KR20240018909A - Apparatus and method for classifying quantum states in quantum information integrated processing system - Google Patents

Apparatus and method for classifying quantum states in quantum information integrated processing system Download PDF

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Abstract

본 발명은 양자 정보 통합 처리시스템에서의 양자 상태 분류 장치 및 방법에 관한 것으로, 기계 학습 기반 분류기 모델을 훈련하고, 훈련된 분류기 모델을 테스트하여 펄스 레벨에서 큐비트 상태를 분류하는 기술에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 장치는 큐비트(Qubit) 상태와 관련된 훈련 데이터 세트 및 평가 데이터 세트를 생성하는 데이터 세트 생성부, 상기 생성된 훈련 데이터 세트를 이용하여 복수의 분류기를 훈련하는 분류기 훈련부, 상기 생성된 평가 데이터 세트에 기반하여 상기 훈련된 복수의 분류기에 대한 분류 정확도의 중위수(median) 및 사분위수 범위(interquartile range)를 계산하고, 상기 계산된 분류 정확도에 기반하여 상기 복수의 분류기를 평가하는 분류기 평가부 및 상기 계산된 분류 정확도에 기반하여 상기 복수의 분류기 중 어느 하나의 분류기를 이용하여 큐비트 상태를 얽힘 상태(entangled state) 및 분리 가능한 상태(separatable state)로 분류하는 양자 상태 분류부를 포함할 수 있다.The present invention relates to a quantum state classification device and method in a quantum information integrated processing system, and to a technique for classifying qubit states at the pulse level by training a machine learning-based classifier model and testing the trained classifier model, A quantum state classification device according to an embodiment of the present invention includes a data set generator that generates a training data set and an evaluation data set related to the qubit state, and trains a plurality of classifiers using the generated training data set. a classifier training unit, which calculates the median and interquartile range of classification accuracy for the plurality of trained classifiers based on the generated evaluation data set, and calculates the median and interquartile range of classification accuracy for the plurality of trained classifiers based on the calculated classification accuracy; A classifier evaluation unit that evaluates the classifier, and classifies the qubit state into an entangled state and a separable state using any one of the plurality of classifiers based on the calculated classification accuracy. It may include a quantum state classification unit.

Description

양자 정보 통합 처리시스템에서의 양자 상태 분류 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CLASSIFYING QUANTUM STATES IN QUANTUM INFORMATION INTEGRATED PROCESSING SYSTEM}Quantum state classification device and method in quantum information integrated processing system {APPARATUS AND METHOD FOR CLASSIFYING QUANTUM STATES IN QUANTUM INFORMATION INTEGRATED PROCESSING SYSTEM}

본 발명은 양자 정보 통합 처리시스템에서의 양자 상태 분류 장치 및 방법에 관한 것으로, 기계 학습 기반 분류기 모델을 훈련하고, 훈련된 분류기 모델을 테스트하여 펄스 레벨에서 큐비트 상태를 분류하는 기술에 관한 것이다. 양자 상태 분류 장치 및 방법은 양자정보기술 통합 시스템에서 양자 관측 및 분석 플랫폼의 양자 상태 측정 처리부에 적용될 수 있다.The present invention relates to a quantum state classification device and method in a quantum information integrated processing system, and to a technique for classifying qubit states at the pulse level by training a machine learning-based classifier model and testing the trained classifier model. The quantum state classification device and method can be applied to the quantum state measurement processing unit of the quantum observation and analysis platform in the quantum information technology integrated system.

양자 컴퓨팅은 기존 컴퓨터로는 너무 복잡한 문제를 해결하기 위해 전례 없는 자원을 활용하는 기술로서, 빠르게 부상하고 있는 기술이다.Quantum computing is a rapidly emerging technology that leverages unprecedented resources to solve problems too complex for conventional computers.

양자 컴퓨터는 양자 물리학의 속성을 사용하여 데이터를 저장하고 계산을 수행한다.Quantum computers use properties of quantum physics to store data and perform calculations.

양자 중첩 및 얽힘 현상을 사용하여 양자 컴퓨터는 많은 수의 복잡한 문제를 해결할 수 있다.Using quantum superposition and entanglement phenomena, quantum computers can solve a large number of complex problems.

다른 가능한 입력 조합을 동시에 사용할 수 있으며 이것이 고전적인 컴퓨터에 비해 이점을 가질 수 있는 부분이다.Different possible input combinations can be used simultaneously and this is where it has an advantage over classical computers.

양자 컴퓨터는 큐비트로 구성되며 가장 인기 있는 큐비트 방식은 IBM, Google, Regetti 및 Intel에서 개발 중인 초전도 큐비트와 관련된다.Quantum computers are made up of qubits, and the most popular qubit approach involves superconducting qubits, which are being developed by IBM, Google, Regetti, and Intel.

IBM은 양자 분야의 선두 기업 중 하나로 간주되고, IBM 양자 컴퓨터는 클라우드 액세스를 통해 연구원에게 제공한다.IBM is considered one of the leaders in the quantum field, and its quantum computers provide researchers with cloud access.

최근 IBM은 펄스로 양자 컴퓨터와 상호 작용하는 방법인 Qiskit Pulse의 도움으로 소수의 양자 컴퓨터에 최고 수준의 제어에 대한 액세스를 제공했다.Recently, IBM gave a small number of quantum computers access to the highest level of control with the help of Qiskit Pulse, a way to interact with quantum computers with pulses.

양자 회로 또는 알고리즘 실행과 같은 모든 양자 프로세스에는 (i) 상태 준비 및 초기화, (ii) 상태 진화, (iii) 상태 추정 및 측정의 세 단계가 포함한다.Any quantum process, such as running a quantum circuit or algorithm, involves three steps: (i) state preparation and initialization, (ii) state evolution, and (iii) state estimation and measurement.

모든 양자 회로의 출력은 확률적이며 이를 결정하는 프로세스를 상태 추정 및 측정이라고 한다.The output of all quantum circuits is probabilistic, and the process of determining this is called state estimation and measurement.

하드웨어 수준의 IBM의 경우 기계 학습 기반 분류자가 큐비트의 상태를 결정한다.For IBM at the hardware level, a machine learning-based classifier determines the state of a qubit.

큐비트(qubit)는 고전 컴퓨터에는 0 또는 1이 될 수 있는 비트가 있는 반면 양자 컴퓨터에는 |ψ> 상태로 표시되는 큐비트가 있으며 흥미로운 점은 0과 1의 중첩에 있을 수 있다는 것이고, 큐비트는 |ψ> = α |0> + β|1>로 표기한다.A qubit is a bit that can be either 0 or 1 in a classical computer, while a quantum computer has a qubit that is represented by a |ψ> state, and the interesting thing is that it can be in a superposition of 0 and 1, and a qubit is It is written as |ψ> = α |0> + β|1>.

여기서 α와 β는 확률 진폭이고 제곱합은 1인데, 큐비트를 읽을 때 양자 상태는 확률 ||α||2의 기저 상태 |0> 및 확률 ||β||2의 여기 상태 |1>으로 붕괴된다.where α and β are probability amplitudes and the sum of squares is 1, when reading a qubit the quantum state decays to a ground state |0> with probability ||α||2 and an excited state |1> with probability ||β||2 do.

모든 양자 계산이 끝나면 이러한 확률 진폭이 결정되며 이 프로세스를 큐비트 상태 추정이라고 한다.After all quantum calculations, these probability amplitudes are determined, and this process is called qubit state estimation.

IBM의 초전도 양자 컴퓨터는 특정 유형의 초전도 큐비트를 이용하고, 에너지 스펙트럼에서 바닥 에너지 준위를 |0>이고, 들뜬 에너지 준위를 |1>로 표기한다.IBM's superconducting quantum computer uses a specific type of superconducting qubit, and in the energy spectrum, the ground energy level is denoted as |0> and the excited energy level is denoted as |1>.

Qiskit Pulse는 고전 프로그램과 마찬가지로 양자 프로그램은 고급 프로그래밍에서 어셈블리 언어에 이르는 컴파일 과정을 거친다.Qiskit Pulse Like classical programs, quantum programs go through a compilation process from high-level programming to assembly language.

그러나 고전과 달리 양자 하드웨어는 아날로그 펄스로 제어되고, 양자 컴파일러의 4단계는 (i) 프로그래밍 언어, (ii) 어셈블리 언어, (iii) 게이트, (iv) 펄스 일정으로 나타낼 수 있다.However, unlike classical, quantum hardware is controlled by analog pulses, and the four steps of a quantum compiler can be expressed as (i) programming language, (ii) assembly language, (iii) gate, and (iv) pulse schedule.

양자 컴퓨터에서 최상의 성능을 추출하려면 표준 회로 모델로는 할 수 없는 펄스 수준 제어가 필요하고, 파이썬 키트인 Qiskit Pulse는 양자 프로그램을 시간에 따라 예약된 펄스의 시퀀스로 설명할 수 있는 이러한 목적을 위해 정밀하게 개발되었다.Extracting the best performance from a quantum computer requires pulse-level control that cannot be achieved with standard circuit models, and Qiskit Pulse, a Python kit, provides a precise and was developed well.

펄스 코딩은 잡음을 줄이고 동적 디커플링을 적용하며 양자 컴퓨터에서 최적의 제어를 수행하는 다양한 방법을 탐색하는 데 도움이 될 수 있다.Pulse coding can help explore different ways to reduce noise, apply dynamic decoupling, and achieve optimal control in quantum computers.

예를 들어 특정 진폭과 지속 시간의 가우시안 펄스를 보내 큐비트를 기저 상태 |0>에서 여기 상태 |1>으로 또는 그 반대로 이동할 수 있다.For example, a Gaussian pulse of a certain amplitude and duration can be sent to move a qubit from the ground state |0> to the excited state |1> or vice versa.

얽힘은 양자 정보 처리 작업에서 양자 이점을 나타내는 필수 리소스임에 따라 양자 상태에서 얽힘을 안정적으로 감지하는 것은 중요하다.As entanglement is an essential resource that exhibits quantum advantages in quantum information processing tasks, it is important to reliably detect entanglement in quantum states.

양자 상태 측정 처리 뿐만 아니라, 관련된 기술의 구현 및 연구를 지원하기 위한 다양한 양자 정보 처리를 지원할 수 있는 양자 정보 통합 시스템이 필요하다.A quantum information integration system is needed that can support not only quantum state measurement processing, but also various quantum information processing to support the implementation and research of related technologies.

한국공개특허 제10-2022-0047128호, "양자회로 에러 보정 방법 및 그 장치"Korean Patent Publication No. 10-2022-0047128, “Quantum circuit error correction method and device” 한국공개특허 제10-2022-0040460호, "양자 컴퓨팅 디바이스를 위한 파이프라인형 하드웨어 디코더"Korean Patent Publication No. 10-2022-0040460, “Pipelined hardware decoder for quantum computing devices” 미국공개특허 제2021/0398007호, "QUANTUM PROCESSING SYSTEM"U.S. Patent Publication No. 2021/0398007, “QUANTUM PROCESSING SYSTEM” 한국공개특허 제10-2021-0084222호, "양자화된 수렴 방향 기반의 광선 분류 장치 및 방법"Korean Patent Publication No. 10-2021-0084222, “Ray classification device and method based on quantized convergence direction”

본 발명은 기계 학습 기반 분류기 모델을 훈련하고, 훈련된 분류기 모델을 테스트하여 펄스 레벨에서 큐비트 상태를 분류하는 양자 상태 분류 장치 및 방법 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a quantum state classification device and method for classifying qubit states at the pulse level by training a machine learning-based classifier model and testing the trained classifier model.

본 발명은 큐비트 상태 추정을 위한 하드웨어의 다양한 기계 학습 기반의 분류기(classifier)의 성능을 평가하여 우수한 성능의 분류기를 선별하여 양자 상태 분류의 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to improve the performance of quantum state classification by evaluating the performance of various machine learning-based classifiers in hardware for qubit state estimation and selecting classifiers with excellent performance.

본 발명은 IBM 양자 컴퓨터에서 시연된 큐비트 판독을 위한 다양한 기계 학습 기본 분류기를 계산, 플롯 및 비교하기 위한 파이썬 기반 플랫폼 설계를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention aims to provide a Python-based platform design for calculating, plotting and comparing various machine learning basic classifiers for qubit reading demonstrated on IBM quantum computers.

본 발명은 벨(Bell) 또는 CHSH(Clauser-Horne-Shimony-Holt) 부등식(inequality)과 같은 전통적인 얽힘을 감지하는 방법에 기반하여 임의의 이분 상태에 대한 얽힘 분리가능한 ANN(artificial neural network) 기반 분류기로 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is an artificial neural network (ANN)-based classifier capable of separating entanglements for arbitrary bipartite states based on traditional entanglement detection methods such as Bell or Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) inequality. The purpose is to provide.

본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 장치는 큐비트(Qubit) 상태와 관련된 훈련 데이터 세트 및 평가 데이터 세트를 생성하는 데이터 세트 생성부, 상기 생성된 훈련 데이터 세트를 이용하여 복수의 분류기를 훈련하는 분류기 훈련부, 상기 생성된 평가 데이터 세트에 기반하여 상기 훈련된 복수의 분류기에 대한 분류 정확도의 중위수(median) 및 사분위수 범위(interquartile range)를 계산하고, 상기 계산된 분류 정확도에 기반하여 상기 복수의 분류기를 평가하는 분류기 평가부 및 상기 계산된 분류 정확도에 기반하여 상기 복수의 분류기 중 어느 하나의 분류기를 이용하여 큐비트 상태를 얽힘 상태(entangled state) 및 분리 가능한 상태(separatable state)로 분류하는 양자 상태 분류부를 포함할 수 있다.A quantum state classification device according to an embodiment of the present invention includes a data set generator that generates a training data set and an evaluation data set related to the qubit state, and trains a plurality of classifiers using the generated training data set. a classifier training unit, which calculates the median and interquartile range of classification accuracy for the plurality of trained classifiers based on the generated evaluation data set, and calculates the median and interquartile range of classification accuracy for the plurality of trained classifiers based on the calculated classification accuracy; A classifier evaluation unit that evaluates the classifier, and classifies the qubit state into an entangled state and a separable state using any one of the plurality of classifiers based on the calculated classification accuracy. It may include a quantum state classification unit.

상기 데이터 세트 생성부는 펄스 레벨 제어(pulse level control)에 기반하여 상기 큐비트(Qubit) 상태에 대하여 그라운드 상태(ground state), 여기 상태(excited state) 및 혼합 상태를 추정하고, 상기 추정된 그라운드 상태(ground state), 여기 상태(excited state) 및 혼합 상태를 무작위로 혼합(shuffle)하여 일 대일 비율로 상기 훈련 데이터 세트 및 상기 평가 데이터 세트를 생성할 수 있다.The data set generator estimates a ground state, an excited state, and a mixed state for the qubit state based on pulse level control, and the estimated ground state The training data set and the evaluation data set can be generated in a one-to-one ratio by randomly shuffling the ground state, excited state, and mixed state.

상기 복수의 분류기는, LDA(linear discriminant analysis) 기반 분류기, SVM(support vector machine) 기반 분류기, KNN(k-nearest neighbor) 기반 분류기, NNet(neural network) 기반 분류기 및 ANN(artificial neural network) 기반 분류기를 포함할 수 있다.The plurality of classifiers include a linear discriminant analysis (LDA)-based classifier, a support vector machine (SVM)-based classifier, a k-nearest neighbor (KNN)-based classifier, a neural network (NNet)-based classifier, and an artificial neural network (ANN)-based classifier. may include.

상기 분류기 훈련부는 벨(Bell) 또는 CHSH(Clauser-Horne-Shimony-Holt) 부등식(inequality) 값을 상기 생성된 훈련 데이터 세트의 특징 벡터로 사용하여 상기 ANN(artificial neural network) 기반 분류기를 훈련할 수 있다.The classifier training unit can train the ANN (artificial neural network)-based classifier using Bell or CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt) inequality values as feature vectors of the generated training data set. there is.

상기 특징 벡터는 큐비트의 부분 정보로서 인공 신경망(artificial neural network)에 의해 가중치로 연산 되고, 벨 연산자 또는 CHSH 연산자의 얽힘 상태(entangled state) 탐지의 범위를 임의의 상태로 일반화할 수 있다.The feature vector is partial information of the qubit and is calculated as a weight by an artificial neural network, and the range of entangled state detection of the Bell operator or CHSH operator can be generalized to any state.

상기 인공 신경망은 선형 최적화 및 비선형 최적화 중 어느 하나로 구축되고, 상기 비선형 최적화로 구축되는 경우에 은닉층의 뉴런 수가 증가함에 따라 분류 정확도가 증가할 수 있다.The artificial neural network is constructed using either linear optimization or non-linear optimization, and when constructed using non-linear optimization, classification accuracy may increase as the number of neurons in the hidden layer increases.

상기 분류기 평가부는 상기 복수의 분류기 각각에 대하여 펄스 수준에서 큐비트 읽기 데이터를 분류하는 상기 분류 정확도와 관련하여 상기 중위수 및 상기 사분위수 범위를 계산하여 분류기의 성능들을 결정하고, 상기 결정된 분류기의 성능들을 상호 비교하여 상기 복수의 분류기를 평가할 수 있다.The classifier evaluation unit determines the performance of the classifier by calculating the median and the interquartile range in relation to the classification accuracy for classifying qubit read data at the pulse level for each of the plurality of classifiers, and determines the performance of the determined classifier. The plurality of classifiers can be evaluated by comparing them with each other.

본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 방법은 데이터 세트 생성부에서, 큐비트(Qubit) 상태와 관련된 훈련 데이터 세트 및 평가 데이터 세트를 생성하는 단계, 분류기 훈련부에서, 상기 생성된 훈련 데이터 세트를 이용하여 복수의 분류기를 훈련하는 단계, 분류기 평가부에서, 상기 생성된 평가 데이터 세트에 기반하여 상기 훈련된 복수의 분류기에 대한 분류 정확도의 중위수(median) 및 사분위수 범위(interquartile range)를 계산하고, 상기 계산된 분류 정확도에 기반하여 상기 복수의 분류기를 평가하는 단계 및 양자 상태 분류부에서, 상기 계산된 분류 정확도에 기반하여 상기 복수의 분류기 중 어느 하나의 분류기를 이용하여 큐비트 상태를 얽힘 상태(entangled state) 및 분리 가능한 상태(separatable state)로 분류하는 단계를 포함할 수 있다.The quantum state classification method according to an embodiment of the present invention includes the steps of generating a training data set and an evaluation data set related to the qubit state in a data set generating unit, and generating the generated training data set in a classifier training unit. A step of training a plurality of classifiers using a classifier evaluation unit, calculating the median and interquartile range of classification accuracy for the trained plurality of classifiers based on the generated evaluation data set, and , evaluating the plurality of classifiers based on the calculated classification accuracy, and in a quantum state classification unit, converting the qubit state into an entangled state using any one of the plurality of classifiers based on the calculated classification accuracy. It may include the step of classifying into an entangled state and a separable state.

상기 큐비트(Qubit) 상태와 관련된 훈련 데이터 세트 및 평가 데이터 세트를 생성하는 단계는, 펄스 레벨 제어(pulse level control)에 기반하여 상기 큐비트(Qubit) 상태에 대하여 그라운드 상태(ground state), 여기 상태(excited state) 및 혼합 상태를 추정하고, 상기 추정된 그라운드 상태(ground state), 여기 상태(excited state) 및 혼합 상태를 무작위로 혼합(shuffle)하여 일 대일 비율로 상기 훈련 데이터 세트 및 상기 평가 데이터 세트를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.The step of generating a training data set and an evaluation data set related to the Qubit state includes a ground state for the Qubit state based on pulse level control, here Estimating an excited state and a mixed state, randomly shuffling the estimated ground state, excited state, and mixed state in a one-to-one ratio to form the training data set and the evaluation. It may include creating a data set.

상기 복수의 분류기는, LDA(linear discriminant analysis) 기반 분류기, SVM(support vector machine) 기반 분류기, KNN(k-nearest neighbor) 기반 분류기, NNet(neural network) 기반 분류기 및 ANN(artificial neural network) 기반 분류기를 포함할 수 있다.The plurality of classifiers include a linear discriminant analysis (LDA)-based classifier, a support vector machine (SVM)-based classifier, a k-nearest neighbor (KNN)-based classifier, a neural network (NNet)-based classifier, and an artificial neural network (ANN)-based classifier. may include.

상기 생성된 훈련 데이터 세트를 이용하여 복수의 분류기를 훈련하는 단계는, 벨(Bell) 또는 CHSH(Clauser-Horne-Shimony-Holt) 부등식(inequality) 값을 상기 생성된 훈련 데이터 세트의 특징 벡터로 사용하여 상기 ANN(artificial neural network) 기반 분류기를 훈련하는 단계를 포함할 수 있다.The step of training a plurality of classifiers using the generated training data set uses Bell or CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt) inequality values as feature vectors of the generated training data set. This may include training the ANN (artificial neural network)-based classifier.

상기 생성된 평가 데이터 세트에 기반하여 상기 훈련된 복수의 분류기에 대한 분류 정확도의 중위수(median) 및 사분위수 범위(interquartile range)를 계산하고, 상기 계산된 분류 정확도에 기반하여 상기 복수의 분류기를 평가하는 단계는, 상기 복수의 분류기 각각에 대하여 펄스 수준에서 큐비트 읽기 데이터를 분류하는 상기 분류 정확도와 관련하여 상기 중위수 및 상기 사분위수 범위를 계산하여 분류기의 성능들을 결정하고, 상기 결정된 분류기의 성능들을 상호 비교하여 상기 복수의 분류기를 평가하는 단계를 포함할 수 있다.Calculate the median and interquartile range of classification accuracy for the plurality of trained classifiers based on the generated evaluation data set, and evaluate the plurality of classifiers based on the calculated classification accuracy. The step of determining the performance of the classifier by calculating the median and the interquartile range in relation to the classification accuracy for classifying qubit read data at the pulse level for each of the plurality of classifiers, and determining the performance of the determined classifier. It may include evaluating the plurality of classifiers by comparing them with each other.

본 발명은 본 발명은 기계 학습 기반 분류기 모델을 훈련하고, 훈련된 분류기 모델을 테스트하여 펄스 레벨에서 큐비트 상태를 분류하는 양자 상태 분류 장치 및 방법 제공할 수 있다.The present invention can provide a quantum state classification device and method for classifying qubit states at the pulse level by training a machine learning-based classifier model and testing the trained classifier model.

본 발명은 큐비트 상태 추정을 위한 하드웨어의 다양한 기계 학습 기반의 분류기(classifier)의 성능을 평가하여 우수한 성능의 분류기를 선별하여 양자 상태 분류의 성능을 향상시킬 수 있다.The present invention can improve the performance of quantum state classification by evaluating the performance of various machine learning-based classifiers in hardware for qubit state estimation and selecting a classifier with excellent performance.

본 발명은 IBM 양자 컴퓨터에서 시연된 큐비트 판독을 위한 다양한 기계 학습 기본 분류기를 계산, 플롯 및 비교하기 위한 파이썬 기반 플랫폼 설계를 제공할 수 있다.The present invention can provide a Python-based platform design for calculating, plotting and comparing various machine learning base classifiers for qubit reading demonstrated on IBM quantum computers.

본 발명은 벨(Bell) 또는 CHSH(Clauser-Horne-Shimony-Holt) 부등식(inequality)과 같은 전통적인 얽힘을 감지하는 방법에 기반하여 임의의 이분 상태에 대한 얽힘 분리가능한 ANN(artificial neural network) 기반 분류기로 제공할 수 있다.The present invention is an artificial neural network (ANN)-based classifier capable of separating entanglements for arbitrary bipartite states based on traditional entanglement detection methods such as Bell or Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) inequality. It can be provided as .

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 장치에서 데이터 세트를 생성하기 위한 상태에 대한 IQ 플롯(plot)을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 장치에서 분류기 평가부에 의한 정확도 평가 결과를 설명하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 장치에서 분류기 훈련부에 의해 훈련된 ANN(artificial neural network) 모델을 설명하는 도면이다.
도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 ANN 모델에 대한 정확도 평가 결과를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반사실적 얽힘 분배(Counterfactual Entanglement Distribution) 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제어된 양자 순간이동의 개념을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 장치의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 큐비트 전송에서 QST를 수행하기 위한 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도 10은 순수 상태들 (a)과 혼합 상태들 (b)에 대한 재구성 상태와 실제 상태 의 Log 부정확도(infidelity)를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 단층 촬영 장치의 블록도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 양자정보기술 통합 시스템을 나타내는 도면이다.
1 is a diagram illustrating a quantum state classification device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an IQ plot for states for generating a data set in a quantum state classification device according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram illustrating the accuracy evaluation results by the classifier evaluation unit in the quantum state classification device according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 4A and 4B are diagrams illustrating an artificial neural network (ANN) model trained by a classifier training unit in a quantum state classification device according to an embodiment of the present invention.
Figure 4c is a diagram explaining the accuracy evaluation results for the ANN model according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram explaining a quantum state classification method according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram for explaining a counterfactual entanglement distribution model according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a diagram showing the concept of controlled quantum teleportation according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a flowchart showing the operation of a controlled counterfactual quantum teleportation support device according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a diagram explaining a mechanism for performing QST in qubit transmission.
Figure 10 shows the Log infidelity of the reconstructed state and the actual state for pure states (a) and mixed states (b).
Figure 11 is a block diagram of a tomographic imaging device according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 is a diagram showing a quantum information technology integrated system according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.Hereinafter, various embodiments of this document are described with reference to the attached drawings.

실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The embodiments and terms used herein are not intended to limit the technology described in this document to a specific embodiment, and should be understood to include various changes, equivalents, and/or substitutes for the embodiments.

하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of various embodiments, if a detailed description of a related known function or configuration is judged to unnecessarily obscure the gist of the invention, the detailed description will be omitted.

그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시 예들에서의 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.The terms described below are terms defined in consideration of functions in various embodiments, and may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.

도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.In connection with the description of the drawings, similar reference numbers may be used for similar components.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.Singular expressions may include plural expressions, unless the context clearly indicates otherwise.

본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.In this document, expressions such as “A or B” or “at least one of A and/or B” may include all possible combinations of the items listed together.

"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.Expressions such as “first,” “second,” “first,” or “second,” can modify the corresponding components regardless of order or importance and are used to distinguish one component from another. It is only used and does not limit the corresponding components.

어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.When a component (e.g. a first) component is said to be "connected (functionally or communicatively)" or "connected" to another (e.g. a second) component, it means that the component is connected to the other component. It may be connected directly to a component or may be connected through another component (e.g., a third component).

본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.In this specification, “configured to” means “suitable for,” “having the ability to,” or “changed to,” depending on the situation, for example, in terms of hardware or software. ," can be used interchangeably with "made to," "capable of," or "designed to."

어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.In some contexts, the expression “a device configured to” may mean that the device is “capable of” working with other devices or components.

예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.For example, the phrase "processor configured (or set) to perform A, B, and C" refers to a processor dedicated to performing the operations (e.g., an embedded processor), or by executing one or more software programs stored on a memory device. , may refer to a general-purpose processor (e.g., CPU or application processor) capable of performing the corresponding operations.

또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.Additionally, the term 'or' means 'inclusive or' rather than 'exclusive or'.

즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.That is, unless otherwise stated or clear from the context, the expression 'x uses a or b' means any of the natural inclusive permutations.

이하 사용되는 '..부', '..기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Terms such as '..unit' and '..unit' used hereinafter refer to a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 장치를 설명하는 도면이다.1 is a diagram illustrating a quantum state classification device according to an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 장치의 구성 요소를 예시한다.1 illustrates the components of a quantum state classification device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 장치(100)는 데이터 세트 생성부(110), 분류기 훈련부(120), 분류기 평가부(130) 및 양자 상태 분류부(140)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the quantum state classification device 100 according to an embodiment of the present invention includes a data set generation unit 110, a classifier training unit 120, a classifier evaluation unit 130, and a quantum state classification unit 140. Includes.

일례로, 데이터 세트 생성부(110)는 큐비트 상태와 관련된 훈련 데이터 세트 및 평가 데이터 세트를 생성한다.For example, the data set generator 110 generates a training data set and an evaluation data set related to the qubit state.

본 발명의 일실시예에 따르면 데이터 세트 생성부(110)는 레이블이 지정된 데이터 세트와 관련하여 그라운드 상태 및 여기 상태에서 큐비트의 원시 동위상 및 직교 출력 값을 측정하여 훈련 데이터 세트 및 평가 데이터 세트를 생성할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the data set generator 110 measures the raw in-phase and quadrature output values of the qubit in the ground state and excited state in relation to the labeled data set to set a training data set and an evaluation data set. can be created.

일례로, 데이터 세트 생성부(110)는 펄스 레벨 제어(pulse level control)에 기반하여 큐비트(Qubit) 상태에 대하여 그라운드 상태(ground state), 여기 상태(excited state) 및 혼합 상태를 추정한다.For example, the data set generator 110 estimates the ground state, excited state, and mixed state of the qubit state based on pulse level control.

또한, 데이터 세트 생성부(110)는 추정된 그라운드 상태(ground state), 여기 상태(excited state) 및 혼합 상태를 무작위로 혼합(shuffle)하여 일 대일 비율로 훈련 데이터 세트 및 평가 데이터 세트를 생성할 수 있다.In addition, the data set generator 110 randomly shuffles the estimated ground state, excited state, and mixed state to generate a training data set and an evaluation data set in a one-to-one ratio. You can.

본 발명의 일실시예에 따르면 데이터 세트 생성부(110)는 큐비트를 그라운드 상태(ground state)에서 준비하고, 다른 작업을 수행하지 않고 Qiskit Pulse를 사용하여 펄스 레벨(레벨 1 측정)을 사용하여 큐비트를 측정한다.According to one embodiment of the present invention, the data set generator 110 prepares the qubit in the ground state and uses the pulse level (level 1 measurement) using Qiskit Pulse without performing any other work. Measure the qubit.

다음으로, 데이터 세트 생성부(110)는 측정된 큐비트에 기반하여 형상 데이터 집합의 역할을 하는 출력파(outputwave)의 동상(in-phase) 및 직교(quadrature) 성분(component) 을 확보한다.Next, the data set generator 110 secures in-phase and quadrature components of the output wave that serves as a shape data set based on the measured qubits.

이후, 데이터 세트 생성부(110)는 큐비트를 여기 상태로 만든 후, 측정된 큐비트에 기반하여 형상 데이터 집합의 역할을 하는 출력파(outputwave)의 동상(in-phase) 및 직교(quadrature) 성분(component) 을 확보한다.Afterwards, the data set generator 110 puts the qubit into an excited state and generates in-phase and quadrature of the output wave that serves as a shape data set based on the measured qubit. Secure the components.

이에 따라, 데이터 세트 생성부(110)는 그라운드 상태 및 여기 상태 각각에 대하여 1024회 샷을 확보하여 총 2048회 샷을 확보하고, 랜덤 셔플 이후에 50%는 훈련 데이터 세트로, 50%는 테스트 데이터 세트로 생성한다.Accordingly, the data set generator 110 secures 1024 shots for each of the ground state and the excited state, securing a total of 2048 shots, and after random shuffling, 50% is used as a training data set and 50% is used as test data. Created as a set.

본 발명의 일실시예에 따르면 분류기 훈련부(120)는 데이터 세트 생성부(110)에 의해 생성된 훈련 데이터 세트를 이용하여 복수의 분류기를 훈련한다.According to one embodiment of the present invention, the classifier training unit 120 trains a plurality of classifiers using the training data set generated by the data set generating unit 110.

예를 들어, 복수의 분류기는 LDA(linear discriminant analysis) 기반 분류기, SVM(support vector machine) 기반 분류기, KNN(k-nearest neighbor) 기반 분류기, NNet(neural network) 기반 분류기 및 ANN(artificial neural network) 기반 분류기를 포함할 수 있다.For example, multiple classifiers include a linear discriminant analysis (LDA)-based classifier, a support vector machine (SVM)-based classifier, a k-nearest neighbor (KNN)-based classifier, a neural network (NNet)-based classifier, and an artificial neural network (ANN). May include a base classifier.

일례로, 분류기 훈련부(120)는 벨(Bell) 또는 CHSH(Clauser-Horne-Shimony-Holt) 부등식(inequality) 값을 훈련 데이터 세트의 특징 벡터로 사용하여 ANN 기반 분류기를 훈련할 수 있다.For example, the classifier training unit 120 may train an ANN-based classifier using Bell or Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) inequality values as feature vectors of the training data set.

예를 들어, 특징 벡터는 큐비트의 부분 정보로서 인공 신경망(artificial neural network)에 의해 가중치로 연산 되고, 벨 연산자 또는 CHSH 연산자의 얽힘 상태(entangled state) 탐지의 범위를 임의의 상태로 일반화할 수 있다.For example, the feature vector is partial information of the qubit and is calculated as a weight by an artificial neural network, and the range of entangled state detection of the Bell operator or CHSH operator can be generalized to any state. there is.

예를 들어, 인공 신경망은 선형 최적화 및 비선형 최적화 중 어느 하나로 구축되고, 상기 비선형 최적화로 구축되는 경우에 은닉층의 뉴런 수가 증가함에 따라 분류 정확도가 증가할 수 있다.For example, an artificial neural network is constructed using either linear optimization or non-linear optimization, and when constructed using non-linear optimization, classification accuracy may increase as the number of neurons in the hidden layer increases.

본 발명의 일실시예에 따르면 분류기 평가부(130)는 데이터 세트에 기반하여 훈련된 복수의 분류기에 대한 분류 정확도의 중위수(median) 및 사분위수 범위(interquartile range)를 계산하고, 계산된 분류 정확도에 기반하여 복수의 분류기를 평가할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the classifier evaluation unit 130 calculates the median and interquartile range of classification accuracy for a plurality of classifiers trained based on the data set, and calculates the calculated classification accuracy. Based on this, multiple classifiers can be evaluated.

일례로, 분류기 평가부(130)는 분류기가 훈련되면, 정확도를 측정 기준으로 사용하여 기계 학습 방법의 성능을 평가한다.For example, once the classifier is trained, the classifier evaluation unit 130 evaluates the performance of the machine learning method using accuracy as a measurement standard.

분류기 평가부(130)는 복수의 분류기 각각에 대하여 펄스 수준에서 큐비트 읽기 데이터를 정확하게 분류하는 능력에 대한 근사치를 얻기 위해 중위수와 사분위 간 정확도 범위를 계산한다.The classifier evaluation unit 130 calculates the median and interquartile accuracy range for each of the plurality of classifiers to obtain an approximation of the ability to accurately classify qubit read data at the pulse level.

일례로, 분류기 평가부(130)는 가장 높은 중위수 값과 가장 작은 사분위수 범위를 갖는 분류기에 대하여 가장 높은 정확도 점수로 계산한다.For example, the classifier evaluation unit 130 calculates the highest accuracy score for the classifier with the highest median value and the smallest interquartile range.

중위수 값은 평균 성능을 나타내고, 사분위수 범위는 최고의 정확도와 최저의 정확도의 범위와 관련됨에 따라 중위수와 사분위수 범위의 조합은 분류기의 성능 판단에 활용될 수 있다.The median value represents average performance, and the interquartile range is related to the range of highest and lowest accuracy, so the combination of median and interquartile range can be used to judge the performance of the classifier.

본 발명의 일실시예에 따르면 분류기 평가부(130)는 복수의 분류기 각각에 대하여 펄스 수준에서 큐비트 읽기 데이터를 분류하는 분류 정확도와 관련하여 중위수 및 사분위수 범위를 계산하여 분류기의 성능들을 결정하고, 결정된 분류기의 성능들을 상호 비교하여 복수의 분류기를 평가할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the classifier evaluation unit 130 determines the performance of the classifiers by calculating the median and interquartile range in relation to the classification accuracy of classifying qubit read data at the pulse level for each of the plurality of classifiers. , multiple classifiers can be evaluated by comparing the performances of the determined classifiers.

본 발명의 일실시예에 따르면 양자 상태 분류부(140)는 분류기 평가부(130)에서 계산된 분류 정확도에 기반하여 복수의 분류기 중 어느 하나의 분류기를 이용하여 큐비트 상태를 얽힘 상태(entangled state) 및 분리 가능한 상태(separatable state)로 분류할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the quantum state classification unit 140 uses one of a plurality of classifiers based on the classification accuracy calculated by the classifier evaluation unit 130 to classify the qubit state into an entangled state. ) and separable states.

즉, 양자 상태 분류부(140)는 복수의 기계 학습 모델 기반 분류기 중에 대하여 평가를 진행한 후, 평가 결과에 기반하여 상대적으로 우수한 성능을 갖는 분류기를 선택하고, 선택된 분류기에 기반하여 양자 상태를 분류함에 따라 기존 양자 상태의 분류와 관련된 부정확도 관련된 단점을 개선한다.That is, the quantum state classification unit 140 evaluates among a plurality of machine learning model-based classifiers, selects a classifier with relatively excellent performance based on the evaluation results, and classifies the quantum state based on the selected classifier. In doing so, it improves the inaccuracies associated with the classification of existing quantum states and the associated shortcomings.

따라서, 본 발명은 본 발명은 기계 학습 기반 분류기 모델을 훈련하고, 훈련된 분류기 모델을 테스트하여 펄스 레벨에서 큐비트 상태를 분류하는 양자 상태 분류 장치 및 방법 제공할 수 있다.Therefore, the present invention can provide a quantum state classification device and method for classifying qubit states at the pulse level by training a machine learning-based classifier model and testing the trained classifier model.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 장치에서 데이터 세트를 생성하기 위한 상태에 대한 IQ 플롯(plot)을 설명하는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating an IQ plot for states for generating a data set in a quantum state classification device according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참고하면, 그래프(200)는 가로축에서 Q 그리고, 세로축에서 I를 나타내며, 이는 측정 레벨 1을 사용하여 그라운드(ground) 상태 |0> 및 여기(excited) 상태 |1>을 측정하는 1024개의 트레일에 대한 IQ 플롯일 수 있다.Referring to FIG. 2, graph 200 shows Q on the horizontal axis and I on the vertical axis, which is 1024 measuring the ground state |0> and the excited state |1> using measurement level 1. It could be an IQ plot of a dog's trail.

이것은 Qiskit Pulse를 사용하는 IBM 양자 컴퓨터에서 수행되고, 큐비트는 IBM 양자 컴퓨터의 기본 상태이기도 한 기본 상태인 기본 상태 |0>에서 먼저 준비되며 다른 작업을 수행하지 않고 측정 레벨 1 설정을 사용하여 상태를 측정한다.This is done on the IBM quantum computer using Qiskit Pulse, the qubits are first prepared in the default state |0>, which is also the default state of the IBM quantum computer, and without doing anything else, use the measurement level 1 setup to change the state. Measure.

Qiskit Pulse에서 복잡한 값을 얻습니다. 이는 각 큐비트 상태에 대한 기능을 제공한다.I get complex values from Qiskit Pulse. This provides functionality for each qubit state.

이것은 그라운드 상태 |0> 데이터 세트를 생성하기 위해 1024개의 트레일에 대해 수행되고, 그라운드 상태 |0>에서 여기 상태 |1>까지 큐비트를 취한 다음 레벨 1 측정 설정을 사용하여 큐비트 상태를 다시 측정하는 가우시안 펄스가 적용된다.This is done over 1024 trails to generate a ground state |0> data set, taking the qubit from the ground state |0> to the excited state |1> and then measuring the qubit state again using the level 1 measurement setup. A Gaussian pulse is applied.

이것은 1024개의 트레일에 대해서도 반복되어 여기 상태 |1> 데이터 세트를 생성하고, 전체 데이터 세트에서 두 개의 알고 있는 상태는 실제 레이블이 되고 동위상 및 구적 구성 요소는 기능이 된다.This is repeated for the 1024 trails as well, generating a data set of excited states |1>, where the two known states in the entire data set become the actual labels and the in-phase and quadrature components become features.

IBM 양자 컴퓨터에서 Qiskit Pulse를 사용하면 원시 형식의 양자 계산 출력에 액세스할 수 있다.Qiskit Pulse on IBM quantum computers provides access to quantum computation output in raw format.

양자 알고리즘의 실행이 완료되면 판독 채널에 판독 펄스가 전송되고 큐비트의 에너지 상태를 측정하는 해당 신호가 획득 채널에 기록된다.Once the execution of the quantum algorithm is complete, a readout pulse is sent to the readout channel and the corresponding signal measuring the energy state of the qubit is recorded in the acquisition channel.

전체 획득 기간 동안 기록된 신호가 합산되고 동위상 및 직교(IQ) 구성요소로 구성된 단일 복소수 값이 반환되며 이는 그래프(200)와 같다.The signals recorded over the entire acquisition period are summed and a single complex value consisting of in-phase and quadrature (IQ) components is returned, as shown in graph 200.

그래프(200)의 결과는 Qiskit Pulse의 측정 레벨 1을 사용하여 수행되고, 출력이 확률적이므로 양호하고 신뢰할 수 있는 확률 분포를 얻으려면 단일 실험에 여러 샷이 필요하다.The results in graph 200 are performed using measurement level 1 of Qiskit Pulse, and since the output is stochastic, multiple shots are required for a single experiment to obtain a good and reliable probability distribution.

IBM이 허용하는 최대 샷 수는 8192개인데, 이러한 다중 IQ 값을 사용하여 큐비트의 상태를 결정할 수 있다.The maximum number of shots allowed by IBM is 8192, and these multiple IQ values can be used to determine the state of the qubit.

큐비트의 상태 추정은 기본적으로 확률 진폭 값을 결정한다.Estimating the state of a qubit basically determines the probability amplitude value.

기계 학습 기반 분류기는 IQ 평면에서 결정 경계를 만드는 데 사용되며 큐비트가 그라운드 상태 |0>, 여기 상태 |1> 또는 중첩 상태 |ψ>에 있는지 여부를 결정하는 데 도움이 된다.A machine learning-based classifier is used to create a decision boundary in the IQ plane and helps determine whether the qubit is in the ground state |0>, the excited state |1>, or the superposition state |ψ>.

Qiskit Pulse 및 Python 프로그래밍 언어를 사용하여 고급 및 더 나은 분류기를 기존 컴퓨터에서 설계하고 양자 컴퓨터에서 사용할 수 있다.Using Qiskit Pulse and the Python programming language, advanced and better classifiers can be designed on classical computers and used on quantum computers.

따라서, 본 발명은 큐비트 상태 추정을 위한 하드웨어의 다양한 기계 학습 기반의 분류기(classifier)의 성능을 평가하여 우수한 성능의 분류기를 선별하여 양자 상태 분류의 성능을 향상시킬 수 있다.Therefore, the present invention can improve the performance of quantum state classification by evaluating the performance of various machine learning-based classifiers in hardware for qubit state estimation and selecting a classifier with excellent performance.

또한, 본 발명은 IBM 양자 컴퓨터에서 시연된 큐비트 판독을 위한 다양한 기계 학습 기본 분류기를 계산, 플롯 및 비교하기 위한 파이썬 기반 플랫폼 설계를 제공할 수 있다.Additionally, the present invention can provide a Python-based platform design for computing, plotting, and comparing various machine learning base classifiers for qubit reading demonstrated on IBM quantum computers.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 장치에서 분류기 평가부에 의한 정확도 평가 결과를 설명하는 도면이다.Figure 3 is a diagram illustrating the accuracy evaluation results by the classifier evaluation unit in the quantum state classification device according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참고하면, 그래프(300)는 양자 상태 분류 장치에서 분류기 평가부에 의한 정확도 평가 결과를 기계 학습 종류에 따라 예시한다.Referring to FIG. 3, a graph 300 illustrates the accuracy evaluation results by the classifier evaluation unit in the quantum state classification device according to the type of machine learning.

그래프(300)에서는 LDA, SVM, KNN 및 NNet 기반 분류기의 정확도를 예시한다.Graph 300 illustrates the accuracy of classifiers based on LDA, SVM, KNN, and NNet.

정확도, 재현율, 정밀도, F1 점수 등과 같은 분류기의 성능을 판단하는 방법에는 여러 가지가 있으며 여기서는 정확도를 사용했다.There are several ways to judge the performance of a classifier, such as accuracy, recall, precision, F1 score, etc. Accuracy is used here.

테스트 데이터를 사용하여 모든 분류기의 정확도가 계산된다.The accuracy of all classifiers is calculated using the test data.

분류기 성능에 대한 더 나은 근사치를 얻기 위해 훈련 및 테스트 프로세스가 각각 새로운 데이터 세트로 10회 반복된다.To obtain a better approximation of classifier performance, the training and testing process are each repeated 10 times with a new data set.

사용된 값에는 정확도의 중위수와 정확도의 사분위수 범위(interquartile range, IQR)(75번째 백분위수 - 25번째 백분위수)가 포함된다.Values used include the median accuracy and the interquartile range (IQR) of accuracy (75th percentile - 25th percentile).

분류기의 정확도는 하기 표 1과 같이 정리할 수 있다.The accuracy of the classifier can be summarized in Table 1 below.

분류기sorter 중위수(Median)Median 사분위수 범위interquartile range LDALDA 0.95940.9594 0.00900.0090 SVMSVM 0.95940.9594 0.00560.0056 KNNKNN 0.95410.9541 0.00650.0065 NNetNNet 0.95800.9580 0.00680.0068

LDA 및 SVM과 같은 간단한 수학적 모델을 사용하는 분류기는 중간 정확도와 거의 선형에 가까운 결정 경계로 우수한 성능을 제공한다.Classifiers using simple mathematical models such as LDA and SVM provide good performance with moderate accuracy and nearly linear decision boundaries.

KNN의 경우 훈련 데이터 외부의 데이터 세트 예측에서 뒤쳐져 상대적으로 나쁜 성능을 제공하는 과적합된 비선형 결정 경계를 만들었다.In the case of KNN, it lagged in predicting datasets outside of the training data, creating an overfitted nonlinear decision boundary that gave it relatively poor performance.

NNet의 경우 학습할 때마다 무작위로 가중치를 초기화하면 기능 세트가 신경망이 잠재력을 최대한 탐색하기에 너무 복잡하지 않다는 사실과 함께 혼합된 성능을 제공한다.In the case of NNet, randomly initializing the weights each time it trains provides mixed performance along with the fact that the feature set is not too complex for the neural network to explore its full potential.

정확도의 IQR 측면에서 성능을 보면 SVM은 SVM이 이 특정 유형의 동위상 및 구적 기능 데이터 세트에서 여러 훈련 및 테스트 추적에서 성능을 유지한다는 것을 보여주는 더 작은 전체 확산으로 더 나은 결과를 제공한다.Looking at the performance in terms of IQR of accuracy, SVM gives better results with smaller overall spread showing that SVM maintains its performance across multiple training and test traces on this particular type of in-phase and quadrature feature dataset.

이는 IBM 양자 컴퓨터가 분류기와 함께 매일 보정되기 때문에 중요함에 따라 큐비트 상태 추정을 위한 분류기로 SVM을 사용하면 작은 개선으로도 상당한 도움이 될 수 있는 이미 잡음이 많은 양자 컴퓨터에서 더 나은 결과를 얻는 데 도움이 될 수 있다.This is important because IBM quantum computers are calibrated daily with their classifiers, so using SVMs as classifiers for qubit state estimation can help achieve better results on already noisy quantum computers, where even small improvements can help significantly. It can be helpful.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 장치에서 분류기 훈련부에 의해 훈련된 ANN(artificial neural network) 모델을 설명하는 도면이다.FIGS. 4A and 4B are diagrams illustrating an artificial neural network (ANN) model trained by a classifier training unit in a quantum state classification device according to an embodiment of the present invention.

도 4a는 ANN 모델의 선형 최적화를 예시하고, 도 4b는 ANN 모델의 비선형 최적화를 예시한다.Figure 4a illustrates linear optimization of the ANN model, and Figure 4b illustrates non-linear optimization of the ANN model.

ANN 모델(400)에서 x0는 편향 뉴런을 나타내고, x1 내지 x4는 입력 뉴런을 나타내고, y1은 출력 뉴런을 나타낸다.In the ANN model 400, x 0 represents a bias neuron, x 1 to x 4 represent input neurons, and y 1 represents an output neuron.

ANN 모델(410)에서 x0는 편향 뉴런을 나타내고, x1 내지 x4는 입력 뉴런을 나타내고, h1 내지 hi는 은닉 뉴런을 나타내며, y1은 출력 뉴런을 나타낸다.In the ANN model 410, x 0 represents a bias neuron, x 1 to x 4 represent input neurons, h 1 to h i represent hidden neurons, and y 1 represents an output neuron.

ANN 모델(400)은 은닉층이 없는 가중치의 선형 최적화이고, ANN 모델(410)은 은닉층이 도입된 가중치의 비선형 최적화이다.The ANN model 400 is a linear optimization of weights without a hidden layer, and the ANN model 410 is a non-linear optimization of weights with a hidden layer introduced.

벨(Bell) 또는 CHSH(Clauser-Horne-Shimony-Holt) 부등식(inequality)을 양자 상태 분류기인 ANN 모델 기반 분류기로 훈련하기 위해서 양자 상태를 하기 수학식 1과 같이 분리할 수 있다.In order to train the Bell or CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt) inequality as an ANN model-based classifier, which is a quantum state classifier, the quantum state can be separated as shown in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

수학식 1에서, psep는 분리된 양자 상태를 나타낼 수 있는데, pi는 0보다 크거나 같고, 1보다 작거나 같고, 수학식 1에서 pi는 1에 수렴한다. 그렇지 않으면 양자 상태가 얽힌다.In Equation 1, p sep can represent a separate quantum state, where p i is greater than or equal to 0 and less than or equal to 1, and in Equation 1, p i converges to 1. Otherwise the quantum states become entangled.

부분 정보에서의 얽힘 감지와 관련하여 벨 부등식을 하기 수학식 2로 일반화하는 것을 고려할 수 있다.Regarding entanglement detection in partial information, it can be considered to generalize Bell's inequality into Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

수학식 2에서, <.>는 기대치를 나타내고 {a, a'} 및 {b, b'}는 A(Alice)와 B(Bob)이라는 두 관련 당사자의 감지기 설정일 수 있다.In Equation 2, <.> represents the expectation and {a, a'} and {b, b'} can be the detector settings of the two involved parties, A (Alice) and B (Bob).

얽힌 상태와 분리 가능한 상태의 경우에 벨의 부등식 값을 부분 정보로 사용할 수 있다.In the case of entangled states and separable states, the value of Bell's inequality can be used as partial information.

이 부등식은 다음과 같은 문제로 인해 얽힘 감지를 위한 신뢰할 수 있는 도구로 직접 활용될 수 없다.This inequality cannot be directly utilized as a reliable tool for entanglement detection due to the following problems.

부등식을 위반하지 않는 순수한 얽힌 상태를 수학식 3과 같이 정의할 수 있다.A pure entangled state that does not violate the inequality can be defined as Equation 3.

[수학식 3][Equation 3]

수학식 3에서 ψ는 양자 상태를 나타낼 수 있고, 다음으로, 수학식 4와 같이 얽혀 있지만 부등식을 위반하지 않는 순수 얽힌 상태와 측정 각도에 따라 다른 양자 상태가 고려된다.In Equation 3, ψ can represent a quantum state, and then, as in Equation 4, a pure entangled state that is entangled but does not violate the inequality and other quantum states depending on the measurement angle are considered.

[수학식 4][Equation 4]

수학식 4에서, ψ는 양자 상태를 나타낼 수 있고, (θ, Φ)의 임의 값에 대해 앞서 언급한 얽힌 상태는 더 이상 고정된 측정 기준에서 부등식을 위반하지 않는다.In equation (4), ψ can represent a quantum state, and for arbitrary values of (θ, Φ) the aforementioned entangled state no longer violates the inequality in a fixed metric.

더욱이 이 기준은 혼합 상태 얽힘 감지에 대한 효율성을 제한하는 노이즈에서 강력하지 않다.Moreover, this criterion is not robust in noise, which limits its effectiveness for mixed-state entanglement detection.

요약하자면, 원래 CHSH 부등식은 이분법 얽힘의 탐지를 위한 신뢰할 수 있는 도구로 활용될 수 없습니다.In summary, the original CHSH inequality cannot be utilized as a reliable tool for the detection of binary entanglements.

앞서 언급한 한계를 극복하기 위해 우리는 지도 머신 러닝 기술, 즉 인공 신경망을 사용할 것입니다.To overcome the aforementioned limitations, we will use supervised machine learning techniques, namely artificial neural networks.

원래 CHSH 연산자는 수학식 5로 정의할 수 있다.The original CHSH operator can be defined as Equation 5.

[수학식 5][Equation 5]

수학식 5에서의 변수를 파울리 연산자(Pauli operator)로 변환할 수 있는데, a0는 σz이고, a'0는 σx이며, b0는 σz를 σx에서 제외한 값을 √2로 나눈 값이며, b'0는 σx와 σz를 합한 값을 √2로 나눈 값일 수 있다.The variables in Equation 5 can be converted to the Pauli operator, where a 0 is σ z , a' 0 is σ x , and b 0 is the value of σ z subtracted from σ x divided by √2. value, and b' 0 may be the sum of σ x and σ z divided by √2.

이 연산자는 벡터(1,-1, 1, 1, -2)를 고정 가중치 벡터로 포함할 수 있고, 머신 러닝 모델의 학습에 사용할 특징 벡터로 활용될 수 있다.This operator can include the vector (1, -1, 1, 1, -2) as a fixed weight vector and can be used as a feature vector to be used in training a machine learning model.

수학식 5에 대하여 가중치를 적용하면 하기 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.By applying weights to Equation 5, it can be expressed as Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

기대값{<a0b0>, <a0b'0>, <a'0b0>, <a'0b'0>}은 입력 특성으로 사용되고, 가중치는 무작위로 초기화되고 학습 프로세스 전반에 걸쳐 훈련될 수 있다.Expected values{ <a 0 b 0> , <a 0 b'0> , <a' 0 b 0 >, <a' 0 b' 0 >} are used as input features, and weights are randomly initialized and used throughout the learning process. Can be trained across

데이터의 레이블링은 긍정적인 부분 전치(positive partial transpose, PPT) 기준에 의해 결정되고, 마지막으로 CHSH 얽힘 감지 범위를 임의의 상태로 일반화하는 인공 신경망에 의해 최적화된 가중치를 얻을 수 있다.The labeling of the data is determined by the positive partial transpose (PPT) criterion, and finally, the optimized weights can be obtained by an artificial neural network that generalizes the CHSH entanglement detection range to an arbitrary state.

분류기의 정확도를 은닉층의 뉴런 수의 함수로 묘사하고, 양자 상태 제품군에 대한 훈련 데이터를 하기 수학식 7과 같이 도출할 수 있다.The accuracy of the classifier can be described as a function of the number of neurons in the hidden layer, and training data for the quantum state family can be derived as shown in Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

수학식 7에서 p는 가산 잡음을 나타낼 수 있고, |Ψθ,Φ>는 상기 수학식 4를 통해서 정의된다.In Equation 7, p can represent additive noise, and |Ψ θ,Φ > is defined through Equation 4 above.

도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 ANN 모델에 대한 정확도 평가 결과를 설명하는 도면이다.Figure 4c is a diagram explaining the accuracy evaluation results for the ANN model according to an embodiment of the present invention.

도 4c를 참고하면, 그래프(420)는 도 4b의 은닉층의 수에 따른 ANN 모델 기반의 분류기의 정확도를 예시한다.Referring to FIG. 4C, graph 420 illustrates the accuracy of the ANN model-based classifier depending on the number of hidden layers in FIG. 4B.

그래프(420)는 은닉층의 뉴런 수가 증가함에 따라 정확도가 증가하는 것을 나타낸다.Graph 420 shows that accuracy increases as the number of neurons in the hidden layer increases.

특정 숫자 이후에는 정확도가 향상되지 않음에 따라 은닉층은 20 개의 뉴런이 있는 모델을 고려하면 약 91%의 정확도가 확보될 수 있다.As accuracy does not improve after a certain number, an accuracy of about 91% can be secured considering a model with 20 neurons in the hidden layer.

따라서, 본 발명은 벨(Bell) 또는 CHSH(Clauser-Horne-Shimony-Holt) 부등식(inequality)과 같은 전통적인 얽힘을 감지하는 방법에 기반하여 임의의 이분 상태에 대한 얽힘 분리가능한 ANN(artificial neural network) 기반 분류기로 제공할 수 있다.Therefore, the present invention is an artificial neural network (ANN) with entanglement separability for arbitrary bipartite states based on traditional entanglement detection methods such as Bell or Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) inequality. It can be provided as a base classifier.

클래스 추정이 필요한 큐비트의 부분정보 추출을 수행하고, 큐비트의 양자 상태를 알려주는 레이블을 출력하는 훈련된 ANN 기반 분류기에 제공될 수 있다.It can be provided to a trained ANN-based classifier that extracts partial information of the qubit requiring class estimation and outputs a label indicating the quantum state of the qubit.

본 발명은 큐비트 읽기 오류(qubit readout errors)를 줄이고, 양자 알고리즘에 대한 상태의 효율적인 분류 및 양자 컴퓨??, 양자 오류 수정 및 양자 기계 학습의 적용을 위한 큐비트의 얽힘을 감지하는 양자 기술을 제공할 수 있다.The present invention provides quantum technology to reduce qubit readout errors, detect entanglement of qubits for efficient classification of states for quantum algorithms, and for applications in quantum computing, quantum error correction, and quantum machine learning. can be provided.

본 발명은 전체 밀도 행렬 대신 양자 상태의 부분 정보를 활용하고, 양자 상태 분류를 위한 얽힘을 쉽게 감지할 수 있도록 ANN 모델을 사용한 분류기 설계가 가능하다.The present invention utilizes partial information of the quantum state instead of the entire density matrix, and enables the design of a classifier using the ANN model to easily detect entanglement for quantum state classification.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 방법을 설명하는 도면이다.Figure 5 is a diagram explaining a quantum state classification method according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 방법이 기계 학습 기반 분류기 모델을 훈련하고, 훈련된 분류기 모델을 테스트하여 펄스 레벨에서 큐비트 상태를 분류하는 실시예를 예시한다.Figure 5 illustrates an embodiment in which the quantum state classification method according to an embodiment of the present invention trains a machine learning-based classifier model and tests the trained classifier model to classify the qubit state at the pulse level.

도 5를 참고하면, 단계(501)에서 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 방법은 큐비트 상태와 관련된 훈련 및 평가 데이터 세트를 생성한다.Referring to Figure 5, in step 501, the quantum state classification method according to an embodiment of the present invention generates a training and evaluation data set related to the qubit state.

즉, 양자 상태 분류 방법은 펄스 레벨 제어(pulse level control)에 기반하여 큐비트(Qubit) 상태에 대하여 그라운드 상태(ground state), 여기 상태(excited state) 및 혼합 상태를 추정하고, 추정된 그라운드 상태(ground state), 여기 상태(excited state) 및 혼합 상태를 무작위로 혼합(shuffle)하여 일 대일 비율로 훈련 데이터 세트 및 평가 데이터 세트를 생성할 수 있다.In other words, the quantum state classification method estimates the ground state, excited state, and mixed state for the qubit state based on pulse level control, and the estimated ground state The ground state, excited state, and mixed state can be randomly shuffled to generate a training data set and an evaluation data set in a one-to-one ratio.

단계(502)에서 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 방법은 훈련 데이터 세트를 이용하여 복수의 분류기를 훈련한다.In step 502, the quantum state classification method according to an embodiment of the present invention trains a plurality of classifiers using a training data set.

즉, 양자 상태 분류 방법은 훈련 데이터 세트를 이용하여 LDA(linear discriminant analysis) 기반 분류기, SVM(support vector machine) 기반 분류기, KNN(k-nearest neighbor) 기반 분류기, NNet(neural network) 기반 분류기 및 ANN(artificial neural network) 기반 분류기를 포함하는 복수의 분류기를 학습한다.In other words, the quantum state classification method uses a training data set to classify an LDA (linear discriminant analysis)-based classifier, SVM (support vector machine)-based classifier, KNN (k-nearest neighbor)-based classifier, NNet (neural network)-based classifier, and ANN. Learn multiple classifiers, including an (artificial neural network)-based classifier.

단계(503)에서 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 방법은 평가 데이터 세트를 이용하여 복수의 분류기를 평가한다.In step 503, the quantum state classification method according to an embodiment of the present invention evaluates a plurality of classifiers using an evaluation data set.

즉, 양자 상태 분류 방법은 복수의 분류기 각각에 대하여 펄스 수준에서 큐비트 읽기 데이터를 분류하는 분류 정확도와 관련하여 중위수 및 사분위수 범위를 계산하여 분류기의 성능들을 결정하고, 결정된 분류기의 성능들을 상호 비교하여 복수의 분류기를 평가할 수 있다.In other words, the quantum state classification method determines the performance of the classifiers by calculating the median and interquartile range in relation to the classification accuracy of classifying qubit read data at the pulse level for each of a plurality of classifiers, and compares the performances of the determined classifiers with each other. Thus, multiple classifiers can be evaluated.

단계(504)에서 본 발명의 일실시예에 따른 양자 상태 분류 방법은 평가에 기반하여 선택된 분류기를 이용하여 큐비트 상태를 얽힌 상태 및 분리 가능한 상태로 분류한다.In step 504, the quantum state classification method according to an embodiment of the present invention classifies the qubit state into an entangled state and a separable state using a classifier selected based on the evaluation.

즉, 양자 상태 분류 방법은 단계(503)에서 계산된 분류 정확도에 기반하여 복수의 분류기 중 어느 하나의 분류기를 선택하고, 선택된 분류기를 이용하여 큐비트 상태를 얽힘 상태(entangled state) 또는 분리 가능한 상태(separatable state)로 분류할 수 있다.That is, the quantum state classification method selects one of a plurality of classifiers based on the classification accuracy calculated in step 503, and uses the selected classifier to classify the qubit state into an entangled state or a separable state. It can be classified as (separatable state).

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반사실적 얽힘 분배(Counterfactual Entanglement Distribution) 모델을 설명하기 위한 도면이다.Figure 6 is a diagram for explaining a counterfactual entanglement distribution model according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 제1 단말(Alice)(610), 제2 단말(Bob)(620) 및 제3 단말(Charlie)(630) 각각은 모두 송신 단말, 수신 단말 및 제어 단말로 동작할 수 있다. 예를 들어, Alice(610)가 Bob(620)에게 양자 정보를 보내는 경우 Charlie(630)는 제어 단말의 역할을 수행하고, 반대로 Bob(620)이 Alice(630)에게 양자 정보를 보내는 경우도 가능하다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제어된 양자 순간 이동 프로토콜은 3자 양자네트워크를 가정한다. Referring to FIG. 6, the first terminal (Alice) 610, the second terminal (Bob) 620, and the third terminal (Charlie) 630 can each operate as a transmitting terminal, a receiving terminal, and a control terminal. there is. For example, when Alice (610) sends quantum information to Bob (620), Charlie (630) acts as a control terminal, and conversely, it is also possible for Bob (620) to send quantum information to Alice (630). do. As such, the controlled quantum teleportation protocol according to an embodiment of the present invention assumes a three-party quantum network.

한편, 도 6에서 참조부호 640 'SW'는 전환 가능 미러(Switchable Mirror)의 및 전환 가능 회전자 등을 포함하는 양자 채널을 의미하고, QAO는 quantum absorptive object의 약칭이고, V-CQZ는 수직(Vertical) CQZ 게이트를 포함함을 나타내고, H-CQZ는 수평(Horizontal) CQZ 게이트를 포함하고 있음을 나타낸다. Meanwhile, in FIG. 6, reference numeral 640 'SW' refers to a quantum channel including a switchable mirror and a switchable rotor, QAO is an abbreviation for quantum absorptive object, and V-CQZ is a vertical ( Vertical) indicates that it contains a CQZ gate, and H-CQZ indicates that it contains a horizontal (Horizontal) CQZ gate.

도 6에 도시된 제1 단말(Alice)(610), 제2 단말(Bob)(620) 및 제3 단말(Charlie)(630) 중 적어도 어느 하나는 도 12의 반사실 양자 통신 처리부(2013)에 적용될 수 있다.At least one of the first terminal (Alice) 610, the second terminal (Bob) 620, and the third terminal (Charlie) 630 shown in FIG. 6 is the counterfactual quantum communication processor 2013 of FIG. 12. can be applied to

[제1 단계][Step 1]

제1 단계에서 각 단말은 2N 개의 GHZ 상태를 반사실적으로 생성한다.In the first step, each terminal counterfactually generates 2N GHZ states.

제어된 반사실적 양자 순간이동을 안전하게 수행하기 위하여, Alice, Bob 및 Charlie는 CQZ (Counterfactual quantum Zeno) gate를 사용하여 2N GHZ 상태를 반사실적으로 생성한다. 여기서, N은 자연수를 나타내고, 각 단말은 2N GHZ 상태의 큐빗을 하나씩 갖는 2N 삼각(tripartie) GHZ 상태를 생성한다.To safely perform controlled counterfactual quantum teleportation, Alice, Bob, and Charlie use a CQZ (Counterfactual quantum Zeno) gate to counterfactually generate 2N GHZ states. Here, N represents a natural number, and each terminal generates a 2N tripartie GHZ state with one qubit of the 2N GHZ state.

송신 단말로 가정한 Alice는 얽힘을 반사실적으로 분배하기 위하여, GHZ 상태 생성의 각 라운드에서 자신의 큐빗이 양자 흡수 객체(quantum absorptive object, QAO)로 동작하는 상태에서 큐빗을 준비한다. 이때, Bob과 Charlie는 각각 인 상태에서 큐빗을 준비한다. Alice, assumed to be a transmitting terminal, has her qubit operate as a quantum absorptive object (QAO) in each round of GHZ state creation in order to counterfactually distribute entanglement. Prepare the qubit in this state. At this time, Bob and Charlie each and Prepare the qubit in the in state.

Bob과 Charlie는 도 6에 도시된 바와 같이, GHZ 상태 생성의 각 라운드에서 CQZ 게이트를 사용하여 양자 채널을 통해 Alice와 교대로 연결한다. Bob and Charlie alternately connect with Alice through quantum channels using CQZ gates in each round of GHZ state generation, as shown in Figure 6.

각 라운드가 종료되는 시점에 Alice, Bob 및 Charlie의 초기 상태는 수학식 8과 같이 변환된다. At the end of each round, the initial states of Alice, Bob, and Charlie are converted as shown in Equation 8.

[수학식 8][Equation 8]

, ,

. .

여기서, A, B, C는 각각 Alice, Bob 및 Charlie를 나타내는 인덱스이고, i는 GHZ 상태 생성의 i번째 라운드를 나타내는 인덱스를 의미한다. Here, A, B, and C are indices representing Alice, Bob, and Charlie, respectively, and i refers to the index representing the ith round of GHZ state creation.

[제2 단계][Second stage]

제2 단계에서 Alice, Bob 및 Charlie는 큐빗 측정 및 결과발표를 수행한다.In the second step, Alice, Bob, and Charlie perform qubit measurements and announce the results.

먼저, Alice는 보안 검사를 위하여, 2N개의 GHZ 상태들 중 N개의 GHZ 상태의 임의의 서브세트를 선택하고, 선택된 서브세트의 위치를 통지(announce) 한다.First, for security check, Alice selects a random subset of N GHZ states among 2N GHZ states and announces the location of the selected subset.

Bob 및 Charlie는 {x, y} 세트로부터 측정 기저(basis)을 랜덤하게 선택하여 각 큐빗에서 측정을 수행하고 측정 결과와 선택한 기저(basis) 세트를 통지한다. Bob and Charlie randomly select a measurement basis from the {x, y} set, perform measurements on each qubit, and report the measurement results and the selected basis set.

Alice는 [표 2]과 같은 Bob 및 Charlie의 측정 후 측정 결과 테이블을 참조하여 Bob 및 Charlie의 측정 결과를 비교하거나 매칭한다. 이를 통해 측정 결과의 일관성 여부를 확인할 수 있다. Alice compares or matches the measurement results of Bob and Charlie by referring to the measurement result table after Bob and Charlie's measurements as shown in [Table 2]. Through this, you can check whether the measurement results are consistent.

[표 2][Table 2]

측정 결과의 일관성이 기 설정된 허용 가능한 임계 값까지 신뢰 가능한 경우, Alice, Bob 및 Charlie는 다음 단계를 수행할 수 있다. 즉, Alice, Bob 및 Charlie는 다음 단계에서 선택된 서브 세트 이외의 N개의 GHZ 상태를 사용하여 임의의 알려지지 않은 큐빗을 삼각 양자 네트워크(tripartite quantum network)에서 전송할 수 있다. If the consistency of the measurement results is reliable up to a preset acceptable threshold, Alice, Bob, and Charlie can perform the next steps. That is, Alice, Bob, and Charlie can transmit arbitrary unknown qubits in a tripartite quantum network using N GHZ states other than the subset selected in the next step.

한편, 각 당사자는 송신 단말, 수신 단말 및 제어 단말로 동작할 수 있음을 고려하여, 이후의 명세서 상의 기재에서 GHZ 상태의 첨자는 s, r, c로 표현하기로 한다. 여기서, s, r, c는 각각 송신 단말, 수신 단말 및 제어 단말에 구비된(혹은 해당 단말이 소유한) 큐빗을 나타낸다. Meanwhile, considering that each party can operate as a transmitting terminal, receiving terminal, and control terminal, the GHZ state subscripts will be expressed as s, r, and c in the following description. Here, s, r, and c represent qubits provided (or owned by the corresponding terminal) in the transmitting terminal, receiving terminal, and control terminal, respectively.

[제3 단계][Step 3]

제3 단계에서 송신 단말은 자신이 소유한 큐빗에 대해 벨 기반 측정을 수행함으로써, 미지의 양자상태를 순간이동 시킨다. 보다 구체적으로, 수학식 9와 같이 정의되는 미지의 양자 상태 를 송신 단말이 전송하는 경우를 가정한다. In the third step, the transmitting terminal teleports the unknown quantum state by performing a bell-based measurement on the qubit it owns. More specifically, the unknown quantum state defined as Equation 9: Assume that the transmitting terminal transmits.

[수학식 9][Equation 9]

, ,

. .

미지의 양자 상태 및 GHZ 상태의 조합 상태는 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.The combination state of the unknown quantum state and the GHZ state can be expressed as Equation 10.

[수학식 10][Equation 10]

, ,

. .

여기서, 는 벨 상태를 나타내고, j는 제어된 양자 순간 이동의 j번째 라운드를 나타낸다. here, and represents the bell state, and j represents the jth round of controlled quantum teleportation.

제3 단계에서 송신 단말은 큐빗 q 및 sj에 대한 벨 기저 측정을 수행하고, 측정 결과를 기록 및 유지한다. In the third step, the transmitting terminal performs Bell basis measurements on qubits q and s j , and records and maintains the measurement results.

[제4 단계][Step 4]

제4 단계에서 제어 단말은 Hadamard 기저로 큐빗을 측정하고 미지의 양자 상태를 재구성하도록 수신단말에게 측정 결과를 통지한다. In the fourth step, the control terminal measures the qubit based on the Hadamard basis and notifies the receiving terminal of the measurement result to reconstruct the unknown quantum state.

보다 구체적으로, 제어 단말은 큐빗 cj에서 Hadamard gate H를 수행하고 계산 기저로 큐빗을 측정한다. 제어 단말은 제어된 반사실적 양자 순간이동을 승인하기 위해 고전적 정보인 m의 1비트를 통해 측정 결과를 통지한다. More specifically, the control terminal performs the Hadamard gate H on qubit c j and measures the qubit as a computational basis. The control terminal notifies the measurement result through 1 bit of classical information m to approve the controlled counterfactual quantum teleportation.

제어 단말이 송신 단말과 수신 단말 간의 통신을 승인하면, 송신 단말은 벨 상태 에 대응하는 세트로부터 고전적 정보인 m1m2 2비트를 통해 측정 결과를 제어 단말 및 수신 단말에게 통지한다. When the control terminal approves communication between the sending terminal and the receiving terminal, the sending terminal is in the ring state. corresponding to The measurement result is notified to the control terminal and the receiving terminal through 2 bits of m1m2, which is classical information from the set.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제어된 양자 순간이동의 개념을 나타내는 도면이다. Figure 7 is a diagram showing the concept of controlled quantum teleportation according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 제어 단말의 승인하에 송신 단말은 벨 측정 결과를 통지함으로써, 제어된 양자 순간이동을 수행함을 알 수 있다. Referring to FIG. 7, it can be seen that the transmitting terminal performs controlled quantum teleportation by notifying the bell measurement result with the approval of the control terminal.

[제5 단계][Step 5]

제5 단계에서 수신 단말은 양자 상태를 재구성한다. In the fifth step, the receiving terminal reconstructs the quantum state.

보다 구체적으로, 수신 단말은 양자 상태를 재구성하기 위해 송신 단말 및 제어 단말의 측정 결과에 기초하여 큐빗 rj에서 수학식 11과 같이 정의되는 유니터리 오퍼레이션(unitary operation)을 수행한다. More specifically, the receiving terminal performs a unitary operation defined as Equation 11 on the qubit r j based on the measurement results of the transmitting terminal and the control terminal to reconstruct the quantum state.

[수학식 11][Equation 11]

여기서, X 및 Z는 각각 Pauli x 및 z 연산자를 의미한다. Here, X and Z refer to the Pauli x and z operators, respectively.

제1 단계 내지 제5단계를 통해 설명된 방법은 제어를 수행하는 제어 단말의 승인하에 미지의 양자 상태 시퀀스를 재구성할 수 있다. 따라서, 다양한 공격 전략에 대해 보다 안전하고 다자간 통신 시스템에 활용이 가능하다. The method described through steps 1 to 5 can reconstruct an unknown quantum state sequence under the approval of a control terminal performing control. Therefore, it is safer against various attack strategies and can be used in a multi-party communication system.

만일, 도청을 시도하는 단말이 얽힘 분배 과정에 참여하려고 시도하는 경우, 얽힘 관계에 있을 수 있지만 제2 단계의 보안 검사 과정에서 도청을 시도하는 단말이 탐지될 수 있다. If a terminal attempting eavesdropping attempts to participate in the entanglement distribution process, it may be in an entanglement relationship, but the terminal attempting eavesdropping may be detected during the security check process of the second stage.

또한, 도청을 시도하는 단말이 Alice의 미지 양자 상태를 훔치기 위해 보이지 않는 광자를 추가하는 경우, 보이지 않는 광자로 인해 보안 검사 단계에서 더 많은 오류가 발생할 수 있다. Additionally, if a terminal attempting eavesdropping adds invisible photons to steal Alice's unknown quantum state, more errors may occur in the security check step due to the invisible photons.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 장치의 동작을 나타내는 흐름도이다. Figure 8 is a flowchart showing the operation of a controlled counterfactual quantum teleportation support device according to an embodiment of the present invention.

여기서, 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 장치는 송신 단말, 수신 단말 및 제어 단말 중 어느 하나의 단말일 수 있고, 도 8은 제어된 반사실적 양자 순간이동 지원 장치가 송신 단말인 경우에 해당한다. Here, the controlled counterfactual quantum teleportation support device may be any one of a transmitting terminal, a receiving terminal, and a control terminal, and Figure 8 corresponds to the case where the controlled counterfactual quantum teleportation support device is a transmitting terminal.

도 8을 참조하면, 송신 단말은 810 단계에서 2N 개의 GHZ( Greenberger-Horne-Zeilinger)상태를 반사실적으로 생성한다. Referring to FIG. 8, the transmitting terminal counterfactually generates 2N GHZ (Greenberger-Horne-Zeilinger) states in step 810.

820 단계에서 송신 단말은 N개의 GHZ 상태의 임의의 서브세트를 선택하고, 선택된 서브세트의 위치를 통지한다. In step 820, the transmitting terminal selects a random subset of N GHZ states and notifies the location of the selected subset.

830 단계에서 송신 단말은 측정 결과의 일관성 여부를 확인한다.In step 830, the transmitting terminal checks whether the measurement results are consistent.

측정 결과의 일관성이 기 설정된 허용 가능한 임계 값까지 신뢰 가능한 경우, 송신 단말은 840 단계에서 소유한 큐빗에 대해 벨 기반 측정을 수행한다. If the consistency of the measurement result is reliable up to a preset acceptable threshold, the transmitting terminal performs bell-based measurement on the owned qubit in step 840.

이후, 제어 단말로부터 통신이 승인되면, 850 단계에서 송신 단말은 벨 상태에 대응하는 고전적인 2비트를 사용하여 측정 결과 통지한다.Thereafter, if communication is approved by the control terminal, in step 850, the transmitting terminal notifies the measurement result using the classic 2 bits corresponding to the bell state.

이하, 본 발명의 양자정보기술 통합 시스템에서 양자 실험 플랫폼에 적용될 수 있는 양자상태 단층 촬영 처리부를 설명한다. Hereinafter, a quantum state tomography processing unit that can be applied to the quantum experiment platform in the quantum information technology integrated system of the present invention will be described.

양자 상태 단층 촬영(Quantum State Tomography, QST)은 미지의 양자 상태를 결정하기 위한 양자 정보 처리 작업이다. 이 작업은 동일하게 준비된 양자 시스템(identically prepared quantum system)의 앙상블(ensemble)을 측정하고, 그 상태를 다양한 추정 방법으로 추론함으로써 수행된다. 양자 상태가 측정 전, 명확한 인과 순서(고전적 궤적)가 입력된 최대 잡음 탈분극 채널을 통과할 때 양자 상태가 최대 혼합 상태로 전환되어, QST 수행이 불가능하다.Quantum State Tomography (QST) is a quantum information processing task to determine unknown quantum states. This work is performed by measuring an ensemble of identically prepared quantum systems and inferring their states using various estimation methods. When the quantum state passes through the maximum noise depolarization channel with a clear causal sequence (classical trajectory) input before measurement, the quantum state switches to the maximum mixed state, making QST impossible.

고전적 궤적을 통해 양자 상태를 전달하는 대신, 본 명세서의 제안 방법은 채널을 무한한 인과 순서(Indefinite Causal Order, ICO)로 설정한다. 본 명세서에서는 ICO에서 탈분극 채널을 설정하면 채널이 최대 잡음 상태에 있더라도(maximally noisy) QST를 수행할 수 있음을 보여준다. 그리고/또는, 본 명세서에서는 채널이 최대 잡음이 없을 때 선형 회귀 추정을 통해 QST에 대한 ICO의 영향을 살펴본다. 그리고/또는, 본 명세서에서는 ICO 배열에서 채널을 설정하는 것은 채널이 최대 잡음이 있을 때 유리하다는 것을 보여준다.Instead of propagating quantum states through classical trajectories, the proposed method here sets the channels in an infinite causal order (ICO). In this specification, we show that by setting a depolarizing channel in ICO, QST can be performed even if the channel is maximally noisy. And/or, this specification examines the impact of ICO on QST through linear regression estimation when the channel has no maximum noise. And/or, the present disclosure shows that configuring channels in an ICO arrangement is advantageous when the channels have maximum noise.

본 발명의 실시예에 따른 양자상태 단층 촬영 처리부는 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하고, 상기 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하고, 상기 양자 상태 단층 촬영의 출력 및 대수학에 기반하여 초기 상태를 추정할 수 있다. The quantum state tomography processing unit according to an embodiment of the present invention transmits the quantum state to be estimated to the quantum switch, performs quantum state tomography in the state output from the quantum switch, and calculates the output of the quantum state tomography and algebra. Based on this, the initial state can be estimated.

미지의 시스템의 상태를 판별하는 양자 작업은 양자 상태 단층 촬영(QST, Quantum State Tomography)라 칭할 수 있다. QST는 두 단계로 구성될 수 있다. Quantum work that determines the state of an unknown system can be called quantum state tomography (QST). QST can consist of two steps.

먼저, 동일하게 준비된 양자 상태 사본에 대한 측정이 수행된다. First, measurements are performed on identically prepared copies of the quantum state.

다음, 고전적인 통계 추정 방법을 사용해 양자 상태가 재구성된다. 양자 상태를 구성하는 방법은 선형 반전(methods to construct a quantum states are linear inversion, MLE), 최대 가능도 추정(maximum likelihood estimation), 베이지안 추정 방법(bayesian estimation method) 및 선형 회귀(linear regression) 등이 있을 수 있다.Next, the quantum state is reconstructed using classical statistical estimation methods. Methods to construct a quantum state are linear inversion (MLE), maximum likelihood estimation, Bayesian estimation method, and linear regression. There may be.

선형 반전(Linear inversion)은 이상적인 환경을 가정하여 수행될 수 있다. 따라서, 큐비트 측정 중에 오류가 발생한 경우, 복구된 상태는 물리적 상태가 아닐 수 있다. MLE는 수치 최적화에 의해 결정된 측정 데이터 세트를 생성할 가장 높은 확률을 제공하는 밀도 행렬을 찾는다. 베이지안 방법은 베이지안 정리를 이용하여 사전 확률 분포(prior) p(ρ)에 대한 지식으로 사후 확률 분포(posterior probability distribution) p(ρ|D)를 결정할 수 있다. 여기서 D는 측정 데이터를 의미한다.Linear inversion can be performed assuming an ideal environment. Therefore, if an error occurs during qubit measurement, the recovered state may not be the physical state. MLE finds the density matrix that provides the highest probability of generating a set of measurement data determined by numerical optimization. The Bayesian method uses the Bayesian theorem to determine the posterior probability distribution p(ρ|D) with knowledge of the prior probability distribution p(ρ). Here, D means measurement data.

전통적인 양자 통신에서 양자 메시지가 일련의 통신채널 를 통해 전송될 때, 채널을 통해 송신되는 메시지의 순서는 채널 을 통과한 후에 또는 먼저 를 통과한 다음 을 통과하는 것으로 정의될 수 있다. In traditional quantum communication, quantum messages are a series of communication channels. and When transmitted through a channel, the order of messages transmitted through the channel is After passing or first After passing through It can be defined as passing through.

양자 이론은 이 채널들의 중첩을 생성하여 양자 채널을 결합하는 새로운 방식을 허용할 수 있다. 이를 통해, 정보 전달 순서는 이전의 두 가지 상태에 해당하지 않는다. 즉, 양자 채널 사이의 인과 순서가 무한하다. 무한한 인과 순서의 과정은 작업 순서가 퀀텀 비트(quantum bit)로 제어되는 양자 스위치(Quantum switch)에 의할 수 있다. 그리고/또는, 두 가지 대안적 순서를 중첩하여 완전 탈분극 채널의 조합을 통해 정보가 전송될 수 있다. 양자 스위치는 양자 계측(quantum metrology), 채널 용량 향상, 양자 탈분극 채널 식별 및 양자 인터넷을 향상시키는 데 활용될 수 있다.Quantum theory could allow new ways to combine quantum channels by creating superpositions of these channels. Through this, the information transfer order does not correspond to the previous two states. That is, the causal order between quantum channels is infinite. The process of infinite causal order can be achieved by a quantum switch where the order of operations is controlled by quantum bits. And/or, information can be transmitted through a combination of fully depolarizing channels, superimposing two alternative sequences. Quantum switches can be used to improve quantum metrology, enhance channel capacity, identify quantum depolarization channels, and enhance the quantum internet.

본 명세서에서는 양자 상태가 측정 전에 최대 잡음이 있는 양자 탈분극 채널을 통해 전송된다는 가정하에 선형 회귀 분석을 통해 QST를 모델링한다. 그리고, 본 명세서에서는 양자 채널을 무한한 인과 순서로 설정하는 것이 QST에 미치는 영향을 살펴본다. 그리고, 본 명세서에서는 명확한(definite) 인과 순서 및 ICO로 조립된 채널을 통해 전송되는 경우 추정된 상태와 실제 상태의 부정확성(infidelity)을 비교한다. 후자의 방법은 최대 잡음이 있는 양자 탈분극 채널에 대한 QST를 지원할 수 있다.Herein, we model QST through linear regression under the assumption that the quantum state is transmitted through a quantum depolarization channel with maximum noise before measurement. Additionally, in this specification, we examine the impact of setting the quantum channel to an infinite causal order on QST. And, in this specification, the infidelity of the estimated state and the actual state is compared when transmitted through a channel assembled with a definite causal sequence and ICO. The latter method can support QST for quantum depolarization channels with maximum noise.

이하, 본 명세서에서는 먼저, 선형 회귀 방법과 양자 스위치를 통한 양자 상태 단층 촬영을 살펴보고, 명확한 인과 순서와 ICO에 따라 설정된 채널을 통해 양자 상태를 전송할 때 QST 성능을 살펴본다.Hereinafter, in this specification, we first look at quantum state tomography using a linear regression method and a quantum switch, and then look at QST performance when transmitting quantum states through a channel established according to a clear causal order and ICO.

양자 상태 단층 촬영(Quantum State Tomography)Quantum State Tomography

먼저, 미지의 양자 상태를 추정하기 위한 선형 회귀 접근법을 살펴본다. First, we look at a linear regression approach to estimate unknown quantum states.

이면 1이고, 그렇지 않은 경우 0인 Kronecker의 델타 함수 를 이용할 수 있다. 은 행렬의 추적을 의미하는 것으로 (1) 와 (2) 를 만족하는 Hermitian 연산자 로 지정할 수 있다. 예를 들면, 단일 큐비트의 경우(single-qubit case), 는 아래 수학식 12와 같을 수 있다. Kronecker's delta function, equal to 1 if can be used. means tracking the matrix (1) and (2) Hermitian operator that satisfies It can be specified as . For example, in the single-qubit case, may be the same as Equation 12 below.

[수학식 12][Equation 12]

큐비트 밀도 연산자(operator)는 다음 수학식 13과 같이 매개변수화될 수 있다. The qubit density operator can be parameterized as shown in Equation 13 below.

[수학식 13][Equation 13]

여기서, 이고, 측정 세트 이 베이시스(bases) 하에 다음 수학식 14와 같이 매개변수화될 수 있다고 가정할 수 있다.here, and the measurement set These basis It can be assumed that it can be parameterized as shown in Equation 14 below.

[수학식 14][Equation 14]

여기서, 이고, 이다. 이 작업에서 사용되는 측정 세트는 인 스토크스 측정 세트(stokes measurement set)이다. 보른 규칙(Born's rule)에 기반하여, 동일하게 준비된 양자 시스템의 다수의 사본들이 측정된다면, 의 측정 결과를 획득하기 위한 확률은 다음 수학식 15와 같을 수 있다.here, ego, am. The measurement set used in this work is This is the Stokes measurement set. Based on Born's rule, if multiple copies of an identically prepared quantum system are measured, The probability of obtaining the measurement result may be as follows in Equation 15.

[수학식 15][Equation 15]

여기서, 는 열벡터 의 전치이고, 이다.here, is a column vector is the transpose of am.

상기 수학식 15로부터 QST에 대한 선형 회귀 형태는 다음 수학식 16과 같을 수 있다.From Equation 15 above, the linear regression form for QST may be as shown in Equation 16 below.

[수학식 16][Equation 16]

여기서, 이고, 이다.here, ego, am.

에 대해 상태 에서 양자 시스템을 N번 측정하는 것을 가정할 수 있다. 측정 결과 을 획득하기 위한 확률은 다음 수학식 17에 의해 추정될 수 있다.each About status It can be assumed that the quantum system is measured N times. Measurement results The probability of obtaining can be estimated by the following equation 17.

[수학식 17][Equation 17]

여기서, 는 추정 오류 를 갖는 관찰된 주파수들을 나타낸다. 다음, 상기 수학식 16에서 선형 회귀 방정식은 다음 수학식 18과 같을 수 있다.here, is the estimation error represents the observed frequencies with . Next, the linear regression equation in Equation 16 may be as shown in Equation 18 below.

[수학식 18][Equation 18]

여기서, 이고, 이다. 큰 N의 경우, 은 평균 0과 변화량 를 갖는 정규 분포에 대한 분포로 수렴될 수 있다. 많은 측정이 수행된다면, 큐비트 상태에 대한 측정은 더 정확해질 수 있다. 상기 수학식 18에서 선형 회귀 문제에 대한 해결책은 다음 수학식 19를 최소화하는 일 수 있다.here, ego, am. For large N, is the mean 0 and the change It can converge to a distribution for a normal distribution with . If more measurements are performed, measurements of the qubit state can become more accurate. The solution to the linear regression problem in Equation 18 above is to minimize Equation 19: It can be.

[수학식 19][Equation 19]

측정 세트 이 정보적으로 완전하거나 넘쳐서 역을 가지는 것을 가정할 수 있다. 추정값 는 평균 제곱 오차(mean squared error)를 갖는 평향되지 않는 추정값이고, 점근적으로, 다음 수학식 20과 같을 수 있다.measurement set This information is complete or overflowing. It can be assumed that it has a station. estimate is an unbiased estimate with a mean squared error, and asymptotically may be equivalent to Equation 20 below.

[수학식 20][Equation 20]

여기서, 이다. here, am.

양자 탈분극 채널(Quantum Depolarizing Channel)Quantum Depolarizing Channel

양자 정보는 양자 채널을 통해 전송될 수 있다. 양자 채널은 밀도 연산자에 대한 맵을 보존하는 완전한 양의 추적으로서 수학적으로 정의될 수 있다. 채널을 통해 전송되는 동안, 큐비트는 확률 (1-q)를 갖는 완전히 혼합된 상태로 진화(evolution)하고, 확률 q로 그대로 유지될 수 있다. 이러한 종류의 양자 채널을 양자 탈분극 채널 이라 칭할 수 있다. 큐비트의 진화 는 다음 수학식 21과 같이 정의된다.Quantum information can be transmitted through quantum channels. A quantum channel can be mathematically defined as a complete positive trace that preserves the map over the density operator. While transmitted through the channel, the qubit can evolve into a fully mixed state with probability (1-q) and remain with probability q. This type of quantum channel is called quantum depolarization channel It can be called . Evolution of qubits is defined as in Equation 21 below.

[수학식 21][Equation 21]

양자 스위치 (Quantum Switch)Quantum Switch

상술한 바와 같이, 두 개의 양자 채널을 통해 전송되는 양자 시스템은 명확한 인과 순서로 진화하고, 두 번째 채널은 첫 번째 채널의 출력에 작용한다. 양자 시스템은 ICO에서도 진화할 수 있기 때문에 어떤 과정이 다른 과정보다 먼저 일어나는지 결정할 수 없다. 이것은 양자 스위치 때문에 가능하다. 양자 스위치는 양자 채널을 결합하고, 제어 큐비트라고 하는 큐비트 에 의해 상대적인 순서를 제어할 수 있다. 제어 큐비트가 상태에 있는 경우, 양자 스위치는 순서에 따라 양자 시스템을 지나갈 것이다. 제어 큐비트가 상태에 있다면, 양자 상태는 순서에 따라 양자 채널을 지나간다. 제어 큐비트가 와 같이 의 중첩에 있는 경우, 양자 스위치는 채널을 순서의 중첩에 둘 수 있다. 양자 스위치의 결과로서 양자 채널의 Kraus 연산자는 다음 수학식 22와 같이 정의될 수 있다.As described above, a quantum system transmitted through two quantum channels evolves in a clear causal sequence, with the second channel acting on the output of the first channel. Because quantum systems can evolve even in ICOs, it is impossible to determine which process occurs before the other. This is possible because of quantum switches. Quantum switches combine quantum channels, qubits called control qubits. You can control the relative order by . control qubit When in the state, the quantum switch is We will go through quantum systems in order. control qubit If in a state, the quantum state is It passes through quantum channels in order. control qubit together with and If there is a superposition of , the quantum switch changes the channel to and It can be placed in a nested order. As a result of the quantum switch, the Kraus operator of the quantum channel can be defined as Equation 22 below.

[수학식 22][Equation 22]

여기서, 채널 의 Kraus 연산자는 각각 로 나타낼 수 있다. Here, channel and The Kraus operators are respectively and It can be expressed as

하나의 큐비트 시스템에 대한 양자 스위치는 다음 수학식 23과 같이 주어질 수 있다.The quantum switch for one qubit system can be given as Equation 23 below.

[수학식 23][Equation 23]

단층 촬영 방법, 시뮬레이션 및 결과Tomography methods, simulations and results

추론할 양자 상태 가 고전적인 궤적에서 잡음이 있는 탈분극 채널을 통해 측정 시스템으로 전송된다고 가정할 수 있다. 채널이 최대 잡음인 경우, 예를 들면 일 때, 수학식 10으로부터 큐비트는 에 종속하지 않는 다음 수학식 24의 최대 혼합 상태로 변환될 수 있다.Quantum state to infer It can be assumed that is transmitted to the measurement system through a noisy depolarizing channel in the classical trajectory. If the channel is at maximum noise, e.g. When , from Equation 10, the qubit is It can be converted to the maximum mixed state of Equation 24 below, which does not depend on .

[수학식 24][Equation 24]

결론적으로, 에서 QST가 수행된다면, 를 재구성하는 것은 불가능하다.as a result, If QST is performed in It is impossible to reconstruct.

제어 큐비트 를(여기서, ) 갖는 무한한 인과 순서에서 채널이 설정된다면, 채널의 출력은 다음 수학식 25과 같을 수 있다.control qubit (here, ), if the channel is set up in an infinite causal sequence, the output of the channel can be as shown in Equation 25 below.

[수학식 25][Equation 25]

베이시스(basis)에서 제어 큐비트의 측정은 채널의 출력을 다음 수학식 26과 같이 변환할 수 있다. When measuring the control qubit in basis, the output of the channel can be converted as shown in Equation 26 below.

[수학식 26][Equation 26]

여기서, 는 각각 에서 측정 결과를 획득하는 확률을 나타낼 수 있다. 채널이 최대로 잡음이 있는 경우, 수학식 26으로부터, 에 대해 QST를 수행한다면, 는 상태 를 재구성할 수 있는 것을 의미하는 에 의존할 수 있다.here, and are respectively and can represent the probability of obtaining a measurement result. If the channel is maximally noisy, from equation 26: If you perform QST on is the state meaning that it is possible to reconstruct can depend on

를 측정한다면, 가 아닌 의 추정을 얻을 것이다. If you measure not You will get an estimate of

양자 상태의 확률이 온전히 남아 있는지 여부는 를 다음 수학식 27과 같이 복구할 수 있는 수학식 26으로부터 양자 처리 단층 촬영(quantum process tomography)에 의해 결정될 수 있다.Whether the probability of a quantum state remains intact is Can be determined by quantum process tomography from Equation 26, which can be recovered as shown in Equation 27 below.

[수학식 27][Equation 27]

상에 수학식 27이 적용되는 경우, 가 비물리적 행렬인 몇가지 경우들이 있을 수 있다. If Equation 27 is applied to the above, There may be some cases where is a non-physical matrix.

이러한 이유로, 를 물리적 행렬 공간에 투영할 수 있고, 단위 트레이스와 양의 반정의 행렬들의 공간으로 표현될 수 있다. 단순 투영 알고리즘은 채택될 수 있으며, 이것의 아이디어는 밀도 행렬의 모든 고윳값들을 양의 값들 그리고 이들의 합으로 변환하는 것일 수 있다.For this reason, can be projected onto the physical matrix space and expressed as a space of unit traces and positive semidefinite matrices. A simple projection algorithm can be adopted, the idea of which may be to transform all the eigenvalues of the density matrix into positive values and their sum.

<MSE 분석(MSE analysis)><MSE analysis>

수학식 26에서의 양자 상태가 측정된다면, 상태 에 대한 의 측정 결과를 획득하기 위한 확률은 다음 수학식 28과 같이 정의될 수 있다.If the quantum state in Equation 26 is measured, then the state for The probability of obtaining the measurement result of can be defined as Equation 28 below.

[수학식 28][Equation 28]

상태 의 경우, 확룔은 다음 수학식 29와 같이 정의될 수 있다.situation In the case of , the certainty can be defined as follows in Equation 29.

[수학식 29][Equation 29]

최대 노이즈 채널(q=0)의 경우, 는 다음 수학식 30과 같을 수 있다.For the maximum noise channel (q=0), may be equal to the following equation 30:

[수학식 30][Equation 30]

여기서, 제어 큐비트가 상태 에 해당하는 경우, 즉 인 경우, 더 나은 결과는 얻어질 수 있다.Here, the control qubit is in the state In the case that applies, that is, In this case, better results can be obtained.

수학식 20으로부터, X는 제어 큐비트 측정 후 획득된 양쪽 상태에 대한 동일한 값을 얻을 수 있다. 그러므로, P에 의해 야기된 차이점을 확인해야할 필요가 있다.From equation 20, X can obtain the same value for both states obtained after measuring the control qubit. Therefore, there is a need to identify the differences caused by P.

모순을 가정하기 위해, 는 다음 수학식 31로부터 수학식 32의 과정을 거쳐 수학식 33으로 표현될 수 있다.To assume a contradiction, Can be expressed as Equation 33 through the following process from Equation 31 to Equation 32.

[수학식 31][Equation 31]

[수학식 32][Equation 32]

[수학식 33][Equation 33]

여기서, 이고, 이며, 이고, 이며, 이다.here, ego, and ego, and am.

여기서, 수학식 33은 로 표현될 수 있고, 은 모순이다. 그러므로, 어야 할 수 있다.Here, equation 33 is It can be expressed as is a contradiction. therefore, It can be done.

수학식 24로부터 양자 상태가 고전(classical) 배열을 통해 전송되는 경우, 의 측정 결과를 획득하기 위한 확률은 이고, 이에 따라 보다 더 큰 MSE는 주어질 것이다.From Equation 24, if the quantum state is transmitted through a classical arrangement, The probability of obtaining a measurement result of And, accordingly, and A larger MSE will be given.

<수치 시뮬레이션(Numerical Simulation)><Numerical Simulation>

이하에서는, 상술한 체계를 사용하여 하나의 큐비트 시스템에서 수치 시뮬레이션을 수행한다. 순수 상태와 혼합 상태에서 QST를 수행하여 두 가지 상태 모두에서 체계가 잘 작동하는지 확인한다.Below, numerical simulations are performed on a single qubit system using the above-described scheme. QST is performed in pure and mixed states to ensure that the system performs well in both states.

도 9는 큐비트 전송에서 양자 스위치(1010)를 채택함으로써, 최대 잡음이 있는 양자 탈분극 채널에서 QST를 수행하기 위한 메커니즘을 설명하는 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating a mechanism for performing QST in a quantum depolarization channel with maximum noise by employing a quantum switch 1010 in qubit transmission.

도 9를 참조하면, 시뮬레이션 시 구성되는 일실시예에 따른 단층 촬영 장치(1000)는 양자 스위치(Quantum Switch)(1010)와, 제어 큐비트를 측정하는 측정(Control Qubit Measurement) 장치(1020)와, 양자 상태 단층 촬영(Quantum Sate Tomography) 장치(1030)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 9, the tomography device 1000 according to an embodiment configured during simulation includes a quantum switch 1010, a control qubit measurement device 1020, and , may include a quantum state tomography device 1030.

Haar 측정(measure)에 따라, 그리고 혼합 상태들을 위한 힐베르트-슈미트(Hilbert-Schmidt) 측정(measure) 또는 Bures 측정(measure)에 따라 균일하게 분포된 개의 임의 양자 상태들이 생성될 수 있다. 측정 전에 고전적 궤도에서 조립된 최대 잡음이 있는 탈분극 채널 및 ICO에서 큐비트 전송을 모델링할 수 있다. 측정들은 각 큐비트 상에서 각 마다 수행될 수 있다. 실제 상태와 추정이 얼마나 가까운지 정량화하기 위해, 양쪽 상태 모두의 정확도(fidelity)가 계산될 수 있다.uniformly distributed according to the Haar measure and according to the Hilbert-Schmidt measure or Bures measure for mixed states. Random quantum states can be created. It is possible to model qubit transport in depolarizing channels and ICOs with maximum noise assembled from classical orbits prior to measurement. Measurements are made on each qubit. It can be performed every time. To quantify how close the actual state is to the estimate, both states The fidelity of all can be calculated.

다음, 개의 양자 상태들의 평균 log 정확도 는 계산될 수 있다. 상태들이 유한한 인과 순서 그리고 ICO에서 전송되는 경우, 이러한 추정을 갖는 실제 순수 상태들의 Log 부정확도(infidelity)는 도 10과 같이 나타낼 수 있다.next, Average log accuracy of quantum states can be calculated. If the states are transmitted in finite causal order and ICO, the Log infidelity of the actual pure states with this estimate can be represented as in Figure 10.

도 10은 순수 상태들 (a)과 혼합 상태들 (b)에 대한 재구성 상태 와 실제 상태 의 Log 부정확도(infidelity)를 나타낸다.Figure 10 shows the reconstruction states for pure states (a) and mixed states (b) and actual state Indicates the log infidelity.

실제 상태들이 ICO 배열에서 놓여진 채널을 통해 전송되는 경우, log 부정확도(infidelity)는 각 에서의 측정 결과에 대해 빨간 색과 녹색 선에 의해 표시될 수 있다. 또한, 추정된 상태의 평균 정확도는 다음 수학식 34와 같이 계산될 수 있다.When real states are transmitted over channels placed in an ICO array, the log infidelity is and Measurement results can be displayed by red and green lines. Additionally, the average accuracy of the estimated state can be calculated as shown in Equation 34 below.

[수학식 34][Equation 34]

여기서, 는 제어 큐비트의 측정이 에 대응하는 경우, 추정된 상태의 확률과 정확도일 수 있다.here, and is the measurement of the control qubit and In the case corresponding to , it may be the probability and accuracy of the estimated state.

도 10으로부터, 최대 잡음이 있는 양자 탈분극 채널에 대해, ICO 배열이 순수 상태 및 혼합 상태 양쪽 모두에 대한 QST 추정 성능에 도움이 되는 것을 확인할 수 있다. 측정 결과 에 해당하는 상태들 상에 QST는 이전에 설명된 MSE 분석과 일치하는 에 해당하는 상태들보다 더 좋은 추정을 획득할 수 있다.From Figure 10, it can be seen that for the quantum depolarization channel with maximum noise, the ICO arrangement helps the QST estimation performance for both pure and mixed states. Measurement results The QST on the corresponding states is consistent with the previously described MSE analysis. A better estimate can be obtained than the corresponding states.

예를 들어, 도 11의 일실시예에 따른 단층 촬영 장치(1100)는 상술한 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 단층 촬영 장치(1100)의 양자 스위치부(1110)를 통과한 출력은 수학식 25와 같을 수 있다. 그리고/또는, 단층 촬영 장치(1100)의 양자 스위치부(1110)는 베이시스(basis)에서의 제어 큐비트에서 채널의 출력을 수학식 26과 같이 변환할 수 있다. 그리고/또는, 단층 촬영 장치(1100)의 단층 촬영부(1120) 및/또는 추정부(1130)는 상기의 양자 상태 단층 촬영에 대한 설명과 같이 선형 회귀 접근법에 기반하여 양자 상태를 추정할 수 있다. 예를 들어, 단층 촬영 장치(1100)의 단층 촬영부(1120) 및/또는 추정부(1130)는 수학식 12 내지 수학식 20의 연산을 수행할 수 있다. 그리고/또는, 단층 촬영 장치(1100)의 단층 촬영부(1120) 및/또는 추정부(1130)는 수학식 26에 기반하여 를 재구성할 수도 있다.For example, the tomographic imaging device 1100 according to the embodiment of FIG. 11 may perform the above-described operation. For example, the output passing through the quantum switch unit 1110 of the tomography apparatus 1100 may be expressed as Equation 25. And/or, the quantum switch unit 1110 of the tomography device 1100 The output of the channel from the control qubit in the basis can be converted as shown in Equation 26. And/or, the tomography unit 1120 and/or the estimation unit 1130 of the tomography apparatus 1100 may estimate the quantum state based on a linear regression approach, as described above for quantum state tomography. . For example, the tomography unit 1120 and/or the estimation unit 1130 of the tomography apparatus 1100 may perform the calculations of Equations 12 to 20. And/or, the tomography unit 1120 and/or the estimation unit 1130 of the tomography apparatus 1100 based on Equation 26 can also be reconstructed.

그리고/또는, 단층 촬영 장치(1100)의 단층 촬영부(1120) 및/또는 추정부(1130)는 수학식 23에 의해 에 또는 를 결정 및/또는 추정할 수 있다. And/or, the tomography unit 1120 and/or the estimation unit 1130 of the tomography apparatus 1100 is calculated by Equation 23: to or can be determined and/or estimated.

도 11을 참조하여 설명한 단층 촬영 장치의 동작은 상술한 방식에 한하지 않으며, 다양한 방식으로 본 명세서에서 설명된 동작들을 수행할 수 있다. 또한, 단층 촬영 장치는 상기 도 11을 참조하여 설명한 단층 촬영 장치의 동작 이외에도 본 명세서에서 설명된 모든 또는 일부 동작들을 수행할 수 있다. The operation of the tomography apparatus described with reference to FIG. 11 is not limited to the above-described method, and the operations described herein can be performed in various ways. Additionally, the tomographic imaging device may perform all or some of the operations described in this specification in addition to the operations of the tomographic imaging device described with reference to FIG. 11 above.

도 11의 단층 촬영 장치는 도 12의 양자 상태 단층 촬영 처리부(2031)에 적용될 수 있다. The tomography apparatus of FIG. 11 can be applied to the quantum state tomography processing unit 2031 of FIG. 12.

본 명세서에서는 최대 잡음이 있는 탈분극 채널에서의 QST를 살펴보았다. 본 명세서에서는 최대 잡음 채널에서 QST가 가능하도록 양자 스위치(quantum switch)을 적용하였다. 본 명세서에서 설명한 바와 같이, 양자 전환 배열로 큐비트를 전송하는 것이 고전적인 궤도를 통해 전송하는 것보다 더 정확한 양자 상태 추정을 제공한다. 다시 말해, 본 발명은 최대 잠음이 있는 탈분극 양자 채널에서 정확한 양자 상태 단층 촬영을 수행할 수 있다.In this specification, we look at QST in a depolarizing channel with maximum noise. In this specification, a quantum switch was applied to enable QST in the maximum noise channel. As described herein, transmitting qubits in a quantum switching array provides more accurate quantum state estimates than transmitting them via classical orbitals. In other words, the present invention can perform accurate quantum state tomography in a depolarized quantum channel with maximum silencing.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 단층 촬영 장치의 블록도이다.Figure 11 is a block diagram of a tomographic imaging device according to an embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 단층 촬영 장치(1100)는 제어 큐비트에 의해 제어되고 추정될 양자 상태를 수신하는 양자 스위치부(1110)와, 양자 스위치부(1110)에서 출력되는 상태에 양자 상태 단층 촬영을 수행하는 단층 촬영부(1120)와, 단층 촬영부(1120)의 출력 및 대수학에 기반하여 초기 상태를 추정하는 추정부(1130)를 포함하며, 최대 잡음 채널에서도 양자 상태 촬영이 수행될 수 있다. Referring to FIG. 11, the tomography apparatus 1100 according to an embodiment of the present invention includes a quantum switch unit 1110 that is controlled by a control qubit and receives a quantum state to be estimated, and a quantum switch unit 1110. It includes a tomography unit 1120 that performs quantum state tomography on the output state, and an estimation unit 1130 that estimates the initial state based on the output of the tomography unit 1120 and algebra, even in the maximum noise channel. Quantum state imaging can be performed.

그리고/또는, 양자 스위치부(1110)는 양자 채널을 결합할 수 있다.And/or, the quantum switch unit 1110 may combine quantum channels.

그리고/또는, 단층 촬영은 선형 회귀 추정에 기반할 수 있다.And/or, tomography may be based on linear regression estimation.

그리고/또는, 최대 잡음 채널은 무한 인과 순서(Indefinite Causal Order, ICO)로 설정될 수 있다.And/or, the maximum noise channel can be set to Indefinite Causal Order (ICO).

그리고/또는, 최대 잡음 채널은 양자 탈분극 채널일 수 있다.And/or, the maximum noise channel may be a quantum depolarization channel.

다른 일실시예에 따라, 단층 촬영 장치(1100)는 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하고, 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하며, 양자 스위치에서 출력되는 상태의 예측에서 대수학을 수행하여 초기 상태를 추정함에 따라 최대 잡음 탈분극 양자 채널에서 양자 상태 단층 촬영 정확도를 향상시킬 수 있다.According to another embodiment, the tomography device 1100 transmits the quantum state to be estimated to the quantum switch, performs quantum state tomography in the state output from the quantum switch, and uses algebra in predicting the state output from the quantum switch. By performing , the quantum state tomography accuracy can be improved in the maximum noise depolarization quantum channel by estimating the initial state.

다른 일실시예에 따라, 단층 촬영 장치(1100)는 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하고, 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하며, 양자 스위치에서 출력되는 상태의 예측에서 대수학을 수행하여 초기 상태를 추정함으로써, 채널 잡음이 최대인 경우에도 양자 상태 단층 촬영을 수행할 수 있다.According to another embodiment, the tomography device 1100 transmits the quantum state to be estimated to the quantum switch, performs quantum state tomography in the state output from the quantum switch, and uses algebra in predicting the state output from the quantum switch. By performing to estimate the initial state, quantum state tomography can be performed even when the channel noise is maximum.

그리고/또는, 양자 상태는 최대 잡음 탈분극 양자 채널로 전송되면 최대한으로 혼합된 상태로 변환하면서 양자 상태 단층 촬영을 수행할 수 없게 된다. 채널 잡음이 최대인 경우에도 일실시 예에 따른 양자 상태 단층 촬영 장치는 먼저, 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하고, 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하며, 양자 스위치에서 출력되는 상태의 예측에서 대수학을 수행하여 초기 상태를 추정할 수 있다.And/or, when the quantum state is transmitted in a maximally noisy depolarizing quantum channel, it transforms into a maximally mixed state, making it impossible to perform quantum state tomography. Even when the channel noise is maximum, the quantum state tomography device according to one embodiment first transmits the quantum state to be estimated to the quantum switch, performs quantum state tomography in the state output from the quantum switch, and outputs from the quantum switch. The initial state can be estimated by performing algebra on the prediction of the resulting state.

도 11을 참조하여 설명한 단층 촬영 장치의 동작은 이에 한정되지 않으며, 이외 본 명세서에서 설명된 모든 또는 일부 동작들이 단층 촬영 장치에 의해 수행될 수 있다.The operations of the tomography apparatus described with reference to FIG. 11 are not limited to this, and all or some of the operations described in this specification may be performed by the tomography apparatus.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 양자정보기술 통합 시스템을 나타내는 도면이다. Figure 12 is a diagram showing a quantum information technology integrated system according to an embodiment of the present invention.

도 12를 참조하면, 양자 통신 플랫폼(2010), 양자 컴퓨팅 플랫폼(2020), 양자 관측 및 분석 플랫폼(2030), 플랫폼 제어부(2040) 및 플랫폼 인터페이스부(2050)을 포함한다. Referring to FIG. 12, it includes a quantum communication platform (2010), a quantum computing platform (2020), a quantum observation and analysis platform (2030), a platform control unit (2040), and a platform interface unit (2050).

양자 통신 플랫폼(2010)은 양자통신 및 양자정보통신과 관련된 요소 기술의 구현 및 실험을 제공하는 플랫폼이다. Quantum Communication Platform (2010) is a platform that provides implementation and experimentation of element technologies related to quantum communication and quantum information communication.

양자 통신 플랫폼(2010)은 양자 키 분배(quantum key distribution: QKD)를 통해 보안된 통신을 수행하는 양자 키 분배 처리부(2011), 채널에 입자가 존재하지 않는 무-입자(particle-free) 정보전송과 새로운 형태의 전 이중(full-duplex) 정보전송 및 익명-원격계산(blind tele-computation) 등을 수행하는 반사실 양자 통신 처리부(2013), 차세대이동통신에 양자 통신을 적용하는 경우 무선자원 관리를 수행하는 무선 자원 관리 처리부(2015) 및 네트워크 간섭 제어를 수행하는 네트워크 간섭 제어 처리부(2017)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 반사실 양자통신 처리부(2013)는 제1 단말(Alice), 제2 단말(Bob) 및 제3 단말(Charlie) 중 적어도 어느 하나의 역할을 수행할 수 있다.Quantum communication platform (2010) is a quantum key distribution processor (2011) that performs secure communication through quantum key distribution (QKD), particle-free information transmission in which no particles exist in the channel. and a counterfactual quantum communication processing unit (2013) that performs a new form of full-duplex information transmission and blind tele-computation, and radio resource management when applying quantum communication to next-generation mobile communication. It may include a radio resource management processing unit 2015 that performs and a network interference control processing unit 2017 that performs network interference control. For example, the counterfactual quantum communication processing unit 2013 may perform the role of at least one of the first terminal (Alice), the second terminal (Bob), and the third terminal (Charlie).

양자 컴퓨팅 플랫폼(2020)은 양자 알고리즘을 기반으로 기하급수적으로 빠른 병렬게산이 가능한 양자컴퓨터의 실용화를 위한 요소 기술의 구현 및 실험을 제공하는 플랫폼이다. The Quantum Computing Platform (2020) is a platform that provides implementation and experiments of element technologies for the practical use of quantum computers capable of exponentially fast parallel calculations based on quantum algorithms.

양자 컴퓨팅 플랫폼(2020)은 잡음중규모양자(noisy intermediate-scale quantum: NISQ) 장치를 위해 특별 히 설계된 변형 양자알고리즘(variational quantum algorithm: VQA)을 제공하는 변형 양자 알고리즘 처리부(2021), Grover 검색 알고리즘 또는 양자 카운팅 알고리즘과 같은 양자 검색 알고리즘(quantum search algorithm: QSA)을 제공하는 양자 검색 알고리즘 처리부(2023) 및 다체(multi-body) Hamiltonian의 양자강화학습(quantum reinforcement learning)과 같은 양자머신러닝(quantum machine learning: QML) 기술을 제공하는 양자 머신 러닝 처리부(2025)을 포함할 수 있다. The quantum computing platform (2020) includes a variant quantum algorithm processor (2021) that provides a variational quantum algorithm (VQA) specifically designed for noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices, the Grover search algorithm or Quantum search algorithm processing unit (2023) that provides a quantum search algorithm (QSA) such as a quantum counting algorithm and quantum machine learning such as quantum reinforcement learning of a multi-body Hamiltonian It may include a quantum machine learning processing unit (2025) that provides learning: QML) technology.

양자 관측 및 분석 플랫폼(2030)은 양자 측정 및 양자 시뮬레이션을 지원하고, 양자 결맞음(coherence) 및 얽힘(entanglement)과 같은 실제 입자의 양자특성을 직접 활용하기 때문에 고전 컴퓨터에서 모의실험하기 어려운 문제를 해결하기 위한 플랫폼이다. The Quantum Observation and Analysis Platform (2030) supports quantum measurements and quantum simulations and directly utilizes the quantum properties of real particles, such as quantum coherence and entanglement, solving problems that are difficult to simulate on classical computers. It is a platform for doing this.

양자 관측 및 분석 플랫폼(2030)은 양자 상태 단층 촬영을 제공하는 양자 상태 단층 촬영 처리부(2031), 양자 상태 측정을 지원하는 양자 상태 측정 처리부(2033), 큐빗 측정 및 실험을 위한 양자 상관 측정을 지원하는 양자 상관 측정 처리부(2035) 및 모의실험을 위한 텐서 네트워크 및 Hamiltonian 기반 양자시뮬레이션을 지원하는 텐서 네트워크 실험 처리부(2037)을 포함한다. The quantum observation and analysis platform (2030) includes a quantum state tomography processor (2031) that provides quantum state tomography, a quantum state measurement processor (2033) that supports quantum state measurements, and quantum correlation measurements for qubit measurements and experiments. It includes a quantum correlation measurement processing unit 2035 and a tensor network experiment processing unit 2037 supporting tensor network and Hamiltonian-based quantum simulation for simulation.

플랫폼 제어부(240)은 양자 통신 플랫폼(2010), 양자 컴퓨팅 플랫폼(2020) 및 양자 관측 및 분석 플랫폼(2030)에서 수행된 내역 및 측정 결과를 저장하고, 어느 하나의 플랫폼에서 다른 플랫폼의 구성요소의 사용이 필요할 때 이를 연결해 주는 동작을 수행할 수 있다. The platform control unit 240 stores the history and measurement results performed on the quantum communication platform (2010), the quantum computing platform (2020), and the quantum observation and analysis platform (2030), and controls the components of the other platform from any one platform. When you need to use it, you can perform an action to connect it.

예를 들어, 양자 통신 플랫폼(2010)의 반사실 양자 통신 처리부(2013)에서 벨 측정이 필요한 경우 벨 측정은 양자 관측 및 분석 플랫폼(2030)의 양자 상태 측정 처리부(2033) 또는 양자 상관 측정 처리부(2035)에서 수행될 수 도 있다. For example, if a Bell measurement is required in the counterfactual quantum communication processing unit (2013) of the quantum communication platform (2010), the Bell measurement is performed in the quantum state measurement processing unit (2033) or the quantum correlation measurement processing unit (2033) of the quantum observation and analysis platform (2030). 2035).

플랫폼 인터페이스부(2050)는 사용자 또는 실험자가 각 플랫폼에 접속할 수 있는 컴퓨터 장치일 수 있다. 예를 들어, 사용자는 플랫폼 인터페이스부(2050)를 통해 양자 관측 및 분석 플랫폼(2030)에 접속하여 원하는 양자 시뮬레이션을 실행할 수 있다. The platform interface unit 2050 may be a computer device that allows a user or experimenter to access each platform. For example, a user can access the quantum observation and analysis platform 2030 through the platform interface unit 2050 and run a desired quantum simulation.

예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 양자정보기술 통합 시스템은 제1단계 내지 제5단계를 수행하는 반사실 양자 통신 처리부를 포함하는 양자 통신 플랫폼 및 도 9 내지 도 11에서 설명된 동작을 수행하는 양자 상태 단층 촬영 처리부를 포함하는 양자 관측 및 분석 플랫폼을 포함할 수 있다. For example, the quantum information technology integrated system according to an embodiment of the present invention performs the operations described in Figures 9 to 11 and a quantum communication platform including a counterfactual quantum communication processing unit that performs the first to fifth steps. It may include a quantum observation and analysis platform including a quantum state tomography processing unit.

양자정보기술은 통신, 알고리즘 및 시뮬레이션 기술 분야와 융합되어 네트워크 보안, 무선자 원 관리, 채널추정, 네트워크 간섭관리 등 차세대이동통신의 한계를 극복하기 위한 방향으로 지속적으로 연구가 진행되고 있다. 따라서, 양자 통신 플랫폼(2010), 양자 컴퓨팅 플랫폼(2020) 및 양자 관측 및 분석 플랫폼(2030) 각각에 포함되는 구성요소는 각 기술의 발전 및 출현에 따라 대체되거나 개량될 수 있다. Quantum information technology is converging with the fields of communication, algorithms, and simulation technologies, and research is ongoing to overcome the limitations of next-generation mobile communications, such as network security, wireless resource management, channel estimation, and network interference management. Accordingly, the components included in each of the quantum communication platform (2010), the quantum computing platform (2020), and the quantum observation and analysis platform (2030) may be replaced or improved according to the development and emergence of each technology.

예를 들어, 양자 키 분배 처리부(2011)는 차세대이동통신 시스템의 보안계층에 융합되기 위한 기술을 제공하기 위하여 개량될 수 있다. For example, the quantum key distribution processor 2011 can be improved to provide technology for integration into the security layer of the next-generation mobile communication system.

예를 들어, 지능형 네트워크 기능을 요구하는 차세대이동통신 시스템의 간섭 관리에 활용하기 위하여 양자 통신 플랫폼(2010)의 각 구성요소는 개량될 수 있다.For example, each component of the quantum communication platform (2010) can be improved for use in interference management of next-generation mobile communication systems that require intelligent network functions.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 영역, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described with limited drawings as described above, various modifications and variations can be made by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, area, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the claims described below.

100: 양자 상태 분류 장치
110: 데이터 세트 생성부 120: 분류기 훈련부
130: 분류기 평가부 140: 양자 상태 분류부
100: Quantum state classification device
110: Data set generation unit 120: Classifier training unit
130: Classifier evaluation unit 140: Quantum state classification unit

Claims (12)

큐비트(Qubit) 상태와 관련된 훈련 데이터 세트 및 평가 데이터 세트를 생성하는 데이터 세트 생성부;
상기 생성된 훈련 데이터 세트를 이용하여 복수의 분류기를 훈련하는 분류기 훈련부;
상기 생성된 평가 데이터 세트에 기반하여 상기 훈련된 복수의 분류기에 대한 분류 정확도의 중위수(median) 및 사분위수 범위(interquartile range)를 계산하고, 상기 계산된 분류 정확도에 기반하여 상기 복수의 분류기를 평가하는 분류기 평가부; 및
상기 계산된 분류 정확도에 기반하여 상기 복수의 분류기 중 어느 하나의 분류기를 이용하여 큐비트 상태를 얽힘 상태(entangled state) 및 분리 가능한 상태(separatable state)로 분류하는 양자 상태 분류부를 포함하는 것을 특징으로 하는
양자 상태 분류 장치.
A data set generator that generates a training data set and an evaluation data set related to the qubit state;
a classifier training unit that trains a plurality of classifiers using the generated training data set;
Calculate the median and interquartile range of classification accuracy for the plurality of trained classifiers based on the generated evaluation data set, and evaluate the plurality of classifiers based on the calculated classification accuracy. a classifier evaluation unit; and
Characterized by comprising a quantum state classification unit that classifies the qubit state into an entangled state and a separable state using any one of the plurality of classifiers based on the calculated classification accuracy. doing
Quantum state classification device.
제1항에 있어서,
상기 데이터 세트 생성부는 펄스 레벨 제어(pulse level control)에 기반하여 상기 큐비트(Qubit) 상태에 대하여 그라운드 상태(ground state), 여기 상태(excited state) 및 혼합 상태를 추정하고, 상기 추정된 그라운드 상태(ground state), 여기 상태(excited state) 및 혼합 상태를 무작위로 혼합(shuffle)하여 일 대일 비율로 상기 훈련 데이터 세트 및 상기 평가 데이터 세트를 생성하는 것을 특징으로 하는
양자 상태 분류 장치.
According to paragraph 1,
The data set generator estimates a ground state, an excited state, and a mixed state for the qubit state based on pulse level control, and the estimated ground state Characterized in generating the training data set and the evaluation data set in a one-to-one ratio by randomly shuffling the ground state, excited state, and mixed state.
Quantum state classification device.
제1항에 있어서,
상기 복수의 분류기는, LDA(linear discriminant analysis) 기반 분류기, SVM(support vector machine) 기반 분류기, KNN(k-nearest neighbor) 기반 분류기, NNet(neural network) 기반 분류기 및 ANN(artificial neural network) 기반 분류기를 포함하는 것을 특징으로 하는
양자 상태 분류 장치.
According to paragraph 1,
The plurality of classifiers include a linear discriminant analysis (LDA)-based classifier, a support vector machine (SVM)-based classifier, a k-nearest neighbor (KNN)-based classifier, a neural network (NNet)-based classifier, and an artificial neural network (ANN)-based classifier. Characterized by including
Quantum state classification device.
제3항에 있어서,
상기 분류기 훈련부는 벨(Bell) 또는 CHSH(Clauser-Horne-Shimony-Holt) 부등식(inequality) 값을 상기 생성된 훈련 데이터 세트의 특징 벡터로 사용하여 상기 ANN(artificial neural network) 기반 분류기를 훈련하는 것을 특징으로 하는
양자 상태 분류 장치.
According to paragraph 3,
The classifier training unit trains the ANN (artificial neural network)-based classifier using Bell or CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt) inequality values as feature vectors of the generated training data set. characterized by
Quantum state classification device.
제4항에 있어서,
상기 특징 벡터는 큐비트의 부분 정보로서 인공 신경망(artificial neural network)에 의해 가중치로 연산 되고, 벨 연산자 또는 CHSH 연산자의 얽힘 상태(entangled state) 탐지의 범위를 임의의 상태로 일반화하는 것을 특징으로 하는
양자 상태 분류 장치.
According to clause 4,
The feature vector is partial information of the qubit and is calculated as a weight by an artificial neural network, and the range of entangled state detection of the Bell operator or CHSH operator is generalized to an arbitrary state.
Quantum state classification device.
제5항에 있어서,
상기 인공 신경망은 선형 최적화 및 비선형 최적화 중 어느 하나로 구축되고, 상기 비선형 최적화로 구축되는 경우에 은닉층의 뉴런 수가 증가함에 따라 분류 정확도가 증가하는 것을 특징으로 하는
양자 상태 분류 장치.
According to clause 5,
The artificial neural network is constructed using either linear optimization or non-linear optimization, and when constructed using non-linear optimization, classification accuracy increases as the number of neurons in the hidden layer increases.
Quantum state classification device.
제1항에 있어서,
상기 분류기 평가부는 상기 복수의 분류기 각각에 대하여 펄스 수준에서 큐비트 읽기 데이터를 분류하는 상기 분류 정확도와 관련하여 상기 중위수 및 상기 사분위수 범위를 계산하여 분류기의 성능들을 결정하고, 상기 결정된 분류기의 성능들을 상호 비교하여 상기 복수의 분류기를 평가하는 것을 특징으로 하는
양자 상태 분류 장치.
According to paragraph 1,
The classifier evaluation unit determines the performance of the classifier by calculating the median and the interquartile range in relation to the classification accuracy for classifying qubit read data at the pulse level for each of the plurality of classifiers, and determines the performance of the determined classifier. Characterized by evaluating the plurality of classifiers by comparing them with each other
Quantum state classification device.
데이터 세트 생성부에서, 큐비트(Qubit) 상태와 관련된 훈련 데이터 세트 및 평가 데이터 세트를 생성하는 단계;
분류기 훈련부에서, 상기 생성된 훈련 데이터 세트를 이용하여 복수의 분류기를 훈련하는 단계;
분류기 평가부에서, 상기 생성된 평가 데이터 세트에 기반하여 상기 훈련된 복수의 분류기에 대한 분류 정확도의 중위수(median) 및 사분위수 범위(interquartile range)를 계산하고, 상기 계산된 분류 정확도에 기반하여 상기 복수의 분류기를 평가하는 단계; 및
양자 상태 분류부에서, 상기 계산된 분류 정확도에 기반하여 상기 복수의 분류기 중 어느 하나의 분류기를 이용하여 큐비트 상태를 얽힘 상태(entangled state) 및 분리 가능한 상태(separatable state)로 분류하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
양자 상태 분류 방법.
Generating, in a data set generator, a training data set and an evaluation data set related to qubit states;
In a classifier training unit, training a plurality of classifiers using the generated training data set;
In the classifier evaluation unit, the median and interquartile range of classification accuracy for the plurality of trained classifiers are calculated based on the generated evaluation data set, and the median and interquartile range are calculated based on the calculated classification accuracy. evaluating a plurality of classifiers; and
In a quantum state classification unit, classifying the qubit state into an entangled state and a separable state using any one of the plurality of classifiers based on the calculated classification accuracy. characterized by
Quantum state classification method.
제8항에 있어서,
상기 큐비트(Qubit) 상태와 관련된 훈련 데이터 세트 및 평가 데이터 세트를 생성하는 단계는,
펄스 레벨 제어(pulse level control)에 기반하여 상기 큐비트(Qubit) 상태에 대하여 그라운드 상태(ground state), 여기 상태(excited state) 및 혼합 상태를 추정하고, 상기 추정된 그라운드 상태(ground state), 여기 상태(excited state) 및 혼합 상태를 무작위로 혼합(shuffle)하여 일 대일 비율로 상기 훈련 데이터 세트 및 상기 평가 데이터 세트를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
양자 상태 분류 방법.
According to clause 8,
The step of generating a training data set and an evaluation data set related to the qubit state,
Based on pulse level control, the ground state, excited state, and mixed state are estimated for the qubit state, and the estimated ground state, Characterized by generating the training data set and the evaluation data set in a one-to-one ratio by randomly shuffling excited states and mixed states.
Quantum state classification method.
제8항에 있어서,
상기 복수의 분류기는, LDA(linear discriminant analysis) 기반 분류기, SVM(support vector machine) 기반 분류기, KNN(k-nearest neighbor) 기반 분류기, NNet(neural network) 기반 분류기 및 ANN(artificial neural network) 기반 분류기를 포함하는 것을 특징으로 하는
양자 상태 분류 방법.
According to clause 8,
The plurality of classifiers include a linear discriminant analysis (LDA)-based classifier, a support vector machine (SVM)-based classifier, a k-nearest neighbor (KNN)-based classifier, a neural network (NNet)-based classifier, and an artificial neural network (ANN)-based classifier. Characterized by including
Quantum state classification method.
제10항에 있어서,
상기 생성된 훈련 데이터 세트를 이용하여 복수의 분류기를 훈련하는 단계는,
벨(Bell) 또는 CHSH(Clauser-Horne-Shimony-Holt) 부등식(inequality) 값을 상기 생성된 훈련 데이터 세트의 특징 벡터로 사용하여 상기 ANN(artificial neural network) 기반 분류기를 훈련하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
양자 상태 분류 방법.
According to clause 10,
The step of training a plurality of classifiers using the generated training data set is,
Comprising the step of training the ANN (artificial neural network)-based classifier using Bell or CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt) inequality values as feature vectors of the generated training data set. characterized by
Quantum state classification method.
제8항에 있어서,
상기 생성된 평가 데이터 세트에 기반하여 상기 훈련된 복수의 분류기에 대한 분류 정확도의 중위수(median) 및 사분위수 범위(interquartile range)를 계산하고, 상기 계산된 분류 정확도에 기반하여 상기 복수의 분류기를 평가하는 단계는,
상기 복수의 분류기 각각에 대하여 펄스 수준에서 큐비트 읽기 데이터를 분류하는 상기 분류 정확도와 관련하여 상기 중위수 및 상기 사분위수 범위를 계산하여 분류기의 성능들을 결정하고, 상기 결정된 분류기의 성능들을 상호 비교하여 상기 복수의 분류기를 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
양자 상태 분류 방법.
According to clause 8,
Calculate the median and interquartile range of classification accuracy for the plurality of trained classifiers based on the generated evaluation data set, and evaluate the plurality of classifiers based on the calculated classification accuracy. The steps are:
For each of the plurality of classifiers, the median and the interquartile range are calculated in relation to the classification accuracy for classifying qubit read data at the pulse level to determine the performance of the classifiers, and the performances of the determined classifiers are compared with each other to determine the median and the interquartile range. Characterized by comprising the step of evaluating a plurality of classifiers
Quantum state classification method.
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KR20210084222A (en) 2019-12-27 2021-07-07 인텔 코포레이션 Apparatus and method for quantized convergent direction-based ray sorting
KR20220040460A (en) 2019-08-06 2022-03-30 마이크로소프트 테크놀로지 라이센싱, 엘엘씨 Pipelined Hardware Decoders for Quantum Computing Devices
KR20220047128A (en) 2020-10-08 2022-04-15 한국과학기술원 Method for mitigating an error of quantum circuit and apparatus thereof

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Title
미국공개특허 제2021/0398007호, "QUANTUM PROCESSING SYSTEM"

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