
Can be represented by The value of ψ min is divided into three quantities (Eψ · Fψ), (Eψ + Fψ) and (Iψ (E)
+ Iψ (F)) is maximized. And ψ
min minimizes the uncertain product △ ψE · △ ψF. Therefore, the maximum information (minimum entropy) and the minimum uncertainty are
It is made up of intelligent coherence and will match again. The next new presentation describes the role of changing the entropy of quantum algorithms as an information data flow process and how the amount of information in classical and quantum systems changes the variability of quantum algorithms. Next, a qualitative axiom explanation of the evolution of the information flow fluctuations of the quantum algorithm is provided.

【0425】(1)量子アルゴリズムが実行されている
間に、成功した結果の情報量(情報内容)は増大する。 (2)情報量は、成功した結果の認識に対する適応度関
数になる。そして、成功した結果の精度の測度を導く。
この場合、古典系/量子系のエントロピーの最小の原理
が、量子アルゴリズム計算のインテリジェントな出力状
態の成功した認識に対応する。
(1) While the quantum algorithm is being executed, the information amount (information content) of a successful result increases. (2) The amount of information is a fitness function for successful result recognition. It then derives a measure of the accuracy of successful results.
In this case, the minimal principle of classical / quantum system entropy corresponds to the successful recognition of intelligent output states of quantum algorithm computation.

【0426】(3)出力ベクトルの古典系のエントロピ
ーが小さい場合、この出力情報の規則度、秩序は比較的
大きくなり、量子アルゴリズムのインテリジェントな状
態の測定過程の出力が必要な情報を与え、首尾よく最初
の問題を解く。これら3つの情報公理は、アルゴリズム
が必要な精度に対して自動的に情報量の収束を保証でき
ることを意味している。これは、フォールトトレラント
な計算に対して、信頼性の高い安定した結果を提供する
ために使用される。
(3) When the entropy of the classical system of the output vector is small, the order and order of this output information become relatively large, and the output of the intelligent state measurement process of the quantum algorithm gives necessary information. Well solve the first problem. These three information axioms mean that the algorithm can automatically guarantee the convergence of the amount of information for the required accuracy. This is used to provide reliable and stable results for fault tolerant calculations.

【0427】量子アルゴリズムを使用したエントロピー
の使用例として、n=3のドイッチェ−ヨーザ(DJ)
アルゴリズムの次の例を考える。図27、28及び29
の3個の入力関数は、次の演算子でそれぞれ符号化され
ている。図27で使用されている演算子は、
As an example of the use of entropy using the quantum algorithm, n = 3 Deutsche-Yosa (DJ)
Consider the following example of an algorithm. Figures 27, 28 and 29
Are input by the following operators, respectively. The operators used in FIG.

【0428】[0428]

【数127】 [Equation 127]

【0429】である。図28で使用されている演算子
は、
Is as follows. The operators used in FIG.

【0430】[0430]

【数128】 [Equation 128]

【0431】である。図29で使用されている演算子
は、UF4Iである。図28から29に、DJのアルゴ
リズムの変動を示す。各ステップでシャノンとフォンノ
イマンのエントロピーの値を観察している。ステップ
は、すべて、図26の一般的な回路図に従い、対応する
量子演算子を適用している。図28から29を調べる
と、重ね合わせ、もつれ合い及び干渉が起こった後に古
典系と量子系のエントロピーが次に示すように変化して
いる。
Is as follows. Operators used in FIG. 29 is a U F = 4 I. 28 to 29 show the variation of the DJ algorithm. At each step, we observe the Shannon and von Neumann entropy values. All steps follow the general schematic of FIG. 26 and apply the corresponding quantum operators. Examining FIGS. 28 to 29, the entropy of the classical and quantum systems changes as shown below after superposition, entanglement and interference have occurred.

【0432】入力ベクトルは基底ベクトルであり、この
状態の古典的な情報は0になっている。入力ベクトル
は、2次元の基底ベクトルのn個のテンソル積になって
いる。従って、基底ベクトルを構成するキュビットのフ
ォンノイマンのエントロピーも、すべて、0になってい
る。重ね合わせ演算子4Hは、古典的なシャノンのエン
トロピーを最小値0から最大値4に増加させる。しか
し、量子系のフォンノイマンのエントロピーから見る
と、エントロピーは変化していない。
The input vector is a basis vector, and the classical information in this state is 0. The input vector is a product of n tensors of a two-dimensional basis vector. Therefore, the entropy of von Neumann of the qubits constituting the basis vector is also all zero. The superposition operator 4 H increases the classical Shannon entropy from a minimum of 0 to a maximum of 4. However, from the viewpoint of von Neumann's entropy of the quantum system, the entropy has not changed.

【0433】もつれ合い演算子は、古典的なユニタリ演
算子であり、系の古典的な情報を変化することなく基底
ベクトルを異なった基底ベクトルに写像する。しかし、
もつれ合い演算子は、系の状態を記述しているテンソル
積の異なった2進ベクトルの相関を作る。そして、この
相関は、系の異なった部分のフォンノイマンのエントロ
ピーによって記述される。もつれ合い演算子が相関を作
っている場合も、それを表すベクトルが純粋状態である
ので、全システムの量子情報は常に0である。それに反
して、相互情報量と条件付きエントロピーの内部値は正
か負になる。すなわち、内部値は、演算子UFに対して
求められている性質を復号化するために必要な量子情報
を、符号化する。もつれ合い演算子が作用する前と後の
システムの状態は、古典系の情報から見ると、シャノン
のエントロピーが変化していないために区別できない。
量子情報的手法を使用した場合にだけ、これらの2つの
状態の違いを明らかにできる。
The entanglement operator is a classical unitary operator, and maps a basis vector to a different basis vector without changing the classical information of the system. But,
The entanglement operator correlates different binary vectors of the tensor product describing the state of the system. This correlation is then described by von Neumann's entropy in different parts of the system. Even when the entanglement operator makes a correlation, the quantum information of the entire system is always 0 because the vector representing the correlation is in a pure state. On the contrary, the internal values of mutual information and conditional entropy can be positive or negative. That is, the internal value encodes quantum information necessary for decoding the property required for the operator U F. The state of the system before and after the operation of the entanglement operator cannot be distinguished from classical information because Shannon's entropy has not changed.
Only when a quantum information technique is used can the difference between these two states be revealed.

【0434】干渉演算子は、定値または平衡演算子とし
てUFを識別するために使用される符号化された情報を
維持しているので、量子情報の状況を変更しない。これ
とは逆に、干渉演算子は、量子情報を利用できるように
している古典系のエントロピーを減少させる。そして、
干渉作用によって、ベクトルは、古典系のエントロピー
の最小化を得る。すなわち、定義に従うと、このような
ベクトルはインテリジェントな状態である。これは、ベ
クトルが、成功した結果として最小エントロピーの不確
定性関係(EUR)を使用したQA計算のコヒーレント
な出力状態を表しているからである。
[0434] Interference operator so maintains the encoded information is used to identify the U F as value or equilibrium operator does not change the status of the quantum information. Conversely, interference operators reduce the entropy of classical systems making quantum information available. And
By interference, the vector obtains a minimization of the entropy of the classical system. That is, by definition, such vectors are intelligent. This is because the vector represents the coherent output state of the QA calculation using the minimum entropy uncertainty relationship (EUR) as a successful result.

【0435】図27と28を比較すると、図27では、
もつれ合い演算子が系の異なった部分の量子的な相関を
効果的に作っていることが分かる。これに反して、図2
8では、一般的な状態が基底ベクトルのテンソル積で表
されている。従って、量子的な相関は含まれていない。
図27の干渉演算子は、1ビットだけ古典系のエントロ
ピーを減少させる。これに反して、図28の干渉演算子
は3ビットだけ古典系のエントロピーを減少させる。
When FIG. 27 and FIG. 28 are compared, FIG.
It can be seen that the entanglement operator effectively makes the quantum correlation of the different parts of the system. On the contrary, FIG.
8, the general state is represented by a tensor product of the basis vectors. Therefore, no quantum correlation is included.
The interference operator of FIG. 27 reduces the entropy of a classical system by one bit. In contrast, the interference operator of FIG. 28 reduces the entropy of a classical system by three bits.

【0436】量子的な相関の存在が、系の抵抗度(免疫
性)として示され、古典系のエントロピーを変更し、量
子アルゴリズムの内部的なインテリジェント可能度を定
義する。図29の結果は、図28の結果に類似してい
る。図29のもつれ合い演算子は、相関を作らない。こ
れは、図30に示されているように、任意の2進定数k
に対してf(x)=k・xまたはf(x)=¬(k・
x)が成り立つ関数f:{0,1}n→{0,1}mを実
現する線形演算子UFのすべてに共通している。平衡と
定値の入力集合のこれらの関数は、図27から31のウ
ェンのダイアグラムに示している最高と最低の情報値間
の「格差」を最小化して0にする。
The existence of a quantum correlation is denoted as the resistance (immunity) of the system, altering the entropy of the classical system and defining the internal intelligent potential of the quantum algorithm. The result of FIG. 29 is similar to the result of FIG. The entanglement operator of FIG. 29 makes no correlation. This is, as shown in FIG. 30, an arbitrary binary constant k
F (x) = k · x or f (x) = ¬ (k ·
x) holds the function f: Common to all {0,1} n → {0,1} linear operator U F to realize a m. These functions of the equilibrium and fixed-value input sets minimize the "difference" between the highest and lowest information values shown in the Wen diagrams of FIGS. 27-31 to zero.

【0437】干渉作用は、UFのこの性質の写像を、性
質が明らかなインテリジェントな状態にする。対照的
に、他の平衡関数は、より低いインテリジェントな状態
に写像される。このインテリジェントな状態は、古典系
の高いエントロピーベクトルを持っている。これは、図
31に示しているように、それが成功していない結果で
あることを意味している。ドイッチェ−ヨーザのアルゴ
リズムは、量子情報理論から見ると、関数の入力集合の
特別な構造になっている。この構造を図32に示す。
[0437] Interference effect, the mapping of the properties of U F, nature reveal intelligent state. In contrast, other equilibrium functions are mapped to lower intelligent states. This intelligent state has a high entropy vector of the classical system. This means that it is an unsuccessful result, as shown in FIG. From a quantum information theory perspective, the Deutsche-Yosa algorithm has a special structure of input sets of functions. This structure is shown in FIG.

【0438】次の例として、ショアのアルゴリズムを情
報理論から取り扱う。それぞれ周期2と4の2つの入力
関数を実現している演算子は、次になっている。図34
で使用されている演算子は、
As a next example, Shore's algorithm is handled from information theory. The operators that implement the two input functions with periods 2 and 4, respectively, are: FIG.
The operators used in are

【0439】[0439]

【数129】 [Equation 129]

【0440】(n=3)である。また、図35で使用さ
れている演算子は、
(N = 3). The operator used in FIG.

【0441】[0441]

【数130】 [Equation 130]

【0442】(n=2)である。図34と35に、これ
らの演算子を適用した場合の量子アルゴリズムの展開を
示す。図34でもつれ合い演算子は、ベクトル3、4及
び5の量子的な相関を作っている。すなわち、この相関
は入力関数の周期を識別する。干渉演算子は、量子的な
相関を保存するが、相関をベクトル(3、4及び5)か
らベクトル(1、4及び5)に移す。この移動は、符号
化された入力関数の周期を維持している。しかし、イン
テリジェントな状態、すなわち、必要な量子情報をすべ
て含んでいる状態を生成する周期情報へのアクセスを可
能にしているので、移動は3ビットから2ビットに古典
系のエントロピーを減少させている。しかし、自由エネ
ルギーの質的な測度として、古典系の最小エントロピー
は保たれている。
(N = 2). 34 and 35 show the development of the quantum algorithm when these operators are applied. In FIG. 34, the entanglement operator makes a quantum correlation of the vectors 3, 4 and 5. That is, the correlation identifies the period of the input function. The interference operator preserves the quantum correlation, but moves the correlation from vector (3, 4, and 5) to vector (1, 4, and 5). This movement maintains the period of the encoded input function. However, movement reduces the entropy of classical systems from three bits to two bits, since it allows access to periodic information that produces intelligent states, ie, states that contain all the necessary quantum information. . However, as a qualitative measure of free energy, the minimum entropy of classical systems is maintained.

【0443】図35でもつれ合い演算子は、ベクトル
1、2、3及び4の強い相関を作る。すなわち、この相
関は、最大周期(従って、最大のもつれ合い)の入力関
数を識別する。干渉演算子は、相関を保存するが、もつ
れ合いがあまりに大きい(抵抗度が非常に高い)ため
に、古典系のエントロピーを減少させない。図33に示
されているように、ショアのアルゴリズムは、入力空
間、すなわち周期関数の特別な構造になっている。すべ
ての関数は、その容量によって表され、量子のもつれ合
いを作る。量子のもつれ合いはその周期に依存する。こ
の構造を図33に示す。
In FIG. 35, the entanglement operator produces a strong correlation between vectors 1, 2, 3, and 4. That is, the correlation identifies the input function with the largest period (and therefore the largest entanglement). The interference operator preserves the correlation, but does not reduce the entropy of the classical system because the entanglement is too large (very high resistance). As shown in FIG. 33, Shore's algorithm has a special structure of an input space, that is, a periodic function. All functions are represented by their capacities and create entanglements of quanta. The entanglement of the quantum depends on its period. This structure is shown in FIG.

【0444】図36から38にグローバーのアルゴリズ
ムの情報分析を示す。入力関数を符号化する演算子は、
次式
FIGS. 36 to 38 show the information analysis of Grover's algorithm. The operator that encodes the input function is
Next formula

【0445】[0445]

【数131】 [Equation 131]

【0446】である。図36は、グローバーのアルゴリ
ズムの情報分析の一般的な繰り返しアルゴリズムを示し
ている。図37と38は、このアルゴリズムの2回の繰
り返しを示している。図37と38に示されているよう
に、各繰り返しのもつれ合い演算子は、異なるキュビッ
トの相関を増加させる。各繰り返しの干渉演算子は古典
系のエントロピーを減少させるが、副次的な作用として
干渉演算子がフォンノイマンのエントロピーによって測
定された量子的な相関の一部を破壊する。
[0446] FIG. 36 shows a general iterative algorithm for information analysis of Grover's algorithm. FIGS. 37 and 38 show two iterations of this algorithm. As shown in FIGS. 37 and 38, each entanglement operator increases the correlation of different qubits. Each iteration of the interference operator reduces the entropy of the classical system, but as a side effect, the interference operator destroys some of the quantum correlations measured by von Neumann entropy.

【0447】グローバーのアルゴリズムを複数回繰り返
すと、インテリジェントな状態が作られる。すべての繰
り返しでは、最初に検索された関数をもつれ合いによっ
て符号化するが、干渉演算子によって符号化された情報
を多少破壊するので、符号化された情報を持つ必要性と
その情報にアクセスする必要性を隠すために、複数回の
繰り返しが必要になる。
When the Grover algorithm is repeated a plurality of times, an intelligent state is created. In all iterations, the first searched function is encoded by entanglement, but the information encoded by the interference operator is somewhat destroyed, so the need to have and access the encoded information Multiple iterations are needed to hide the gender.

【0448】ドイッチェとドイッチェ−ヨーザのアルゴ
リズムは決定アルゴリズムである。サイモン、ショア及
びグローバーのアルゴリズムは探索アルゴリズムであ
る。量子アルゴリズムの出力の古典系(量子系)エント
ロピー最小の原理はインテリジェントな出力状態により
提供されることを意味している。決定アルゴリズムは、
量子探索アルゴリズムの状態に対応するものよりも小さ
いまたは大きい古典系のエントロピーをもったインテリ
ジェントな出力状態の認識を提供する。量子探索アルゴ
リズムは、古典系の最小エントロピーと量子系の最小エ
ントロピー量を組み合わせて比較することに基づいてい
る。これらの値を組み合わせる能力は、量子探索アルゴ
リズムの知性を特徴づけている
The Deutsche and Deutsche-Yosa algorithm is a decision algorithm. The Simon, Shore, and Grover algorithms are search algorithms. The principle of classical (quantum) entropy minimization of the output of a quantum algorithm means that it is provided by intelligent output states. The decision algorithm is
It provides intelligent output state recognition with classical system entropy smaller or larger than that corresponding to the state of the quantum search algorithm. The quantum search algorithm is based on a combination of the minimum entropy of a classical system and the minimum entropy of a quantum system. The ability to combine these values characterizes the intelligence of the quantum search algorithm

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1A】ソフトコンピューティングと遺伝子探索アル
ゴリズムを組み合わせた制御系を示すブロック図であ
る。
FIG. 1A is a block diagram showing a control system combining soft computing and a gene search algorithm.

【図1B】遺伝子探索の処理を示すブロック図である。FIG. 1B is a block diagram showing a gene search process.

【図2】ソフトコンピューティングと量子探索アルゴリ
ズムを組み合わせた制御系を表すブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a control system that combines soft computing and a quantum search algorithm.

【図3】古典的遺伝子アルゴリズムの構造と大域的な最
適化の量子探索アルゴリズムを表すブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram showing the structure of a classical genetic algorithm and a quantum search algorithm for global optimization.

【図4】量子探索アルゴリズムの一般的な構造を表すブ
ロックである。
FIG. 4 is a block diagram illustrating a general structure of a quantum search algorithm.

【図5】量子探索アルゴリズムの量子ネットワークを表
すブロックである。
FIG. 5 is a block diagram illustrating a quantum network of a quantum search algorithm.

【図6】量子探索アルゴリズムのブロック図である。FIG. 6 is a block diagram of a quantum search algorithm.

【図7】古典的コンピュータを使用した量子アルゴリズ
ムをシミュレーションするゲート手法を表している。
FIG. 7 illustrates a gating technique for simulating a quantum algorithm using a classical computer.

【図8】量子アルゴリズムのプログラミング図を表して
いる。
FIG. 8 shows a programming diagram of a quantum algorithm.

【図9】図8に示されている量子エンコーダの構造を表
している。
FIG. 9 illustrates a structure of the quantum encoder illustrated in FIG. 8;

【図10】図8に示されている量子部の構造を表してい
る。
FIG. 10 illustrates a structure of a quantum unit illustrated in FIG. 8;

【図11】量子回路の例を表している。FIG. 11 illustrates an example of a quantum circuit.

【図12A】テンソル積変換の量子回路を表している。FIG. 12A shows a quantum circuit for tensor product conversion.

【図12B】ドット積変換の量子回路を表している。FIG. 12B shows a quantum circuit for dot product conversion.

【図12C】恒等変換の量子回路を表している。FIG. 12C shows a quantum circuit of identity transformation.

【図12D】伝播の量子回路を表している。FIG. 12D illustrates a quantum circuit of propagation.

【図12E】繰り返しの量子回路を表している。FIG. 12E shows a repeated quantum circuit.

【図12F】入力/出力の量子回路を表している。FIG. 12F shows an input / output quantum circuit.

【図13】ドイッチェ−ヨーザの量子ゲートの量子回路
の第1表示を表している。
FIG. 13 shows a first representation of a quantum circuit of a Deutsche-Yoser quantum gate.

【図14】ドイッチェ−ヨーザの量子ゲートの量子回路
の第2表示を表している。
FIG. 14 shows a second representation of a quantum circuit of a Deutsche-Yoser quantum gate.

【図15】値1の定値関数の回路−第1回路を表してい
る。
FIG. 15 shows a constant value function circuit of value 1—first circuit.

【図16】値1の定値関数の回路−第2回路を表してい
る。
FIG. 16 shows a circuit of a constant function of value 1—a second circuit.

【図17】値1の定値関数の回路−第3回路を表してい
る。
FIG. 17 shows a circuit of a constant function of value 1—third circuit.

【図18】値1の定値関数の回路−第4回路を表してい
る。
FIG. 18 shows a circuit of a constant function of value 1—fourth circuit.

【図19】値1の定値関数の回路−第5回路を表してい
る。
FIG. 19 shows a circuit of a constant function of value 1—fifth circuit.

【図20】値0の定値関数を表している。FIG. 20 shows a constant function of value 0.

【図21】DJの量子ゲートの展開を表している。FIG. 21 shows the development of a DJ quantum gate.

【図22】最終的なDJの量子ゲートを表している。FIG. 22 shows a final DJ quantum gate.

【図23】グローバーの量子ゲートの量子回路を表して
いる。
FIG. 23 shows a quantum circuit of Grover's quantum gate.

【図24】グローバーの量子ゲートの最終回路を表して
いる。
FIG. 24 shows the final circuit of Grover's quantum gate.

【図25】量子系のエントロピーと相互情報量を表すウ
ェンのダイアグラムである。
FIG. 25 is a Wen diagram showing the entropy and mutual information of a quantum system.

【図26】量子部の一般的な回路図である。FIG. 26 is a general circuit diagram of a quantum unit.

【図27】第1演算子UFのドイッチェ−ヨーザのアル
ゴリズムの情報分析を表している。
Represents information analysis algorithms Yoza - Figure 27] Deutscher first operator U F.

【図28】第2演算子UFのドイッチェ−ヨーザのアル
ゴリズムの情報分析を表している。
Represents information analysis algorithms Yoza - Figure 28] Deutscher second operator U F.

【図29】第3演算子UFのドイッチェ−ヨーザのアル
ゴリズムの情報分析を表している。
It represents information analysis Yoza algorithms - Figure 29] Deutscher third operator U F.

【図30】線形関数のドイッチェ−ヨーザのアルゴリズ
ムの情報分析を表している。
FIG. 30 shows an information analysis of the Deutsche-Yosa algorithm of a linear function.

【図31】非線形平衡関数のドイッチェ−ヨーザのアル
ゴリズムの情報分析を表している。
FIG. 31 shows an information analysis of the Deutsche-Yoser algorithm for the nonlinear equilibrium function.

【図32】ドイッチェ−ヨーザの入力空間の量子情報構
造を表している。
FIG. 32 shows a quantum information structure of the input space of Deutsche-Yoser.

【図33】ショアの入力空間の量子情報構造を表してい
る。
FIG. 33 illustrates a quantum information structure of the Shore input space.

【図34】第1演算子UFのショアのアルゴリズムの情報
分析を表している。
[Figure 34] represents information analysis Shore algorithm first operator U F.

【図35】第2演算子UFのショアのアルゴリズムの情報
分析を表している。
[Figure 35] represents information analysis Shore algorithm second operator U F.

【図36】一般的な繰り返しのグローバーのアルゴリズ
ムの情報分析を表している。
FIG. 36 illustrates an information analysis of a general iterative Grover algorithm.

【図37】1回目の繰り返しのグローバーのアルゴリズ
ムの情報分析を表している。
FIG. 37 shows the information analysis of the first iteration of Grover's algorithm.

【図38】2回目の繰り返しのグローバーのアルゴリズ
ムの情報分析を表している。
FIG. 38 illustrates an information analysis of the second iteration of Grover's algorithm.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G06F 9/44 550 G06F 9/44 550C 17/10 17/10 Z ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) G06F 9/44 550 G06F 9/44 550C 17/10 17/10 Z

Claims (45)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 入力関数fをユニタリ行列演算子UF
符号化するステップと、演算子UFを量子ゲートGに組
み込むステップ(前記のGはユニタリ行列を表す)と、
前記の量子ゲートGを初期ベクトルに適用して基底ベク
トルを作るステップと、前記の基底ベクトルを測定し
て、適用ならびに測定を行う前記のステップをk回だけ
繰り返すステップ(kは0<kを満足する)と、復号化
が前記の基底ベクトルを出力ベクトルに変換することを
含む前記の基底ベクトルを復号化するステップと、を含
む量子ソフトコンピューティングにおける量子アルゴリ
ズム設計の方法。
1. Encoding an input function f into a unitary matrix operator U F , incorporating the operator U F into a quantum gate G, where G represents a unitary matrix.
Applying the quantum gate G to the initial vector to form a basis vector, and measuring the basis vector and repeating the above steps of applying and measuring k times (where k satisfies 0 <k) And decoding the basis vector, the decoding comprising transforming the basis vector into an output vector, the method of quantum algorithm design in quantum soft computing.
【請求項2】 前記の符号化が、fの写像表を単写関数
Fに変換するステップと、前記の関数Fを前記の演算子
Fの写像表に変換するステップと、前記のUFの写像表
を前記に記載の演算子UFに変換するステップと、を含
む請求項1に記載の方法。
Wherein said coding comprises the steps of converting a mapping table of f in single shooting function F, and converting the function F to the mapping table of the operator U F, wherein the U F the method of claim 1, the mapping table including the steps of converting the operator U F described above.
【請求項3】 さらに、請求項1に記載の基底ベクトル
のシャノン(Shannon)のエントロピーを最小化するよ
うに構成されたものである、請求項1に記載の方法。
3. The method of claim 1, further configured to minimize Shannon entropy of the basis vectors of claim 1.
【請求項4】 制御された機械装置のエントロピー生成
速度を最小化するように構成されたものである適応度関
数を使用して、1つ以上の局所解を求めるように構成さ
れたものである遺伝子オプティマイザと、シャノンのエ
ントロピーを最小化するように構成されたものである適
応度関数を使用して大域解を求めることを目的として、
前記の局所解を探索するように構成されたものである量
子探索アルゴリズムと、を含むシャノンのエントロピー
を最小化するように構成されたものである量子探索アル
ゴリズムを含む、インテリジェントな制御系。
4. A method for determining one or more local solutions using a fitness function that is configured to minimize the rate of entropy generation of the controlled machine. With the goal of finding a global solution using a gene optimizer and a fitness function that is configured to minimize Shannon's entropy,
An intelligent control system, comprising: a quantum search algorithm configured to search for the local solution; and a quantum search algorithm configured to minimize Shannon's entropy.
【請求項5】 前記の大域解がファジーニューラルネッ
トワークの重みを含む請求項4に記載のインテリジェン
トな制御系。
5. The intelligent control system according to claim 4, wherein said global solution includes fuzzy neural network weights.
【請求項6】 前記のファジーニューラルネットワーク
がファジーコントローラを取り扱うように構成され、前
記のファジーコントローラがPIDコントローラの制御
用の重みを提供するように構成され、前記のPIDコン
トローラが前記の制御された機械装置を制御するように
構成されたものである請求項4に記載のインテリジェン
トな制御系。
6. The fuzzy neural network is configured to handle a fuzzy controller, the fuzzy controller is configured to provide weights for controlling a PID controller, and the PID controller is configured to control the fuzzy controller. 5. The intelligent control system according to claim 4, wherein the intelligent control system is configured to control a mechanical device.
【請求項7】 シャノンのエントロピーを最小化するよ
うに構成されたものである適応度関数を選択するステッ
プを含む量子探索アルゴリズムを展開する方法。
7. A method for developing a quantum search algorithm that includes the step of selecting a fitness function that is configured to minimize Shannon's entropy.
【請求項8】 ハイゼンベルクの不確定性とシャノンの
エントロピーを最小化するステップを含む量子探索アル
ゴリズムを展開する方法。
8. A method for developing a quantum search algorithm that includes the step of minimizing Heisenberg's uncertainty and Shannon's entropy.
【請求項9】 もつれ合い演算子を適用して、複数個の
入力状態ベクトルから複数個の相関状態ベクトルを生成
するステップと、干渉演算子を前記の相関状態ベクトル
に適用して、インテリジェントな状態ベクトルが前記の
相関状態ベクトルに比べて小さい古典系のエントロピー
を有するインテリジェントな状態ベクトルを生成するス
テップと、を含む量子アルゴリズムを展開する方法。
9. Applying an entanglement operator to generate a plurality of correlation state vectors from a plurality of input state vectors, and applying an interference operator to said correlation state vector to generate an intelligent state vector Generating an intelligent state vector having a classical system entropy that is small compared to said correlated state vector.
【請求項10】 1番目の変換を初期状態に適用して基
底状態のコヒーレントな重ね合わせを作るステップと、
可逆変換を使用する2番目の変換を前記のコヒーレント
な重ね合わせに適用してコヒーレントな出力状態を作る
ステップと、3番目の変換を前記のコヒーレントな出力
状態に適用して出力状態の干渉を作るステップと、前記
の出力状態の干渉から大域解を選択するステップと、を
含む部分最適解の特性を改善する大域的最適化の方法。
10. applying a first transform to an initial state to create a coherent superposition of ground states;
Applying a second transform using a reversible transform to the coherent superposition to create a coherent output state, and applying a third transform to the coherent output state to create output state interference And a step of selecting a global solution from the interference of the output state. A method of global optimization for improving characteristics of a partial optimal solution.
【請求項11】 前記の1番目の変換がアダマール(Ha
damard)回転である請求項10に記載の方法。
11. The method of claim 1, wherein the first transformation is Hadamard (Ha
11. The method of claim 10, wherein the method is a damard) rotation.
【請求項12】 前記の各基底状態がキュビットを使用
して表される請求項10に記載の方法。
12. The method of claim 10, wherein each of said ground states is represented using a qubit.
【請求項13】 前記の2番目の変換がシュレーディン
ガー(Shrodinger)の解であるところの請求項10に記
載の方法。
13. The method of claim 10, wherein said second transform is a Schrodinger solution.
【請求項14】 前記の3番目の変換が量子高速フーリ
エ変換である請求項10に記載の方法。
14. The method according to claim 10, wherein said third transform is a quantum fast Fourier transform.
【請求項15】 前記の選択ステップが最大確率を求め
ることを含む請求項10に記載の方法。
15. The method of claim 10, wherein said selecting step includes determining a maximum probability.
【請求項16】 前記の入力状態の重ね合わせが大域的
適応度関数の局所解の集まりを含む請求項10に記載の
方法。
16. The method of claim 10, wherein said superposition of input states comprises a collection of local solutions of a global fitness function.
【請求項17】 入力関数をユニタリ行列演算子に符号
化するように構成されたものであるエンコーダモジュー
ルと、前記のユニタリ行列演算子を量子ゲートに組み込
むように構成されたものである組み込みモジュールと、
前記の量子ゲートを初期ベクトルに適用して基底ベクト
ルを作るように構成されたものである処理モジュール
と、前記の基底ベクトルを測定するように構成されたも
のである測定モジュールと、前記の基底ベクトルを復号
化し、前記の基底ベクトルを出力ベクトルに変換するよ
うに構成されたものであるデコーダと、を含む量子ソフ
トコンピューティング用の装置
17. An encoder module configured to encode an input function into a unitary matrix operator, and an embedded module configured to integrate said unitary matrix operator into a quantum gate. ,
A processing module configured to apply the quantum gate to an initial vector to produce a basis vector; a measurement module configured to measure the basis vector; and the basis vector. And a decoder configured to convert the basis vector into an output vector.
【請求項18】 前記のエンコーダが、前記の入力関数
の写像表を単写関数に変換する1番目の変換モジュール
と、前記の単写関数を前記のユニタリ行列演算子の写像
表に変換する2番目の変換モジュールと、前記のユニタ
リ行列演算子の前記の写像表を前記のユニタリ行列演算
子に変換する3番目の変換モジュールと、を含むところ
の請求項17に記載の装置
18. A first conversion module for converting the mapping table of the input function into a single mapping function, wherein the encoder converts the single mapping function into a mapping table of the unitary matrix operator. 18. The apparatus of claim 17, comprising: a third transformation module; and a third transformation module for transforming the mapping table of the unitary matrix operator into the unitary matrix operator.
【請求項19】 さらに前記の基底ベクトルのシャノン
のエントロピーを最小化するモジュールを含む請求項1
7に記載の装置。
19. The apparatus according to claim 1, further comprising a module for minimizing Shannon entropy of said basis vector.
An apparatus according to claim 7.
【請求項20】 制御された機械装置のエントロピー生
成速度を最小化するように構成されたものである適応度
関数を使用して複数の局所解を最適化することと、シャ
ノンのエントロピーを最小化する適応度関数を使用して
大域解を求めることを目的にして、前記の局所解を探索
する量子探索アルゴリズムを使用して検索することと、
を含むシャノンのエントロピーを最小化するように構成
されたものである量子探索アルゴリズムを含むインテリ
ジェントな制御の方法。
20. Optimizing a plurality of local solutions using a fitness function that is configured to minimize the rate of entropy generation of a controlled machine; and minimizing Shannon's entropy Searching using a quantum search algorithm to search for the local solution, with the aim of finding a global solution using a fitness function that:
A method of intelligent control including a quantum search algorithm that is configured to minimize Shannon's entropy.
【請求項21】 前記の大域解がファジーニューラルネ
ットワークの重みを含む請求項20に記載の方法。
21. The method of claim 20, wherein said global solution includes fuzzy neural network weights.
【請求項22】 さらに、ファジーコントローラを取り
扱うことと、制御用の重みを前記のファジーコントロー
ラからPIDコントローラに提供することと、前記の制
御された機械装置を制御するために前記のPIDコント
ローラを使用することと、を含む請求項21に記載の方
法。
22. Handling the fuzzy controller, providing control weights to the PID controller from the fuzzy controller, and using the PID controller to control the controlled mechanical device. 22. The method of claim 21, comprising:
【請求項23】 量子系のエントロピーを計算するモジ
ュールと、古典系のエントロピーを計算するモジュール
と、量子系のエントロピーと古典系のエントロピーの両
方のエントロピーを減少させる解の解空間を探索するモ
ジュールと、を含む量子探索アルゴリズムを展開する装
置。
23. A module for calculating entropy of a quantum system, a module for calculating entropy of a classical system, and a module for searching a solution space of a solution that reduces both entropy of the quantum system and entropy of the classical system. An apparatus for developing a quantum search algorithm including:
【請求項24】 複数個の相関状態ベクトルを複数個の
入力状態ベクトルから生成するもつれ合い演算子を適用
する第1モジュールと、前記の相関状態ベクトルに比べ
て小さい古典系のエントロピーを有するインテリジェン
トな状態ベクトルを生成する前記の相関状態ベクトルに
干渉演算子を適用する第2モジュールと、を含む量子ア
ルゴリズムを展開する装置。
24. A first module for applying an entanglement operator for generating a plurality of correlation state vectors from a plurality of input state vectors, and an intelligent state having a classical entropy smaller than the correlation state vector. A second module for applying an interference operator to said correlation state vector to generate a vector.
【請求項25】 部分最適解の特性を改善する大域的オ
プティマイザであって、前記のオプティマイザには、メ
モリにロードされるコンピュータソフトウェアを含み、
前記のソフトウェアには、1番目の変換を初期状態に適
用し基底状態のコヒーレントな重ね合わせを作る第1モ
ジュールと、可逆変換を使用する2番目の変換を前記の
コヒーレントな重ね合わせに適用し複数のコヒーレント
な出力状態を作る第2モジュールと、3番目の変換を前
記の複数のコヒーレントな出力状態に適用し出力状態の
干渉を作る第3モジュールと、前記の出力状態の干渉か
ら大域解を選択する第4モジュールと、を含む大域的オ
プティマイザ。
25. A global optimizer for improving properties of a suboptimal solution, said optimizer including computer software loaded into memory,
The software includes a first module that applies a first transform to an initial state to produce a coherent superposition of ground states, and a second module that uses a reversible transform to apply a second transform to the coherent superposition. A second module for generating a coherent output state of the first and second modules, a third module for applying a third transform to the plurality of coherent output states to generate an output state interference, and selecting a global solution from the output state interference. And a fourth module.
【請求項26】 前記の1番目の変換がアダマール回転
である請求項25に記載のオプティマイザ。
26. The optimizer according to claim 25, wherein said first transform is a Hadamard rotation.
【請求項27】 前記の各基底状態がキュビットを使用
して表される請求項25に記載のオプティマイザ。
27. The optimizer according to claim 25, wherein each of said ground states is represented using a qubit.
【請求項28】 前記の2番目の変換がシュレーディン
ガー方程式の解に基づいている請求項25に記載のオプ
ティマイザ。
28. The optimizer according to claim 25, wherein said second transform is based on a solution of the Schrodinger equation.
【請求項29】 前記の3番目の変換が量子高速フーリ
エ変換である請求項25に記載のオプティマイザ。
29. The optimizer according to claim 25, wherein said third transform is a quantum fast Fourier transform.
【請求項30】 前記の第4モジュールが最大確率を求
めるように構成されたものである請求項25に記載のオ
プティマイザ。
30. The optimizer according to claim 25, wherein said fourth module is configured to determine a maximum probability.
【請求項31】 前記の入力状態の重ね合わせが、大域
的適応度関数に対する局所解の集まりを含む請求項25
に記載のオプティマイザ。
31. The superposition of input states includes a collection of local solutions to a global fitness function.
Optimizer as described in.
【請求項32】 入力関数fをユニタリ行列演算子UF
に符号化する手段と、演算子UFを量子ゲートGに組み
込む手段と、前記の量子ゲートGを複数の初期ベクトル
に適用して複数の基底ベクトルを作り、前記の基底ベク
トルを測定して測定ベクトルを作る手段と、前記の測定
ベクトルを出力ベクトルに復号化する手段と、を含む量
子ソフトコンピューティングの装置。
32. An input function f is defined by a unitary matrix operator U F
Means for integrating the operator U F into the quantum gate G; applying the quantum gate G to a plurality of initial vectors to form a plurality of basis vectors; measuring and measuring the basis vectors An apparatus for quantum soft computing, comprising: means for creating a vector; and means for decoding said measurement vector into an output vector.
【請求項33】 符号化の前記の手段が、fの写像表を
単写関数Fに変換し、前記の関数Fを前記の演算子UF
の写像表に変換し、そして、UFの前記の写像表を前記
の演算子UFに変換する請求項32に記載の装置。
33. The means for encoding converts a mapping table of f into a single mapping function F and converts the function F to the operator U F
33. The apparatus of claim 32, converting the mapping table of U F to the mapping table of U F and the operator U F.
【請求項34】 さらに前記の基底ベクトルのエントロ
ピーを最小化する手段を含む請求項32に記載の装置。
34. The apparatus according to claim 32, further comprising means for minimizing the entropy of said basis vectors.
【請求項35】 制御された機械装置のエントロピー生
成速度を最小化するように構成されたものである適応度
関数を使用して複数の局所解を最適化する手段と、シャ
ノンのエントロピーを最小化するように構成されたもの
である適応度関数を使用して大域解を求めることを目的
にして前記の局所解を探索する量子の手段と、を含むシ
ャノンのエントロピーを最小化するように構成されたも
のである量子探索アルゴリズムを含むインテリジェント
な制御系。
35. A means for optimizing a plurality of local solutions using a fitness function configured to minimize the rate of entropy generation of a controlled machine, and minimizing Shannon's entropy. Quantum means for searching for the local solution for the purpose of finding a global solution using a fitness function that is configured to minimize Shannon's entropy. Intelligent control system including a quantum search algorithm.
【請求項36】 前記の大域解がファジーニューラルネ
ットワークの重みを含む請求項35に記載のインテリジ
ェントな制御系。
36. The intelligent control system of claim 35, wherein said global solution includes fuzzy neural network weights.
【請求項37】 さらに、前記の大域解を使用し、PI
Dコントローラの重みを提供するファジーコントローラ
を取り扱う手段を含む請求項35に記載のインテリジェ
ントな制御系。
37. Further, using the global solution, PI
36. The intelligent control system of claim 35, including means for handling a fuzzy controller providing D controller weights.
【請求項38】 適応度関数に基づいた遺伝子オプティ
マイザと、古典系のエントロピーと量子系のエントロピ
ーを最小化する前記の適応度関数を選択する手段と、を
含む量子探索アルゴリズムを導き出す装置。
38. An apparatus for deriving a quantum search algorithm comprising: a gene optimizer based on a fitness function; and means for selecting said fitness function that minimizes the entropy of a classical system and the entropy of a quantum system.
【請求項39】 量子系のエントロピーを最小化する手
段と、古典系のエントロピーを最小化する手段と、を含
む量子探索アルゴリズムを展開する装置。
39. An apparatus for developing a quantum search algorithm including means for minimizing entropy of a quantum system and means for minimizing entropy of a classical system.
【請求項40】 もつれ合い演算子を適用し複数個の相
関状態ベクトルを複数個の入力状態ベクトルから作る手
段と、干渉演算子を前記の相関状態ベクトルに適用し前
記の相関状態ベクトルに比べて小さい古典系のエントロ
ピーを有するインテリジェントな状態ベクトルを生成す
る手段と、を含む量子アルゴリズムを展開する装置。
40. A means for applying an entanglement operator to produce a plurality of correlation state vectors from a plurality of input state vectors, and applying an interference operator to said correlation state vector and making said correlation state vector smaller than said correlation state vector. Means for generating an intelligent state vector having entropy of classical system.
【請求項41】 1番目の変換を初期状態に適用して基
底状態のコヒーレントな重ね合わせを作る手段と、可逆
変換を使用する2番目の変換を前記のコヒーレントな重
ね合わせに適用しコヒーレントな出力状態を作る手段
と、3番目の変換を前記のコヒーレントな出力状態に適
用し出力状態の干渉を作る手段と、前記の出力状態の干
渉から大域解を選択する手段と、を含む部分最適解の特
性を改善する大域的最適化の装置。
41. A means for applying a first transform to an initial state to produce a coherent superposition of ground states, and applying a second transform using a reversible transform to said coherent superposition to produce a coherent output. A suboptimal solution comprising: means for creating a state; means for applying a third transform to the coherent output state to create output state interference; and means for selecting a global solution from the output state interference. Global optimization device to improve characteristics.
【請求項42】 前記の2番目の変換がシュレーディン
ガー方程式の解である請求項41に記載の装置。
42. The apparatus according to claim 41, wherein said second transform is a solution of the Schrodinger equation.
【請求項43】 前記の3番目の変換が量子高速フーリ
エ変換である請求項41に記載の装置。
43. The apparatus according to claim 41, wherein said third transform is a quantum fast Fourier transform.
【請求項44】 前記の選択手段が最大確率を求める請
求項41に記載の装置。
44. The apparatus according to claim 41, wherein said selecting means determines a maximum probability.
【請求項45】 前記の入力状態の重ね合わせが大域的
適応度関数に対する局所解の集まりを含む請求項41に
記載の装置。
45. The apparatus of claim 41, wherein said superposition of input states comprises a collection of local solutions to a global fitness function.
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004118513A (en) * 2002-09-26 2004-04-15 Japan Science & Technology Corp Semiconductor arithmetic unit
WO2006061926A1 (en) * 2004-12-09 2006-06-15 National University Corporation NARA Institute of Science and Technology Program development support device for computer system including quantum computer, program development support program, and simulation device
KR100643283B1 (en) 2004-10-13 2006-11-10 삼성전자주식회사 Method and apparatus improving operation processing time-ratio using quantum coprocessor
JP2006331249A (en) * 2005-05-30 2006-12-07 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Quantum program conversion apparatus, its method and program, and recording medium
JP2007189585A (en) * 2006-01-16 2007-07-26 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Node selection method, node selection apparatus, and node selection program
JP2008527670A (en) * 2005-01-14 2008-07-24 エレクトロニクス アンド テレコミュニケーションズ リサーチ インスチチュート Lithium secondary battery having charge discharging means
JP2008294666A (en) * 2007-05-23 2008-12-04 Japan Science & Technology Agency Quantum program secreting device, and quantum program secreting method
JP2013513181A (en) * 2009-12-08 2013-04-18 ユニバーシティ オブ ソウル インダストリー コーポレーション ファウンデーション Quantum Carnot diagram
CN115329964A (en) * 2022-03-28 2022-11-11 量子科技长三角产业创新中心 Optimal number entropy type measurement method for quantum gate control experiment and intelligent decision system
CN117275583A (en) * 2023-09-27 2023-12-22 四川大学 Quantum technology-based gene search BLAST acceleration method and system

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004118513A (en) * 2002-09-26 2004-04-15 Japan Science & Technology Corp Semiconductor arithmetic unit
KR100643283B1 (en) 2004-10-13 2006-11-10 삼성전자주식회사 Method and apparatus improving operation processing time-ratio using quantum coprocessor
WO2006061926A1 (en) * 2004-12-09 2006-06-15 National University Corporation NARA Institute of Science and Technology Program development support device for computer system including quantum computer, program development support program, and simulation device
JP4867009B2 (en) * 2004-12-09 2012-02-01 国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学 Program development support apparatus, program development support program, and simulation apparatus for computer system including quantum computer
JP2008527670A (en) * 2005-01-14 2008-07-24 エレクトロニクス アンド テレコミュニケーションズ リサーチ インスチチュート Lithium secondary battery having charge discharging means
JP4718244B2 (en) * 2005-05-30 2011-07-06 日本電信電話株式会社 Quantum program conversion apparatus, method thereof, program thereof and recording medium
JP2006331249A (en) * 2005-05-30 2006-12-07 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Quantum program conversion apparatus, its method and program, and recording medium
JP2007189585A (en) * 2006-01-16 2007-07-26 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Node selection method, node selection apparatus, and node selection program
JP4593482B2 (en) * 2006-01-16 2010-12-08 日本電信電話株式会社 Node selection method, node selection device, and node selection program
JP2008294666A (en) * 2007-05-23 2008-12-04 Japan Science & Technology Agency Quantum program secreting device, and quantum program secreting method
JP2013513181A (en) * 2009-12-08 2013-04-18 ユニバーシティ オブ ソウル インダストリー コーポレーション ファウンデーション Quantum Carnot diagram
US8671369B2 (en) 2009-12-08 2014-03-11 University Of Seoul Industry Cooperation Foundation Quantum Karnaugh map
US9147019B2 (en) 2009-12-08 2015-09-29 University Of Seoul Industry Cooperation Foundation Quantum Karnaugh map
CN115329964A (en) * 2022-03-28 2022-11-11 量子科技长三角产业创新中心 Optimal number entropy type measurement method for quantum gate control experiment and intelligent decision system
CN117275583A (en) * 2023-09-27 2023-12-22 四川大学 Quantum technology-based gene search BLAST acceleration method and system
CN117275583B (en) * 2023-09-27 2024-04-16 四川大学 Quantum technology-based gene search BLAST acceleration method and system

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