KR20190041887A - Quantum RAM and quantum database utilizing quantum superposition - Google Patents

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KR20190041887A
KR20190041887A KR1020180002856A KR20180002856A KR20190041887A KR 20190041887 A KR20190041887 A KR 20190041887A KR 1020180002856 A KR1020180002856 A KR 1020180002856A KR 20180002856 A KR20180002856 A KR 20180002856A KR 20190041887 A KR20190041887 A KR 20190041887A
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Abstract

Quantum computing may achieve exponential speed improvement in some applications by using a massive parallel process provided by a quantum database capable of information superposition. The present invention proposes efficient quantum database architecture and protocol capable of recording and retrieving classical information with a quantum circuit.

Description

양자 중첩을 활용한 양자 메모리와 양자 데이터베이스{Quantum RAM and quantum database utilizing quantum superposition}Quantum memory and quantum database using quantum superposition.

본 발명은 양자 메모리의 구조, 고전적 데이터(classical data)를 양자 데이터로 입력하여 양자 연산에 활용할 수 있는 방법, 및 이를 이용하여 양자 데이터베이스를 운영하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a quantum memory, a method for inputting classical data into quantum data and utilizing the same, and a system and a method for operating a quantum database using the same.

양자 연산 기술은 대규모 계산이 필요한 어려운 문제에 대한 해답을 찾는 빠른 방법으로 개발되고 있다. Quantum RAM (QRAM, 양자 RAM)은 이러한 양자 연산에 정보를 제공해야 하지만 효과적이고 효율적인 구조 및 구현 방법은 잘 알려져 있지 않다. 특히, 양자 메모리는 복수의 고전적 데이터를 기록하고 복수의 고전적 데이터에 대해 양자 중첩의 현상을 이용하여 양자 컴퓨터에 데이터를 제공함으로써 양자 컴퓨터의 계산 속도 이득을 얻을 수 있다. 이를 이용하여 고전적 데이터를 효과적으로 기록하고 중첩하는 방법이 요구되고 있다. Quantum computing technology is being developed as a quick way to find answers to difficult problems that require large-scale calculations. Quantum RAM (QRAM, quantum RAM) should provide information to these quantum operations, but the efficient and efficient structure and implementation methods are not well known. In particular, a quantum memory can obtain a computational speed gain of a quantum computer by recording a plurality of classical data and providing data to the quantum computer using the phenomenon of quantum superposition for a plurality of classical data. There is a need for a method for effectively recording and superimposing classical data by using the same.

종래 기술에서, QRAM 상에 중첩된 데이터를 기록하기 위해, QRAM의 고전적 정보 용량(이후 정보 용량으로 언급됨)이 N일 때, 디바이스 복잡성은 O(NlogN)이다. In the prior art, when recording the data superimposed on the QRAM, when the classical information capacity (hereinafter referred to as information capacity) of the QRAM is N, the device complexity is O (NlogN).

양자 연산은 정보의 중첩이 가능한 양자 데이터베이스에 의해 제공되는 거대한 병렬 프로세스를 사용하여 일부 애플리케이션에서 기하 급수적인 속도 향상을 얻을 수 있는 점을 이용하여, O(logN) 레벨의 복잡도 또는 logN의 다항식적인 복잡도로 구현될 수 있다. 본 발명은 고전적 데이터를 양자 데이터로 입력하여 양자 연산에 활용할 수 있도록 하기 위한, 양자 회로를 이용해 고전적인 정보를 효과적으로 기록 및 검색할 수 있는 양자 메모리, 양자 데이터베이스 등의 시스템 및 그 방법을 제공한다. The quantum computation is based on the fact that it can achieve exponential speedup in some applications using a massive parallel process provided by a quantum database capable of information superposition, . ≪ / RTI > The present invention provides a system and method for a quantum memory, a quantum database, and the like that can effectively record and retrieve classical information using a quantum circuit so that classical data can be input as quantum data and utilized for quantum computation.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 양자 데이터베이스는, 양자 프로세스를 통해 데이터를 저장하고 양자 쿼리에 대한 검색 결과를 제공하기 위한 양자 메모리를 포함하고, 상기 양자 메모리는, 제1입력 데이터의 각 비트에 대응된 각 큐빗에 대한 하다마드 변환을 수행하는 하다마드 게이트; 상기 하다마드 게이트의 출력과 상기 제1입력 데이터의 각 비트 간에 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제1조건부 비트 플립 게이트; 상기 제1조건부 비트 플립 게이트 출력에 대해 텐서곱 상태의 위상 조정을 위한 조건부 위상조정 게이트; 상기 조건부 위상조정 게이트의 출력과 상기 제1입력 데이터의 각 비트 간에 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제2조건부 비트 플립 게이트를 포함한다.According to an aspect of the present invention, a quantum database includes a quantum memory for storing data through a quantum process and providing a search result for a quantum query, , is that the quantum memory, it is first of each qubit corresponding to the respective bits of the first input data to perform the Hadamard transform Hadamard gate; A first conditional bit flip gate for performing conditional bit flip conversion between the output of the Hadamard gate and each bit of the first input data; A conditional phase adjustment gate for phase adjustment of the tensor product state with respect to the first conditional bit flip gate output; And a second conditional bit flip gate for performing conditional bit flip conversion between the output of the conditional phase adjustment gate and each bit of the first input data.

상기 제1입력 데이터의 비트에 대응되는 0부터 n-1까지의

Figure pat00001
상태의 큐빗 이외에, 비고유 글로벌(non-unique global) 위상 정보에 의한 앨리어싱(aliasing)을 방지하기 위하여, 상기 제1입력 데이터의 비트 수 보다 1이상 더 많은
Figure pat00002
상태의 안실라(ancilla) 큐빗들을 이용한다.The first to n-th input data corresponding to the bits of the first input data
Figure pat00001
In order to prevent aliasing by non-unique global phase information, in addition to the cubic state of the first input data,
Figure pat00002
Use the state ancilla cubes.

상기 양자 메모리는, 제2입력 데이터를 상기 제1입력 데이터와 중첩시킨 양자 상태의 데이터를 산출하기 위하여, 상기 제2조건부 비트 플립 게이트의 출력과 상기 제2입력 데이터의 각 비트 간에 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제3조건부 비트 플립 게이트; 상기 제3조건부 비트 플립 게이트 출력에 대해 텐서곱 상태의 위상 조정을 위한 제2조건부 위상조정 게이트; 상기 제2조건부 위상조정 게이트의 출력과 상기 제1입력 데이터의 각 비트 간에 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제4조건부 비트 플립 게이트를 더 포함할 수 있다.Wherein the quantum memory further comprises a conditional bit flip conversion circuit for performing a conditional bit flip conversion between the output of the second conditional bit flip gate and each bit of the second input data in order to calculate quantum data in which the second input data is superimposed on the first input data, A third conditional bit flip gate for performing a third conditional bit flip gate; A second conditional phase adjustment gate for phase adjustment of the tensor product state with respect to the third conditional bit flip gate output; And a fourth conditional bit flip gate for performing a conditional bit flip conversion between the output of the second conditional phase adjustment gate and each bit of the first input data.

또는, 상기 하다마드 게이트는, n(자연수) 비트의 상기 제1입력 데이터에 대하여

Figure pat00003
상태의 (n+1) 큐빗들에 대한 하다마드 변환을 수행하는 (n+1)개의 하다마드 게이트를 포함하고, 상기 조건부 위상조정 게이트는,
Figure pat00004
상태에 있는 큐빗들에 텐서곱 상태의 부호를 반대로 바꾸는 조건부 Z-게이트를 포함할 수 있다.Alternatively, the Hadamard gate may be configured so that the first input data of n (natural number)
Figure pat00003
(N + 1) Hadamard gates performing a Hadamard transform on (n + 1) qubits of the state,
Figure pat00004
Lt; RTI ID = 0.0 > z-gate < / RTI > that reverses the sign of the tensor product state to qubits in the state.

상기 하다마드 게이트는, n(자연수) 비트의 상기 제1입력 데이터에 대하여

Figure pat00005
상태의 n 큐빗들에 대한 하다마드 변환을 수행하는 n개의 하다마드 게이트를 포함하고, 상기 조건부 위상조정 게이트는,
Figure pat00006
상태에 있는 모든 제어 큐빗들을 갖는 텐서곱 상태의 목표 큐빗의 비트 상태를 반대로 바꾸는 조건부 NOT-게이트를 포함할 수 있다.The Hadamard gate generates the first input data of n (natural number)
Figure pat00005
Wherein the conditional phase adjustment gate comprises n Hadamard gates that perform a Hadamard transform on n qubits of the state,
Figure pat00006
And a conditional NOT-gate that reverses the bit state of the target qubit in the tensor product state with all control qubits in the state.

상기 제1조건부 비트 플립 게이트 및 상기 제2조건부 비트 플립 게이트 이전 또는 이후에 각각, 회전 연산이 적용된 게이트를 더 포함하여 상기 제1입력 데이터 및 정규화된 발생 빈도의 입력을 처리할 수 있다.Further comprising a gate to which a rotation operation is applied before or after the first conditional bit flip gate and the second conditional bit flip gate, respectively, to process the input of the first input data and the normalized occurrence frequency.

상기 조건부 위상조정 게이트는, 일반화된 블록구면(Bloch Sphere) 상의 복소 확률 진폭 정보에 대응된 회전을 수행할 수 있다.The conditional phase adjustment gate may perform rotation corresponding to the complex probability amplitude information on the generalized block sphere.

상기 양자 데이터베이스는, 2이상의 데이터 집합을 독립적으로 연산하기 위하여, 상기 제1입력 데이터의 비트에 대응되는 0부터 n-1까지의

Figure pat00007
상태의 큐빗 이외에 2이상 더 많은
Figure pat00008
상태의 안실라(ancilla) 큐빗들을 이용하되, 상기 제1조건부 비트 플립 게이트; 상기 조건부 위상조정 게이트; 및 상기 제2조건부 비트 플립 게이트를 포함한 제1연산 구조, 및 상기 제1연산 구조와 같은 구조로 직렬 배치된 적어도 1개 이상의 연산구조가, 각각의 상기 조건부 위상조정 게이트에서 상기 안실라 큐빗들을 각각 이용해 상기 위상 조정을 수행함으로써, 각각의 연산 구조의 입력 데이터들에 대해 독립적으로 구분된 연산을 처리할 수 있다.Wherein the quantum database comprises a plurality of quantization means for quantizing the quantized values of 0 to n-1 corresponding to the bits of the first input data,
Figure pat00007
More than 2 in addition to the state's cubes
Figure pat00008
Using the ancilla qubits of the first condition bit flip gate; The conditional phase adjustment gate; And a second arithmetic structure including the second conditional bit flip gate, and at least one arithmetic structure arranged in series with the same structure as the first arithmetic structure, each of the anilacquids in each of the conditional phase adjusting gates By performing the above phase adjustment, it is possible to process an operation separately classified for the input data of each arithmetic structure.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 양자 데이터베이스는, 양자 프로세스를 통해 데이터를 저장하고 양자 쿼리에 대한 검색 결과를 제공하기 위한 양자 메모리를 포함하고, 상기 양자 메모리는, 제1입력 데이터의 각 비트에 대응된 각 큐빗에 대한 하다마드 변환을 수행하는 하다마드 게이트; 상기 하다마드 게이트의 출력과 상기 제1입력 데이터의 각 비트 간에 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제1조건부 비트 플립 게이트; 상기 제1조건부 비트 플립 게이트 출력에 대해 텐서곱 상태의 위상 조정을 위한 제1조건부 위상조정 게이트; 상기 제1조건부 위상조정 게이트 출력에 대해 텐서곱 상태의 위상 조정을 위한 제2조건부 위상조정 게이트; 상기 제2조건부 위상조정 게이트의 출력과 상기 제1입력 데이터의 각 비트 간에 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제2조건부 비트 플립 게이트를 포함할 수 있다. And, both the database according to another aspect of the present invention, the storage data over a quantum process, and includes both a memory for providing the search results for both the query to the quantum memory, each bit of the first input data A Hadamard gate performing a Hadamard transform for each corresponding qubit; A first conditional bit flip gate for performing conditional bit flip conversion between the output of the Hadamard gate and each bit of the first input data; A first conditional phase adjustment gate for phase adjustment of the tensor product state with respect to the first conditional bit flip gate output; A second conditional phase adjustment gate for phase adjustment of the tensor product state with respect to the first conditional phase adjustment gate output; And a second conditional bit flip gate for performing a conditional bit flip conversion between the output of the second conditional phase adjustment gate and each bit of the first input data.

양자 데이터베이스는 O(log N)의 큐빗(qubit)에 다중 데이터 입력을 중첩시키는 방식으로 데이터를 등록해야 한다. 본 발명에 따른 양자 중첩을 활용한 양자 데이터베이스를 포함하는 시스템 및 그 방법은, 이와 같은 데이터 연산을 위해 양자 게이트 처리에 적용될 수 있는 양자 정보를 어떻게 표현할 것인가에 대한 프로토콜을 갖춘 새롭고 효율적인 양자 메모리, 양자 데이터베이스를 제공할 수 있다. A quantum database must register data in such a way that multiple data inputs are superimposed on O (log N) qubits. A system including a quantum database utilizing quantum superposition according to the present invention and a method thereof can be applied to a new and efficient quantum memory equipped with a protocol on how to represent quantum information applicable to quantum gate processing for such data operation, Databases can be provided.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 데이터베이스의 처리 과정을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에서 조건부 Z 게이트(CZ)를 갖는 양자 RAM(QRAM)을 구성하기 위한 구조의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 조건부 NOT 게이트 (CNOT)를 갖는 양자 RAM(QRAM)을 구성하기 위한 구조의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 비균일 가중치를 갖는 데이터의 등록을 위한 양자 RAM(QRAM)을 구성하기 위한 구조의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 복소 확률 진폭을 갖는 데이터의 등록을 위한 양자 RAM(QRAM)을 구성하기 위한 구조의 블록도이다.
도 6은 본 발명의 양자 데이터베이스(QDB)의 임베딩 모델을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 두개의 독립된 데이터 집합을 연산 처리하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
1 is a diagram illustrating a process of a quantum database according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a block diagram of a structure for constructing a quantum RAM (QRAM) having a conditional Z gate (CZ) in the present invention.
3 is a block diagram of a structure for constructing a quantum RAM (QRAM) having a conditional NOT gate (CNOT) of the present invention.
4 is a block diagram of a structure for constructing a quantum RAM (QRAM) for registration of data having non-uniform weights of the present invention.
5 is a block diagram of a structure for constructing a quantum RAM (QRAM) for registration of data having a complex probability amplitude of the present invention.
6 shows an embedding model of the quantum database (QDB) of the present invention.
7 is a diagram for explaining a method of calculating and processing two independent data sets according to another embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference symbols as possible. In addition, detailed descriptions of known functions and / or configurations are omitted. The following description will focus on the parts necessary for understanding the operation according to various embodiments, and a description of elements that may obscure the gist of the description will be omitted. Also, some of the elements of the drawings may be exaggerated, omitted, or schematically illustrated. The size of each component does not entirely reflect the actual size, and therefore the contents described herein are not limited by the relative sizes or spacings of the components drawn in the respective drawings.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. The following terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and may be changed according to the intention or custom of the user, the operator, and the like. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification. The terms used in the detailed description are intended only to describe embodiments of the invention and should in no way be limiting. Unless specifically stated otherwise, the singular form of a term includes plural forms of meaning. In this description, the expressions " comprising " or " comprising " are intended to indicate certain features, numbers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof, Should not be construed to preclude the presence or possibility of other features, numbers, steps, operations, elements, portions or combinations thereof.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.It is also to be understood that the terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms may be used to distinguish one component from another .

먼저, 양자 연산은 일부 응용에서 O(logN)의 전체 비용으로 방대한 병렬 프로세스를 허용하는 정보의 양자 중첩을 사용하여 속도를 높일 수 있다. 이러한 이득을 얻으려면 커다란 고전적 데이터베이스의 중첩된 정보를 제공하는 양자 데이터베이스가 있어야 한다. 일례로 Learning Parity With Noise(잡음을 가진 패리티 학습)과 관련한 종래 기술은 양자 회로의 단순하고 체계적인 아키텍처로 이러한 데이터베이스를 구현할 수 있다는 점을 고무시킨다. First, quantum operations can be speeded up by using quantum superposition of information that allows vast parallel processes at the overall cost of O (logN) in some applications. To achieve this, there must be a quantum database that provides nested information for large classical databases. For example, the prior art relating to Learning Parity With Noise encourages the implementation of such a database with a simple and systematic architecture of quantum circuits.

본 발명은 고전적 정보를 적용한 QRAM(quantum random access memory)과 동일한 새로운 양자 데이터베이스(QDB, quantum database) 아키텍처 및 프로토콜을 제안한다. 이 QDB 모델은 또한 CQI(classical-to-quantum interface) 및 QCI (quantum-to-classical interface)에 적합한 모델이 될 수 있다.The present invention proposes a new QDB and quantum database (QDB) architecture and protocol similar to QRAM (quantum random access memory) applying classical information. This QDB model can also be a suitable model for classical-to-quantum interface (CQI) and quantum-to-classical interface (QCI).

이러한 양자 데이터베이스는 QRAM으로 구현할 수 있다. 그러나, 종래에 O(logN) 큐빗이 필요한 QRAM 모델이 제안된 경우가 있었지만, 모든 가능한 양자 상태를 제어하기 위해 고전적 회로에 대한 비용 요구가 O(NlogN)이기 때문에 적절하지 않다. QRAM의 애플리케이션이 고전적인 데이터의 쓰기 및 읽기 전용으로 제한된다면, 양자 회로 비용이 고전적인 방식과 같이 O(logN)인 매우 일반적인 QRAM 구조를 도출할 수 있다.Such a quantum database can be implemented as QRAM. However, although a QRAM model in which a conventional O (log N) qubit is required has been proposed, it is not appropriate because the cost requirement for a classical circuit is O (NlogN) in order to control all possible quantum states. If the application of QRAM is limited to write and read-only of classical data, a very general QRAM structure can be derived where the quantum circuit cost is O (logN) as in the classical way.

고전적인 정보를 읽고 쓰며 양자 연산 회로로 다루기 위한 양자 데이터베이스를 얻기 위해, 도 1에 아키텍처 수준의 양자 데이터베이스의 처리 과정을 나타내었다. 본 발명에서는 QDB를위한 QRAM 설계에 중점을 두어 설명한다.In order to obtain a quantum database for reading and writing classical information and dealing with quantum computing circuits, FIG. 1 shows the processing of an architecture-level quantum database. The present invention focuses on QRAM design for QDB.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 데이터베이스의 처리 과정을 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a process of a quantum database according to an embodiment of the present invention.

양자 데이터베이스(QDB)는 양자 RAM(QRAM)을 이용하여 구성되며, 양자 RAM(QRAM)은 연산 등록기로 이해될 수 있으며, 예를 들어, 연산 결과에 따라 데이터가 수정되어 업데이트될 수 있다. 양자 데이터베이스(QDB)는 고전적인 데이터를 양자 RAM(QRAM)에 양자 중첩으로 등록 저장할 수 있으며, 또한, 쿼리(query)를 위한 양자 프로세스를 등록 저장할 수 있다(110). 양자 데이터베이스(QDB)는 이와 같이 저장 등록된 데이터와 쿼리(query) 프로세스에 기초하여, 쿼리(query)에 대한 응답으로 데이터의 저장, 등록, 수정, 삭제 등 편집이 가능하다. A quantum database (QDB) is configured using a quantum RAM (QRAM), and a quantum RAM (QRAM) can be understood as an operation register. For example, data can be modified and updated according to an operation result. A quantum database (QDB) can register and store classical data in a quantum superposition in a quantum RAM (QRAM), and also register and store a quantum process for a query (110). The quantum database (QDB) is capable of editing, storing, registering, modifying, and deleting data in response to a query based on the stored and registered data and a query process.

고전적인 쿼리 방식은 한 번에 하나씩만 취할 수 있는 반면, 양자 쿼리는 다중 양자 쿼리 방식으로 한 번에 양자 중첩으로 취해질 수 있다(120). 쿼리에 대한 검색 결과를 찾기 위한 양자 프로세스의 결과로 양자 RAM(QRAM) 상태가 쿼리 결과를 나타내도록 수정될 수 있다. 그 결과들은 최종 복귀(revert) 과정(140) 전에 적절한 양자 측정값으로 독출될 수 있다(130). 데이터 독출은 측정이 양자 RAM(QRAM)의 양자 데이터를 변경하지 않도록 설계하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로 양자 데이터베이스(QDB)의 양자 RAM(QRAM)은 모든 초기 양자 데이터를 복원하기 위해 양자 프로세스의 역과정에 의해 복귀(revert)될 수 있다(140). While the classic query approach can only take one at a time, a quantum query can be taken as a quantum superposition at one time in a multiple quantum query manner (120). A quantum RAM (QRAM) state may be modified to indicate the query result as a result of the quantum process for locating search results for the query. The results may be read 130 before the final revert process 140 with appropriate quantum measurements. It is desirable to design the data read so that the measurement does not change the quantum data of the quantum RAM (QRAM). In this way, the quantum RAM (QRAM) of the quantum database QDB can be reverted 140 by the inverse process of the quantum process to recover all initial quantum data.

양자 프로세스는 기본 양자 단위 연산을 포함한다. 양자 RAM(QRAM) 모델은 하다마드(Hadamard) 게이트 H, 고전적 조건부 비트 플립 X, 조건부 위상 플립(flip) (controlled Z, 또는 CZ)을 사용하여 구성될 수 있다. 하다마드 게이트 H는 단일 큐빗 단위 연산자이며 [수학식1]과 같이 주어진다. The quantum process includes basic quantum unit operations. A quantum RAM (QRAM) model can be constructed using a Hadamard gate H, a classical conditional bit flip X, a conditional phase flip (controlled Z, or CZ). Hadamardgate H is a single-qubit unit operator and is given by [Equation 1].

[수학식1] [Equation 1]

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서, 디랙(Dirac)의 켓 벡터(ket vector)

Figure pat00010
은 0(1)에 해당하는 큐빗(qubit)의 양자상태를 나타내고, 복소수 α와 β는 양자 확률 진폭을 나타내므로,
Figure pat00011
이다. 이 큐빗 정의에 따라 양자 정보 공간은 힐버트(Hilbert) 공간이 된다. Here, Dirac's ket vector (ket vector)
Figure pat00010
Represents the quantum state of a qubit corresponding to 0 (1), and the complex numbers? And? Represent a quantum probability amplitude,
Figure pat00011
to be. According to this qubit definition, the quantum information space becomes a Hilbert space.

고전적 조건부 비트 플립 게이트 X는 고전적 제어 입력 비트 d에 의해 제어되는 단일 큐빗 단위 연산이기도 하다. 본 발명에서 [수학식2]와 같이 부정 제어(negated control)(d=0)를 위한 조건부 비트 플립 게이트 XNC가 사용된다. The classical conditional bit flip gate X is also a single qubit unit operation controlled by the classical control input bit d. In the present invention, a conditional bit flip gate X NC for negated control (d = 0) is used as in Equation (2).

[수학식2]&Quot; (2) "

Figure pat00012
Figure pat00012

2개 이상의 큐빗은 텐서곱(tensor product) 공간으로서 다차원 힐버트 공간을 생성할 수 있다. Two or more cubes can create a multidimensional Hilbert space as a tensor product space.

예를 들어, 2개의 큐빗 상태는 양자 상태 정보

Figure pat00013
,
Figure pat00014
을 유지할 수 있다. For example, the two qubit states are quantum state information
Figure pat00013
,
Figure pat00014
Lt; / RTI >

조건부 위상 플립 게이트 즉 조건부 Z-게이트(CZ)는 일반적으로 다중 큐빗 단위 연산자로서 모든 큐빗들이

Figure pat00015
상태에 있는 큐빗들에 텐서곱 상태의 부호를 반대로 바꾼다. 예를 들어, 2 큐빗 조건부 Z-게이트(CZ) 연산은 [수학식3]과 같다.The conditional phase flip-gate, or conditional Z-gate (CZ), is generally a multi-qubit unit operator,
Figure pat00015
Converts the sign of the tensor product state to the qubits in the state. For example, a 2-qubit conditional Z-gate (CZ) operation is as in Equation (3).

[수학식3]&Quot; (3) "

Figure pat00016
Figure pat00016

도 2는 본 발명에서 조건부 Z-게이트(CZ)를 갖는 양자 RAM(QRAM) (장치 또는 시스템)을 구성하기 위한 구조의 블록도이다. 이를 기초로 양자 RAM(QRAM)에서 클래스 정보 및 양자 중첩을 입력하는 방법을 설명한다. 2 is a block diagram of a structure for constructing a quantum RAM (QRAM) (device or system) having a conditional Z-gate (CZ) in the present invention. And a method of inputting class information and quantum superposition in a quantum RAM (QRAM) will be described.

조건부 Z-게이트(CZ)를 이용한 양자 RAM(QRAM) 모델의 효율적인 아키텍처 설계가 도 2에 도시되어 있으며, 고전적 데이터

Figure pat00017
,
Figure pat00018
를 쓰고 중첩하는 방법을 나타낸다. 여기서 비트 시퀀스는 빅 엔디안(big-endian) 규칙을 따른다. 이때 n 큐빗 정보에 대한 양자 RAM(QRAM) 연산을 시작하기 위해, (n+1) 큐빗들은
Figure pat00019
로 준비되고, 하다마드 게이트 H(210)에 의해 하다마드 변환이 이루어져 먼저 [수학식4]와 같은 양자 상태 정보
Figure pat00020
이 산출된다. 하다마드 게이트 H(210)는 도면과 같이 n(자연수) 비트의 입력 데이터
Figure pat00021
에 대하여
Figure pat00022
상태의 (n+1) 큐빗들에 대한 하다마드 변환을 수행하는 (n+1)개의 하다마드 게이트를 포함한다. An efficient architecture design of a quantum RAM (QRAM) model using a conditional Z-gate (CZ) is shown in FIG. 2,
Figure pat00017
,
Figure pat00018
And the method of superposition. Where the bit sequence follows the big-endian rule. At this time, in order to start a quantum RAM (QRAM) operation on n-qubit information, (n + 1)
Figure pat00019
And the Hadamard transform is performed by Hadamard gate H 210 to obtain quantum state information such as Equation (4)
Figure pat00020
. The Hadamard gate H 210 has n (natural number) bits of input data
Figure pat00021
about
Figure pat00022
And (n + 1) Hadamard gates that perform the Hadamard transform on (n + 1) qubits of the state.

[수학식4] &Quot; (4) "

Figure pat00023
Figure pat00023

마지막 큐빗 즉 n(자연수)번째 큐빗

Figure pat00024
은 n 개의 큐빗으로만 정보를 저장하려 했을 때 다음 프로세스에서 발생하는 비고유 글로벌(non-unique global) 위상 정보로 나타나는 앨리어싱(aliasing) 문제를 제거하기 위해 추가된다. 즉, 비고유 글로벌(non-unique global) 위상 정보에 의한 앨리어싱(aliasing)을 방지하기 위하여, 입력 데이터
Figure pat00025
의 비트 수 보다 1이상 더 많은
Figure pat00026
상태의 안실라(ancilla) 큐빗들을 이용한다. 경우에 따라서는 입력 데이터
Figure pat00027
의 비트 수 만큼의
Figure pat00028
상태의 큐빗들이 이용될 수도 있다. 이후 정규화 계수
Figure pat00029
은 표현의 단순화를 위해 무시된다. 또한, i번째 고전적 데이터 입력이
Figure pat00030
로 주어지면, 개별 데이터 비트들에 대해 XNC(220)를 이용한 변환에 따라 [수학식5]와 같이 조건부 비트 플립(flip) 변환이 이루어져 양자 상태 정보
Figure pat00031
이 산출된다. The last qubit, that is, n (natural number)
Figure pat00024
Is added to eliminate the aliasing problem that is represented by non-unique global topological information that occurs in the next process when trying to store information only with n qubits. That is, in order to prevent aliasing by non-unique global phase information,
Figure pat00025
More than the number of bits in
Figure pat00026
Use the state ancilla cubes. In some cases,
Figure pat00027
Of the number of bits
Figure pat00028
Quot; state " may be used. Then,
Figure pat00029
Are ignored for simplification of expression. Also, the i-th classical data input
Figure pat00030
The conditional bit flip conversion is performed according to the conversion using the X NC 220 for individual data bits as in Equation (5), so that the quantum status information
Figure pat00031
.

[수학식5]&Quot; (5) "

Figure pat00032
Figure pat00032

이후 (n+1)-큐빗의 조건부 위상조정 게이트인 조건부 Z-게이트(CZ)(230)는, 조건부 비트 플립 게이트 XNC(220) 출력에 대해, 위에서 기술한 [수학식3]과 같이

Figure pat00033
상태에 있는 큐빗들에 텐서곱 상태의 부호를 반대로 바꾸는 로컬 위상 변환을 통해 [수학식6]과 같이 양자 상태 정보
Figure pat00034
이 산출된다. The conditional Z-gate (CZ) 230, which is the conditional phase adjustment gate of the (n + 1) -qubit, is set to the conditional bit flip gate X NC 220 output as shown in Equation (3)
Figure pat00033
The quantum state information < RTI ID = 0.0 > (k) < / RTI >
Figure pat00034
.

[수학식6] &Quot; (6) "

Figure pat00035
Figure pat00035

다음에 조건부 비트 플립 게이트 XNC(240)를 이용한 변환에 따라

Figure pat00036
상태를 제외한 모든 큐빗을 복귀시켜서, [수학식7]과 같이 양자 상태 정보
Figure pat00037
이 산출된다. Next, according to the conversion using the conditional bit flip gate X NC 240
Figure pat00036
All qubits except for the state are restored, and the quantum state information < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00037
.

[수학식7]&Quot; (7) "

Figure pat00038
Figure pat00038

이와 같이 n개의 i번째 데이터 벡터

Figure pat00039
를 쓰고 등록 저장할 수 있다. 같은 방법으로 n개의 (i+1)번째 데이터 벡터
Figure pat00040
가 중첩되어 [수학식8]과 같이 양자 상태 정보
Figure pat00041
이 산출되어 등록 저장될 수 있다.As described above, n i-th data vectors
Figure pat00039
You can register and save. In the same way, n (i + 1) th data vectors
Figure pat00040
The quantum state information < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00041
Can be calculated and registered and stored.

[수학식8]&Quot; (8) "

Figure pat00042
Figure pat00042

즉, 제2입력 데이터

Figure pat00043
를 제1입력 데이터
Figure pat00044
와 중첩된 양자 상태의 데이터를 산출하기 위하여, 양자 RAM(QRAM)은 위의 240 뒤에, 조건부 비트 플립 게이트 XNC(240)의 출력과 제2입력 데이터
Figure pat00045
의 각 비트 간에 위와 같이 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제3조건부 비트 플립 게이트 XNC(250); 제3조건부 비트 플립 게이트 XNC(250) 출력에 대해
Figure pat00046
상태에 있는 큐빗들에 텐서곱 상태의 부호를 반대로 바꾸는 조건부 Z-게이트(260); 조건부 Z-게이트(260)의 출력과 제2입력 데이터
Figure pat00047
의 각 비트 간에 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제4조건부 비트 플립 게이트(270)를 포함할 수 있다. That is, the second input data
Figure pat00043
To the first input data
Figure pat00044
The quantum RAM (QRAM) receives the output of the conditional bit flip gate X NC 240 and the output of the second input data
Figure pat00045
A third conditional bit flip gate X NC 250 for performing a conditional bit flip conversion as described above between each bit of the bit flip gate XNC 250; For the third conditional bit flip gate X NC (250) output
Figure pat00046
A conditional Z-gate 260 for reversing the sign of the tensor product state to the qubits in the state; The output of the conditional Z-gate 260 and the output of the second input data
Figure pat00047
And a fourth conditional bit flip gate 270 for performing a conditional bit flip conversion between the respective bits of the first conditional bit flip-gate.

결과적으로 이와 같은 양자 RAM(QRAM) 모델은 양자 푸리에(Fourier) 변환 등과 같은 양자 연산에 의해 동시에 병렬 처리될 수 있는 양자 중첩에 의한 2n 데이터를 등록할 수 있다.As a result, such a quantum RAM (QRAM) model can register 2n data by quantum superposition which can be simultaneously processed in parallel by a quantum operation such as a quantum Fourier transform.

위에 기술한 고전적 정보를 양자 정보로 등록함에 있어서 최초의 정보 기록 단계, 즉 하다마드 연산 직후의 단계에서는 조건부 비트 플립 게이트 XNC(220)이 생략될 수 있다. 또한 이미 알려진 다수의 고전적 정보를 순차적으로 등록함에 있어 조건부 비트 플립 게이트 XNC(240)과 조건부 비트 플립 게이트 XNC(250) 중 연속하여 비트 플립 게이트 동작이 두 번 (2회) 발생하게 되는 경우는 두 번의 동작을 동시에 모두 생략할 수 있다. 이와 같은 원리는 하기의 340, 350 등의 동작 등 이하 도 3 내지 도 7의 경우에도 유사 부분에서 유사하게 적용될 수 있다.In registering the above-described classical information as quantum information, the conditional bit flip gate X NC 220 may be omitted in the first information recording step, that is, immediately after the Hadamard operation. In addition, if already there as registering a plurality classical information known in sequence on condition bit flip gate X NC (240) and a conditional bit flip gate X NC (250) continuously bit flip gate operation of which occurs twice (2 times) Can omit both actions at the same time. Such a principle can be similarly applied to the similar parts in the case of FIGS. 3 to 7 and the like in operation of 340,350 and the following.

조건부 비트 플립 게이트 또는 조건부 NOT 게이트 (CNOT)로 양자 RAM(QRAM)의 또 다른 구현이 가능하다. 조건부 NOT 게이트 (CNOT)는 다중 큐빗 단위 연산자로서,

Figure pat00048
상태에 있는 모든 제어 큐빗들을 갖는 텐서곱(tensor product) 상태의 목표 큐빗의 비트 상태를 반대의 상태로 바꾼다. 예를 들어, 2 큐빗 조건부 NOT 게이트 (CNOT) 연산은 [수학식9]와 같다.Another implementation of quantum RAM (QRAM) with conditional bit flip-gate or conditional NOT gate (CNOT) is possible. The conditional NOT gate (CNOT) is a multiple-qubit unit operator,
Figure pat00048
The bit state of the target qubit in the tensor product state with all control qubits in the state is changed to the opposite state. For example, a 2-qubit conditional NOT gate (CNOT) operation is as in Equation (9).

[수학식9]&Quot; (9) "

Figure pat00049
Figure pat00049

도 3은 본 발명의 조건부 NOT 게이트 (CNOT)를 갖는 양자 RAM(QRAM)을 구성하기 위한 구조의 블록도이다. 이를 기초로 양자 RAM(QRAM)에서 클래스 정보 및 양자 중첩을 입력하는 방법을 설명한다.3 is a block diagram of a structure for constructing a quantum RAM (QRAM) having a conditional NOT gate (CNOT) of the present invention. And a method of inputting class information and quantum superposition in a quantum RAM (QRAM) will be described.

조건부 NOT 게이트 (CNOT)를 이용한 양자 RAM(QRAM) 모델의 효율적인 아키텍처 설계는 도 3에 도시되어 있으며, 고전적 데이터

Figure pat00050
,
Figure pat00051
를 쓰고 중첩하는 방법을 나타낸다. 여기서 비트 시퀀스는 빅 엔디안(big-endian) 규칙을 따른다. 이때 n 큐빗 정보에 대한 양자 RAM(QRAM) 연산을 시작하기 위해, (n+1) 큐빗들은
Figure pat00052
로 준비되고, 하다마드 게이트 H(310)에 의해 먼저 [수학식10]과 같은 양자 상태 정보
Figure pat00053
이 산출된다. 여기서, 하다마드 게이트는, n(자연수) 비트의 입력 데이터
Figure pat00054
에 대하여
Figure pat00055
상태의 n 큐빗들에 대한 하다마드 변환을 수행하는 n개의 하다마드 게이트를 포함한다. An efficient architecture design of a quantum RAM (QRAM) model using a conditional NOT gate (CNOT) is shown in FIG. 3,
Figure pat00050
,
Figure pat00051
And the method of superposition. Where the bit sequence follows the big-endian rule. At this time, in order to start a quantum RAM (QRAM) operation on n-qubit information, (n + 1)
Figure pat00052
And the Hadamard gate H 310 first obtains the quantum state information < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00053
. Here, the Hadamard gate includes n (natural number) bits of input data
Figure pat00054
about
Figure pat00055
Lt; RTI ID = 0.0 > n < / RTI >

[수학식10]&Quot; (10) "

Figure pat00056
Figure pat00056

마지막 큐빗 또는 n번째 큐빗

Figure pat00057
은 조건부 NOT 게이트 (CNOT)의 목표 큐빗으로 추가되고, 다음 프로세스에서 데이터 벡터의 등록을 기록하기 위해 준비된다. 이 모델에서 중첩 상태에 있는 텀(term)의 수는 조건부 NOT 게이트 (CNOT) QRAM 아키텍처의 경우 2n이다. 이후 정규화 계수
Figure pat00058
은 표현의 단순화를 위해 무시된다. 또한, i번째 고전적 데이터 입력이
Figure pat00059
로 주어지면, 개별 데이터 비트들에 대한 XNC(320)를 이용한 변환에 따라 [수학식11]과 같이 양자 상태 정보
Figure pat00060
이 산출된다. Last qubit or nth qubit
Figure pat00057
Is added to the target qubit of the conditional NOT gate CNOT and is ready to record the registration of the data vector in the next process. In this model, the number of terms in the nested state is 2 n for the conditional NOT gate (CNOT) QRAM architecture. Then,
Figure pat00058
Are ignored for simplification of expression. Also, the i-th classical data input
Figure pat00059
Given by Equation (11), according to the transformation using X NC (320) for individual data bits, the quantum state information
Figure pat00060
.

[수학식11]&Quot; (11) "

Figure pat00061
Figure pat00061

이후 (n+1)-큐빗 조건부 위상조정 게이트인 조건부 NOT 게이트 (CNOT), 즉 토폴리(Toffoli) 게이트(330)는, 위에서 기술한 [수학식9]과 같이

Figure pat00062
상태에 있는 모든 제어 큐빗들을 갖는 텐서곱 상태의 목표 큐빗의 비트 상태를 반대로 바꾸는 로컬 위상의 변경으로 [수학식12]와 같이 양자 상태 정보
Figure pat00063
이 산출된다. The conditional NOT gate CNOT, that is, the Toffoli gate 330, which is the (n + 1) -quadrature conditional phase adjustment gate, is expressed by Equation (9)
Figure pat00062
The change of the local phase that reverses the bit state of the target qubit in the tensor product state with all control qubits in the state results in a change in the quantum state information
Figure pat00063
.

[수학식12] &Quot; (12) "

Figure pat00064
Figure pat00064

다음에 조건부 비트 플립 게이트 XNC(340)를 이용한 제어에 따라

Figure pat00065
상태를 제외한 모든 큐빗을 복귀시켜서, [수학식13]과 같이 양자 상태 정보
Figure pat00066
이 산출된다. Next, according to the control using the conditional bit flip gate X NC 340
Figure pat00065
All qubits except the state are restored, and the quantum state information < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00066
.

[수학식13]&Quot; (13) "

Figure pat00067
Figure pat00067

이와 같이 n개의 i번째 데이터 벡터

Figure pat00068
를 쓰고 등록 저장할 수 있다. 같은 방법으로 n개의 (i+1)번째 데이터 벡터
Figure pat00069
가 중첩되어 [수학식14]와 같이 양자 상태 정보
Figure pat00070
이 산출되어 등록 저장될 수 있다.As described above, n i-th data vectors
Figure pat00068
You can register and save. In the same way, n (i + 1) th data vectors
Figure pat00069
And the quantum state information < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00070
Can be calculated and registered and stored.

[수학식14]&Quot; (14) "

Figure pat00071
Figure pat00071

즉, 제2입력 데이터

Figure pat00072
를 제1입력 데이터
Figure pat00073
와 중첩된 양자 상태의 데이터를 산출하기 위하여, 양자 RAM(QRAM)은 조건부 비트 플립 게이트 XNC(340)의 출력과 제2입력 데이터
Figure pat00074
의 각 비트 간에 위와 같이 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제3조건부 비트 플립 게이트 XNC(350); 상기 제3조건부 비트 플립 게이트 XNC(350) 출력에 대해
Figure pat00075
상태에 있는 모든 제어 큐빗들을 갖는 텐서곱 상태의 목표 큐빗의 비트 상태를 반대로 바꾸는 조건부 Z-게이트(360); 조건부 Z-게이트(360)의 출력과 제2입력 데이터
Figure pat00076
의 각 비트 간에 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제4조건부 비트 플립 게이트(370)를 포함할 수 있다. That is, the second input data
Figure pat00072
To the first input data
Figure pat00073
The quantum RAM (QRAM) compares the output of the conditional bit flip gate X NC 340 with the output of the second input data < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00074
A third conditional bit flip gate X NC 350 for performing a conditional bit flip conversion as described above between each bit of the bit flip gate XNC 350; For the third conditional bit flip gate X NC 350 output
Figure pat00075
A conditional Z-gate 360 that reverses the bit state of the target qubit in the tensor product state with all control qubits in the state; The output of the conditional Z-gate 360 and the output of the second input data
Figure pat00076
And a fourth conditional bit flip gate 370 for performing a conditional bit flip conversion between the respective bits of the first and second conditional bit flip gates.

결과적으로 이와 같은 양자 RAM(QRAM) 모델은 양자 연산에 의해 동시에 병렬 처리될 수 있는 양자 중첩에 의한 2n 데이터를 등록할 수 있다.As a result, such a quantum RAM (QRAM) model can register 2n data by quantum superposition which can be simultaneously processed in parallel by a quantum operation.

등록된 데이터의 독출은 중첩된 데이터 중에서 목표 패턴을 찾아야하기 때문에 복잡하다. 일반적으로 Grover의 검색 알고리즘을 적용할 수 있고 비용이

Figure pat00077
인 QDB에서 쿼리 데이터가 있는지 여부를 검색할 수 있다.The reading of the registered data is complicated because it is necessary to find the target pattern among the overlapped data. In general, Grover's search algorithm can be applied and cost
Figure pat00077
You can retrieve whether there is query data in the QDB.

도 4는 본 발명의 비균일 가중치를 갖는 데이터의 등록을 위한 양자 RAM(QRAM)을 구성하기 위한 구조의 블록도이다.4 is a block diagram of a structure for constructing a quantum RAM (QRAM) for registration of data having non-uniform weights of the present invention.

텐서곱 기반으로 표현된 비균일 가중치를 갖는 고전적인 데이터는 복소 확률 진폭(complex probability amplitude)에서도 중첩될 수 있다. 이는 주어진 데이터와 그 정규화된 발생 빈도를

Figure pat00078
, pi로 나타낼 수 있고,
Figure pat00079
이다. 이러한 데이터를 도 4와 같은 양자 RAM(QRAM)을 이용하여 등록할 수 있다.Classical data with non-uniform weights expressed on a tensor product basis can also be superimposed on complex probability amplitudes. This means that given data and its normalized incidence
Figure pat00078
, p i ,
Figure pat00079
to be. Such data can be registered using a quantum RAM (QRAM) as shown in FIG.

이러한 데이터를 도 4와 같은 양자 RAM(QRAM)에 등록하기 위하여, 회전 연산 행렬

Figure pat00080
이 적용된 게이트가 추가될 수 있고
Figure pat00081
이며, 이는 위의 조건부 Z-게이트(CZ)(220/240)(또는 조건부 NOT 게이트(CNOT)(320/340)) 이전 또는 이후에 적용될 수 있다. In order to register such data in a quantum RAM (QRAM) as shown in FIG. 4,
Figure pat00080
The applied gate can be added
Figure pat00081
, Which may be applied before or after the above conditional Z-gate (CZ) 220/240 (or conditional NOT gate (CNOT) 320/340).

도 4에서 양자 상태 정보

Figure pat00082
의 양자 상태에 대한 값은 중첩되어 [수학식15]와 같이 산출되어 등록 저장될 수 있다.4,
Figure pat00082
The values of the quantum states of the pixels can be superimposed and calculated and registered and stored as shown in Equation (15).

[수학식15]

Figure pat00083
&Quot; (15) "
Figure pat00083

여기서,

Figure pat00084
,
Figure pat00085
이다. here,
Figure pat00084
,
Figure pat00085
to be.

이후 조건부 Z-게이트(CZ)가 적용되어 [수학식16]과 같이 양자 상태 정보

Figure pat00086
이 산출되어 등록 저장된다. The conditional Z-gate (CZ) is then applied so that the quantum state information
Figure pat00086
Is calculated and registered and stored.

[수학식16]&Quot; (16) "

Figure pat00087
Figure pat00087

여기서,

Figure pat00088
,
Figure pat00089
이기 때문에 [수학식17]과 같이 양자 상태 정보
Figure pat00090
이 산출된다.here,
Figure pat00088
,
Figure pat00089
The quantum state information < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00090
.

[수학식17]&Quot; (17) "

Figure pat00091
Figure pat00091

이와 같이 i번째 데이터 벡터

Figure pat00092
, θ(i)를 쓰고 등록 저장할 수 있다. 같은 방법으로 (i+1)번째 데이터 벡터
Figure pat00093
, θ(i+1)가 중첩되어 [수학식18]과 같이 양자 상태 정보
Figure pat00094
이 산출되어 등록 저장될 수 있다.Thus, the i-th data vector
Figure pat00092
, θ (i) can be written and stored. In the same way, the (i + 1) th data vector
Figure pat00093
, and? (i + 1) are superimposed on each other so that quantum state information
Figure pat00094
Can be calculated and registered and stored.

[수학식18]&Quot; (18) "

Figure pat00095
Figure pat00095

도 5는 본 발명의 복소 확률 진폭을 갖는 데이터의 등록을 위한 양자 RAM(QRAM)을 구성하기 위한 구조의 블록도이다.5 is a block diagram of a structure for constructing a quantum RAM (QRAM) for registration of data having a complex probability amplitude of the present invention.

도 5와 같이, 입력 데이터가 복소 확률 진폭

Figure pat00096
과 관련되어 있으면 일반화된 조건부 회전 게이트
Figure pat00097
,
Figure pat00098
를 사용하여 위에서 기술한 바와 같은 방식과 유사하게 확장할 수 있다. 예를 들어, 조건부 위상조정 게이트(230, 260, 330, 360)는, 조건부 회전 게이트
Figure pat00099
가 되어, 일반화된 블록구면(Bloch Sphere) 상의 복소 확률 진폭 정보
Figure pat00100
에 대응된 회전을 수행하도록 동작할 수 있다. As shown in Fig. 5, when the input data has a complex probability amplitude
Figure pat00096
The generalized conditional rotation gate < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00097
,
Figure pat00098
Can be expanded similarly to the manner described above. For example, conditional phase adjustment gates (230, 260, 330, 360)
Figure pat00099
, And the complex probability amplitude information on the generalized block sphere (Bloch Sphere)
Figure pat00100
As shown in FIG.

제안된 기법의 일반적인 적용 예로서, 양자 데이터베이스(QDB)가 양자 서포트 벡터 머신(QSVM, quantum support vector machine)에서 어떻게 사용될 수 있는지를 고려할 수 있다. 감독 기계 학습(supervised machine learning)을 위한 양자 RAM(QRAM)의 일반화된 모델은 [수학식19]와 같이 레이블 y(i)를 갖는 입력 데이터 벡터

Figure pat00101
로 구성된 중첩된 학습 데이터 |q>에 대해 주어질 수 있다.As a general application of the proposed technique, it is possible to consider how a quantum database (QDB) can be used in a quantum support vector machine (QSVM). A generalized model of quantum RAM (QRAM) for supervised machine learning is the input data vector with label y (i)
Figure pat00101
≪ / RTI >< RTI ID = 0.0 > n < / RTI >

[수학식19]&Quot; (19) "

Figure pat00102
Figure pat00102

Figure pat00103
Figure pat00103

여기서,

Figure pat00104
은 훈련 데이터 샘플의 수를 나타낸다.
Figure pat00105
,
Figure pat00106
이고(Z+는 양의 정수), N은
Figure pat00107
을 나타내는 기초 벡터의 수이다. here,
Figure pat00104
Represents the number of training data samples.
Figure pat00105
,
Figure pat00106
(Z + is a positive integer), N is
Figure pat00107
Is the number of basis vectors.

이러한 양자 데이터베이스(QDB)의 임베딩(embedding) 모델이 도 6에 제시되어 있다. [수학식19]에 해당하는 특정 상태를 얻기 위해 양자 데이터베이스(QDB)를 측정 M = 1의 지연(post selection)과 함께 사용할 수 있다. 도 6과 같이 데이터 레이블을 위한 레이블 u0 (i)에 대한 양자 연산이 위와 같은 양자 데이터 중첩과 함께 동시에 이루어지고 대응하여 등록 저장될 수 있다. An embedding model of such a quantum database (QDB) is shown in FIG. A quantum database (QDB) can be used with a post-selection of M = 1 to obtain a specific state corresponding to (19). As shown in FIG. 6, the quantum operation for the label u 0 (i) for the data label can be performed simultaneously with the above quantum data superimposition and can be registered and stored correspondingly.

상술한 양자 RAM(QRAM)은 다수의 데이터 집합을 구분하여, 저장, 등록, 수정삭제 등 연산을 처리할 수 있다. 도 7은 두개의 독립된 데이터 집합을 등록하는 방법으로서, n+1 번째 큐빗의 양자정보를 무시하는 연산을 할 때에 n 번째 큐빗을 통하여 등록된 데이터를 독립적으로 구분된 연산을 처리할 수 있고, 반대로도 적용된다. 이 방법으로 두 개 이상의 다수의 데이터 집합을 등록하도록 확장이 가능하다.The quantum RAM (QRAM) described above can divide a plurality of data sets, and can perform operations such as storage, registration, modification, and deletion. FIG. 7 shows a method of registering two independent sets of data. In the operation of ignoring the quantum information of the (n + 1) -th qubit, the data registered through the n-th qubit can be independently processed, . This method can be extended to register more than two sets of data.

예를 들어, 2이상의 데이터 집합

Figure pat00108
,
Figure pat00109
을 독립적으로 연산하기 위하여, 도 7과 같이, 입력 데이터의 비트에 대응되는 0부터 n-1까지의
Figure pat00110
상태의 큐빗 이외에 2이상(도면에는 2개만 도시하였음) 더 많은
Figure pat00111
상태의 안실라(ancilla) 큐빗들을 이용할 수 있다. 이는 도 5의 구조에서 n+1 번째
Figure pat00112
큐빗을 추가한 구조이며, 제1조건부 비트 플립 게이트; 조건부 위상조정 게이트; 및 제2조건부 비트 플립 게이트를 포함한 제1연산 구조(710), 및 제1연산 구조(710)와 같은 구조로 직렬 배치된 적어도 1개 이상의 연산구조(720)가 각각의 해당 조건부 위상조정 게이트에서 안실라 큐빗들을 각각 이용해 위상 조정을 수행함으로써, 각각의 연산 구조의 입력 데이터들
Figure pat00113
,
Figure pat00114
에 대해 독립적으로 구분된 연산을 처리할 수 있게 된다. For example, two or more data sets
Figure pat00108
,
Figure pat00109
As shown in Fig. 7, in order to independently calculate 0 to n-1
Figure pat00110
More than two (only two are shown in the figure) other than the cubes of the state
Figure pat00111
State ancilla qubits are available. This is because the (n + 1) th
Figure pat00112
A first conditional bit flip gate; Conditional phase adjustment gate; And a second arithmetic structure 710 including a second conditional bit flip gate, and at least one arithmetic structure 720 serially arranged in a structure such as the first arithmetic structure 710, By performing phase adjustment using each of the Ansilacquids, the input data of each arithmetic structure
Figure pat00113
,
Figure pat00114
Lt; RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI >

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 양자 중첩을 활용한 양자 RAM(QRAM)와 이를 이용한 양자 데이터베이스(QDB)는, O(log N)의 큐빗(qubit)에 다중 데이터 입력을 중첩시키는 방식으로 데이터를 등록하며, 데이터 연산을 위해 양자 게이트 처리에 적용될 수 있는 양자 정보를 어떻게 표현할 것인가에 대한 프로토콜을 갖춘 새롭고 효율적인 양자 메모리, 양자 데이터베이스를 제공할 수 있다. As described above, the quantum RAM (QRAM) using the quantum superposition according to the present invention and the quantum database (QDB) using the quantum superimposition according to the present invention can store data in a manner of superimposing multiple data inputs on a qubit of O (log N) A new and efficient quantum memory and a quantum database with a protocol for registering and expressing quantum information that can be applied to quantum gate processing for data operation can be provided.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to particular embodiments, such as specific elements, and specific embodiments and drawings. However, it should be understood that the present invention is not limited to the above- Those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the essential characteristics of the invention. Therefore, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all technical ideas which are equivalent to or equivalent to the claims of the present invention are included in the scope of the present invention .

양자 데이터베이스(QDB)
양자 RAM(QRAM)
하다마드 게이트 H
조건부 Z-게이트(CZ)
조건부 비트 플립 X
부정 제어를 위한 조건부 비트 플립(XNC)
조건부 NOT 게이트 (CNOT)Quantum Database (QDB)
Quantum RAM (QRAM)
Hadamardgate H
Conditional Z-Gate (CZ)
Conditional bit flip X
Conditional bit flip (X NC ) for illegal control
Conditional NOT Gate (CNOT)

Claims (9)

양자 프로세스를 통해 데이터를 저장하고 양자 쿼리에 대한 검색 결과를 제공하기 위한 양자 메모리를 포함하고, 상기 양자 메모리는,
제1입력 데이터의 각 비트에 대응된 각 큐빗에 대한 하다마드 변환을 수행하는 하다마드 게이트;
상기 하다마드 게이트의 출력과 상기 제1입력 데이터의 각 비트 간에 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제1조건부 비트 플립 게이트;
상기 제1조건부 비트 플립 게이트 출력에 대해 텐서곱 상태의 위상 조정을 위한 조건부 위상조정 게이트;
상기 조건부 위상조정 게이트의 출력과 상기 제1입력 데이터의 각 비트 간에 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제2조건부 비트 플립 게이트
를 포함하는 양자 데이터베이스.Storing data through a quantum process, including both the memory for providing the search results for both the query and the quantum memory,
A Hadamard gate for performing Hadamard transform on each qubit corresponding to each bit of the first input data;
A first conditional bit flip gate for performing conditional bit flip conversion between the output of the Hadamard gate and each bit of the first input data;
A conditional phase adjustment gate for phase adjustment of the tensor product state with respect to the first conditional bit flip gate output;
A second conditional bit flip gate for performing conditional bit flip conversion between the output of the conditional phase adjustment gate and each bit of the first input data;
. 제1항에 있어서,
상기 제1입력 데이터의 비트에 대응되는 0부터 n-1까지의
Figure pat00115
상태의 큐빗 이외에, 비고유 글로벌(non-unique global) 위상 정보에 의한 앨리어싱(aliasing)을 방지하기 위하여, 상기 제1입력 데이터의 비트 수 보다 1이상 더 많은
Figure pat00116
상태의 안실라(ancilla) 큐빗들을 이용하는 양자 데이터베이스.The method according to claim 1,
The first to n-th input data corresponding to the bits of the first input data
Figure pat00115
In order to prevent aliasing by non-unique global phase information, in addition to the cubic state of the first input data,
Figure pat00116
Quantum database using state ancilla qubits. 제1항에 있어서,
상기 양자 메모리는, 제2입력 데이터를 상기 제1입력 데이터와 중첩시킨 양자 상태의 데이터를 산출하기 위하여,
상기 제2조건부 비트 플립 게이트의 출력과 상기 제2입력 데이터의 각 비트 간에 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제3조건부 비트 플립 게이트;
상기 제3조건부 비트 플립 게이트 출력에 대해 텐서곱 상태의 위상 조정을 위한 제2조건부 위상조정 게이트;
상기 제2조건부 위상조정 게이트의 출력과 상기 제1입력 데이터의 각 비트 간에 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제4조건부 비트 플립 게이트를 더 포함하는 양자 데이터베이스.The method according to claim 1,
Wherein the quantum memory is configured to calculate quantum data in which the second input data is superimposed on the first input data,
A third conditional bit flip gate for performing conditional bit flip conversion between the output of the second conditional bit flip gate and each bit of the second input data;
A second conditional phase adjustment gate for phase adjustment of the tensor product state with respect to the third conditional bit flip gate output;
And a fourth conditional bit flip gate for performing a conditional bit flip conversion between the output of the second conditional phase adjustment gate and each bit of the first input data. 제1항에 있어서,
상기 하다마드 게이트는, n(자연수) 비트의 상기 제1입력 데이터에 대하여
Figure pat00117
상태의 (n+1) 큐빗들에 대한 하다마드 변환을 수행하는 (n+1)개의 하다마드 게이트를 포함하고,
상기 조건부 위상조정 게이트는,
Figure pat00118
상태에 있는 큐빗들에 텐서곱 상태의 부호를 반대로 바꾸는 조건부 Z-게이트를 포함하는 양자 데이터베이스.The method according to claim 1,
The Hadamard gate generates the first input data of n (natural number)
Figure pat00117
(N + 1) Hadamard gates that perform a Hadamard transform on (n + 1)
Wherein the conditional phase adjustment gate comprises:
Figure pat00118
A quantum database comprising a conditional Z-gate that reverses the sign of the tensor product state to qubits in the state. 제1항에 있어서,
상기 하다마드 게이트는, n(자연수) 비트의 상기 제1입력 데이터에 대하여
Figure pat00119
상태의 n 큐빗들에 대한 하다마드 변환을 수행하는 n개의 하다마드 게이트를 포함하고,
상기 조건부 위상조정 게이트는,
Figure pat00120
상태에 있는 모든 제어 큐빗들을 갖는 텐서곱 상태의 목표 큐빗의 비트 상태를 반대로 바꾸는 조건부 NOT-게이트를 포함하는 양자 데이터베이스.The method according to claim 1,
The Hadamard gate generates the first input data of n (natural number)
Figure pat00119
Comprising n Hadamard gates performing Hadamard transforms on n qubits of a state,
Wherein the conditional phase adjustment gate comprises:
Figure pat00120
A quantum database comprising a conditional NOT-gate that reverses the bit state of the target qubits in the tensor product state with all control qubits in the state. 제1항에 있어서,
상기 제1조건부 비트 플립 게이트 및 상기 제2조건부 비트 플립 게이트 이전 또는 이후에 각각,
회전 연산이 적용된 게이트를 더 포함하여 상기 제1입력 데이터 및 정규화된 발생 빈도의 입력을 처리하는 양자 데이터베이스.The method according to claim 1,
Before or after the first conditional bit flip gate and the second conditional bit flip gate,
Further comprising a gate to which a rotation operation is applied to process the input of the first input data and the normalized occurrence frequency. 제1항에 있어서,
상기 조건부 위상조정 게이트는, 일반화된 블록구면(Bloch Sphere) 상의 복소 확률 진폭 정보에 대응된 회전을 수행하는 양자 데이터베이스.The method according to claim 1,
Wherein the conditional phase adjustment gate performs rotation corresponding to complex probability amplitude information on a generalized block sphere. 제1항에 있어서,
2이상의 데이터 집합을 독립적으로 연산하기 위하여, 상기 제1입력 데이터의 비트에 대응되는 0부터 n-1까지의
Figure pat00121
상태의 큐빗 이외에 2이상 더 많은
Figure pat00122
상태의 안실라 큐빗들을 이용하되,
상기 제1조건부 비트 플립 게이트; 상기 조건부 위상조정 게이트; 및 상기 제2조건부 비트 플립 게이트를 포함한 제1연산 구조, 및 상기 제1연산 구조와 같은 구조로 직렬 배치된 적어도 1개 이상의 연산구조가,
각각의 상기 조건부 위상조정 게이트에서 상기 안실라 큐빗들을 각각 이용해 상기 위상 조정을 수행함으로써, 각각의 연산 구조의 입력 데이터들에 대해 독립적으로 구분된 연산을 처리하는 양자 데이터베이스.The method according to claim 1,
In order to independently calculate two or more sets of data, the first to n < th >
Figure pat00121
More than 2 in addition to the state's cubes
Figure pat00122
State anilacular qubits,
The first conditional bit flip gate; The conditional phase adjustment gate; And a second arithmetic structure including the second conditional bit flip gate, and at least one arithmetic structure serially arranged in the same structure as the first arithmetic structure,
And performing the phase adjustment using each of the anilacular qubits in each of the conditional phase adjustment gates, thereby processing independent operations for the input data of each operation structure. 양자 프로세스를 통해 데이터를 저장하고 양자 쿼리에 대한 검색 결과를 제공하기 위한 양자 메모리를 포함하고, 상기 양자 메모리는,
제1입력 데이터의 각 비트에 대응된 각 큐빗에 대한 하다마드 변환을 수행하는 하다마드 게이트;
상기 하다마드 게이트의 출력과 상기 제1입력 데이터의 각 비트 간에 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제1조건부 비트 플립 게이트;
상기 제1조건부 비트 플립 게이트 출력에 대해 텐서곱 상태의 위상 조정을 위한 제1조건부 위상조정 게이트;
상기 제1조건부 위상조정 게이트 출력에 대해 텐서곱 상태의 위상 조정을 위한 제2조건부 위상조정 게이트;
상기 제2조건부 위상조정 게이트의 출력과 상기 제1입력 데이터의 각 비트 간에 조건부 비트 플립 변환을 수행하는 제2조건부 비트 플립 게이트
를 포함하는 양자 데이터베이스.
Storing data through a quantum process, including both the memory for providing the search results for both the query and the quantum memory,
A Hadamard gate for performing Hadamard transform on each qubit corresponding to each bit of the first input data;
A first conditional bit flip gate for performing conditional bit flip conversion between the output of the Hadamard gate and each bit of the first input data;
A first conditional phase adjustment gate for phase adjustment of the tensor product state with respect to the first conditional bit flip gate output;
A second conditional phase adjustment gate for phase adjustment of the tensor product state with respect to the first conditional phase adjustment gate output;
A second conditional bit flip gate for performing conditional bit flip conversion between the output of the second conditional phase adjustment gate and each bit of the first input data;
.
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