CN111882069A

CN111882069A - 单量子比特相对相位的判断方法、装置、设备及存储介质

Info

Publication number: CN111882069A
Application number: CN202010732166.8A
Authority: CN
Inventors: 刘幼航; 刘强; 金长新
Original assignee: Jinan Inspur Hi Tech Investment and Development Co Ltd
Current assignee: Shandong Inspur Science Research Institute Co Ltd
Priority date: 2020-07-27
Filing date: 2020-07-27
Publication date: 2020-11-03
Anticipated expiration: 2040-07-27
Also published as: CN111882069B

Abstract

本申请公开了一种单量子比特相对相位的判断方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：通过绕z轴旋转第一设定角度，对Bloch球上的相位门进行第一扫描；在每个扫描点上，通过绕y轴旋转第二设定角度进行第二扫描；当相位门将量子比特态矢旋转到(+x，z)半平面中时，以第一扫描范围和第二扫描范围为轴，画出热度图，从热度图中测量得到|1>态的概率最高点；采用2π减去概率最高点对应的相位门的相位角，计算得到单量子比特的相对相位角。本申请将寻找单量子比特纯态相对相位的问题转换成利用什么角度的相位门能将比特态矢旋转到(+x，z)半平面中，整个判断过程简单直观。

Description

单量子比特相对相位的判断方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及量子计算技术领域，特别是涉及一种单量子比特相对相位的判断方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

1965年，戈登摩尔提出了著名的摩尔定律。他指出，每平方毫米集成电路芯片上所容纳的晶体管数目，每18个月就会翻一倍。但是，随着晶体管尺寸越做越小，将会面对量子极限问题，从而导致摩尔定律的失效，经典计算机计算能力的提升也将越来越困难。量子计算是解决这一问题的潜在技术。

与经典计算里基于电平高低来表示二进制中一个比特的0和1不同，量子计算中常常基于各类二能级系统来表示量子比特的|0>或|1>(此处采用狄拉克符号表示方法)。并且，由于量子力学的态叠加原理，单个量子比特可以处于形如a|0>+b|1>的叠加态，式中a和b称为概率幅，均为复数形式。由于量子比特的全局相位不存在物理观测效应，因此，可以将量子比特纯态的一般形式写为

其中c和d均为实数，单量子比特的相对相位体现在了e指数项上。

单量子比特的一般纯态写为

由于c²+d²＝1，因此，如图1所示，单量子比特的纯态可以用由三维坐标系中的原点指向单位球面(Bloch球)上的单位矢量来表示，并且不失一般性，单量子比特的纯态可以写为

对量子比特进行测量，将有(cosθ)²的概率测得|0>态，(sinθ)²的概率测得|1>态，也就是说，测量结果只与θ有关。由于对量子比特的测量是向计算基矢的投影过程，测量后量子比特将会有概率地塌缩到计算基矢其中之一的状态，因此无法从测量结果直接测量得到量子比特的相对相位

的信息。但是，此相位信息是量子态有别于经典状态的基础，也是实现量子纠错和量子傅里叶变换算法的条件，寻找一种能够简单地判断被测状态相位角的方法尤为重要。传统的相位角判断方法为量子态层析，但是通过量子态层析准确地判断相位角大小依赖于高精度的量子比特测控与读取，并且量子态层析需要求解超定方程，由于控制和测量误差的引入一般无法获得该超定方程的解析解。

因此，如何简单地判断单量子比特相对相位大小，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单量子比特相对相位的判断方法、装置、设备及存储介质，可以简便直观的判断出单量子比特的相对相位。其具体方案如下：

一种单量子比特相对相位的判断方法，包括：

通过绕z轴旋转第一设定角度，对Bloch球上的相位门进行第一扫描；

在每个扫描点上，通过绕y轴旋转第二设定角度进行第二扫描；

当相位门将量子比特态矢旋转到(+x，z)半平面中时，以第一扫描范围和第二扫描范围为轴，画出热度图，从所述热度图中测量得到|1>态的概率最高点；

采用2π减去所述概率最高点对应的相位门的相位角，计算得到单量子比特的相对相位角。

优选地，在本发明实施例提供的上述单量子比特相对相位的判断方法中，通过绕z轴旋转第一设定角度，对Bloch球上的相位门进行第一扫描，具体包括：

把单量子比特对应的第一态矢绕z轴沿逆时针方向旋转第一设定角度至第二态矢，对Bloch球上的相位门进行第一扫描；

在改变所述第一设定角度的同时，重复第一扫描操作。

优选地，在本发明实施例提供的上述单量子比特相对相位的判断方法中，在每个扫描点上，通过绕y轴旋转第二设定角度进行第二扫描，具体包括：

在对每一个相位门扫描后，把目标态矢绕y轴旋转第二设定角度至第三态矢进行第二扫描；

在改变所述第二设定角度的同时，重复第二扫描操作。

优选地，在本发明实施例提供的上述单量子比特相对相位的判断方法中，当且仅当相位门恰好将量子比特态矢旋转到(+x，z)半平面中时，第二扫描将量子比特态矢旋转到|1>态上。

优选地，在本发明实施例提供的上述单量子比特相对相位的判断方法中，所述第一设定角度的调节范围为[0,2π]；所述第二设定角度的调节范围为[0,π]。

本发明实施例还提供了一种单量子比特相对相位的判断装置，包括：

第一扫描模块，用于通过绕z轴旋转第一设定角度，对Bloch球上的相位门进行第一扫描；

第二扫描模块，用于在每个扫描点上，通过绕y轴旋转第二设定角度进行第二扫描；

热度图制作模块，用于当相位门将量子比特态矢旋转到(+x，z)半平面中时，以第一扫描范围和第二扫描范围为轴，画出热度图，从所述热度图中测量得到|1>态的概率最高点；

相位角计算模块，用于采用2π减去所述概率最高点对应的相位门的相位角，计算得到单量子比特的相对相位角。

优选地，在本发明实施例提供的上述单量子比特相对相位的判断装置中，所述第一扫描模块，具体用于把单量子比特对应的第一态矢绕z轴沿逆时针方向旋转第一设定角度至第二态矢，对Bloch球上的相位门进行第一扫描；在改变所述第一设定角度的同时，重复第一扫描操作。

优选地，在本发明实施例提供的上述单量子比特相对相位的判断装置中，所述第二扫描模块，具体用于在对每一个相位门扫描后，把目标态矢绕y轴旋转第二设定角度至第三态矢进行第二扫描；在改变所述第二设定角度的同时，重复第二扫描操作。

本发明实施例还提供了一种单量子比特相对相位的判断设备，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如本发明实施例提供的上述单量子比特相对相位的判断方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例提供的上述单量子比特相对相位的判断方法。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种单量子比特相对相位的判断方法、装置、设备及存储介质，包括：通过绕z轴旋转第一设定角度，对Bloch球上的相位门进行第一扫描；在每个扫描点上，通过绕y轴旋转第二设定角度进行第二扫描；当相位门将量子比特态矢旋转到(+x，z)半平面中时，以第一扫描范围和第二扫描范围为轴，画出热度图，从热度图中测量得到|1>态的概率最高点；采用2π减去概率最高点对应的相位门的相位角，计算得到单量子比特的相对相位角。

本发明将寻找单量子比特纯态相对相位的问题转换成利用什么角度的相位门能将比特态矢旋转到(+x，z)半平面中，具体通过扫描[0,2π]的相位门和[0,π]的Ry门画出热度图，寻找能够测量得到|0>态概率最大的点，用2π减去其对应的相位门角度即为所要寻找的相位角，整个过程简单直观。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有的单量子比特矢的状态示意图；

图2为本发明实施例提供的单量子比特相对相位的判断方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的应用Rz(α)后的单量子比特态矢可能的状态示意图；

图4为本发明实施例提供的应用Ry(α)后的单量子比特态矢可能的状态示意图；

图5为本发明实施例提供的热度图示意图；

图6为本发明实施例提供的单量子比特相对相位的判断装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种单量子比特相对相位的判断方法，如图2所示，包括以下步骤：

S201、通过绕z轴旋转第一设定角度，对Bloch球上的相位门进行第一扫描；

需要说明的是，任意的单量子比特纯态都能用三维坐标系中球心指向Bloch球面上的态矢表示，寻找单量子比特纯态相对相位的问题就转换为了利用什么角度的相位门能将比特态矢旋转到(+x，z)半平面(即(x,z)平面内的+x方向)中；在此，可以以一定步长对相位门扫描；第一设定角度的调节范围可以设置为[0,2π]；

S202、在每个扫描点上，通过绕y轴旋转第二设定角度进行第二扫描；

在实际应用中，在每个扫描点上，利用绕Y轴某些特定角度的旋转对其扫描，这些角度可以为[0,π]内以某些步长的扫描值，即第二设定角度的调节范围可以设置为[0,π]；

S203、当相位门将量子比特态矢旋转到(+x，z)半平面中时，以第一扫描范围和第二扫描范围为轴，画出热度图，从热度图中测量得到|1>态的概率最高点；

S204、采用2π减去概率最高点对应的相位门的相位角，计算得到单量子比特的相对相位角；

可以理解的是，由于相位门旋转方向为逆时针旋转，而比特的相位角定义为比特态矢在XY平面内的投影与X轴正方向的夹角，因此比特的相位角为2π减去上述相位门所对应的相位值。

在本发明实施例提供的上述单量子比特相对相位的判断方法中，将寻找单量子比特纯态相对相位的问题转换成利用什么角度的相位门能将比特态矢旋转到(+x，z)半平面中，具体通过扫描[0,2π]的相位门和[0,π]的Ry门画出热度图，寻找能够测量得到|0>态概率最大的点，用2π减去其对应的相位门角度即为所要寻找的相位角，整个过程简单直观。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述单量子比特相对相位的判断方法中，步骤S201通过绕z轴旋转第一设定角度，对Bloch球上的相位门进行第一扫描，具体可以包括：首先，把单量子比特对应的第一态矢绕z轴沿逆时针方向旋转第一设定角度至第二态矢，对Bloch球上的相位门进行第一扫描；然后，在改变第一设定角度的同时，重复第一扫描操作。

具体地，对量子比特应用一个相位门，相位门可写为Rz(α)。如图3所示，首先，在Bloch球上相位门即为把单量子比特P对应的态矢绕z轴沿逆时针方向旋转α角度至态矢P’；然后，在改变α角度的同时重复对初始待测量量子比特应用Rz(α)相位门，其中α调节的范围为[0,2π]，α的调节步长应该尽可能小以保证最终结果的准确度足够高。经过Rz(α)操作后量子比特态矢在Bloch球中可能的状态如图3中的P’所示。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述单量子比特相对相位的判断方法中，步骤S202在每个扫描点上，通过绕y轴旋转第二设定角度进行第二扫描，具体包括：在对每一个相位门扫描后，把目标态矢绕y轴旋转第二设定角度至第三态矢进行第二扫描；在改变第二设定角度的同时，重复第二扫描操作。

具体地，如图4所示，首先，在应用每一个Rz(α)后，都对此时的比特态矢P’应用Ry(β)操作，Ry(β)操作反映在Bloch球上为对目标态矢做绕y轴的旋转，旋转角度为β，旋转后的态矢为P”；然后，在改变β角度的同时重复对S2中应用Rz(α)操作后的P’应用Ry(β)操作，其中β调节的范围为[0,π]，β的调节步长应该尽可能小以保证最终结果的准确度足够高。经过Ry(β)操作后量子比特态矢在Bloch球中可能的状态如图4中的P”所示。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述单量子比特相对相位的判断方法中，当且仅当相位门恰好将量子比特态矢旋转到(+x，z)半平面中时，第二扫描可以将量子比特态矢旋转到|1>态上。由量子力学基本假设可知，此时对量子比特进行测量得到|1>态的概率最大。

因此，在执行步骤S203和步骤S204时，画出经过Rz和Ry扫描的热度图，热度为测量得到|1>态的概率，寻找热度图中测量得到|1>态概率最大所对应Rz(α)，用2π减去α即为所要寻找的相位角

。

以初始状态

为例，图5示出了利用上述相位角判断方法所得到的热度图。由图5中可以看出，测量得到|1>态概率最大点所对应的Rz(α)操作的α角度为9π/5，因此所要寻找的相位角

为2π-9π/5＝π/5。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种单量子比特相对相位的判断装置，由于该判断装置解决问题的原理与前述一种单量子比特相对相位的判断方法相似，因此该判断装置的实施可以参见单量子比特相对相位的判断方法的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的单量子比特相对相位的判断装置，如图6所示，具体包括：

第一扫描模块11，用于通过绕z轴旋转第一设定角度，对Bloch球上的相位门进行第一扫描；

第二扫描模块12，用于在每个扫描点上，通过绕y轴旋转第二设定角度进行第二扫描；

热度图制作模块13，用于当相位门将量子比特态矢旋转到(+x，z)半平面中时，以第一扫描范围和第二扫描范围为轴，画出热度图，从热度图中测量得到|1>态的概率最高点；

相位角计算模块14，用于采用2π减去概率最高点对应的相位门的相位角，计算得到单量子比特的相对相位角。

在本发明实施例提供的上述单量子比特相对相位的判断装置中，可以通过上述四个模块的相互作用，通过扫描[0,2π]的相位门和[0,π]的Ry门画出热度图，寻找能够测量得到|0>态概率最大的点，用2π减去其对应的相位门角度即为所要寻找的相位角，该装置处理的过程简单直观。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述单量子比特相对相位的判断方法中，第一扫描模块11，具体可以用于把单量子比特对应的第一态矢绕z轴沿逆时针方向旋转第一设定角度至第二态矢，对Bloch球上的相位门进行第一扫描；在改变第一设定角度的同时，重复第一扫描操作。其中，第一设定角度的调节范围可以设置为[0,2π]。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述单量子比特相对相位的判断方法中，第二扫描模块12，具体可以用于在对每一个相位门扫描后，把目标态矢绕y轴旋转第二设定角度至第三态矢进行第二扫描；在改变第二设定角度的同时，重复第二扫描操作。其中，第二设定角度的调节范围可以设置为[0,π]。

关于上述各个模块更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。

相应的，本发明实施例还公开了一种单量子比特相对相位的判断设备，包括处理器和存储器；其中，处理器执行存储器中保存的计算机程序时实现前述实施例公开的单量子比特相对相位的判断方法。

关于上述方法更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

进一步的，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；计算机程序被处理器执行时实现前述公开的单量子比特相对相位的判断方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置、设备、存储介质而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

综上，本发明实施例提供的一种单量子比特相对相位的判断方法、装置、设备及存储介质，包括：通过绕z轴旋转第一设定角度，对Bloch球上的相位门进行第一扫描；在每个扫描点上，通过绕y轴旋转第二设定角度进行第二扫描；当相位门将量子比特态矢旋转到(+x，z)半平面中时，以第一扫描范围和第二扫描范围为轴，画出热度图，从热度图中测量得到|1>态的概率最高点；采用2π减去概率最高点对应的相位门的相位角，计算得到单量子比特的相对相位角。本发明将寻找单量子比特纯态相对相位的问题转换成利用什么角度的相位门能将比特态矢旋转到(+x，z)半平面中，具体通过扫描[0,2π]的相位门和[0,π]的Ry门画出热度图，寻找能够测量得到|0>态概率最大的点，用2π减去其对应的相位门角度即为所要寻找的相位角，整个过程简单直观。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的单量子比特相对相位的判断方法、装置、设备及存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种单量子比特相对相位的判断方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的单量子比特相对相位的判断方法，其特征在于，通过绕z轴旋转第一设定角度，对Bloch球上的相位门进行第一扫描，具体包括：

在改变所述第一设定角度的同时，重复第一扫描操作。

3.根据权利要求2所述的单量子比特相对相位的判断方法，其特征在于，在每个扫描点上，通过绕y轴旋转第二设定角度进行第二扫描，具体包括：

在改变所述第二设定角度的同时，重复第二扫描操作。

4.根据权利要求2所述的单量子比特相对相位的判断方法，其特征在于，当且仅当相位门恰好将量子比特态矢旋转到(+x，z)半平面中时，第二扫描将量子比特态矢旋转到|1>态上。

5.根据权利要求4所述的单量子比特相对相位的判断方法，其特征在于，所述第一设定角度的调节范围为[0,2π]；所述第二设定角度的调节范围为[0,π]。

6.一种单量子比特相对相位的判断装置，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的单量子比特相对相位的判断装置，其特征在于，所述第一扫描模块，具体用于把单量子比特对应的第一态矢绕z轴沿逆时针方向旋转第一设定角度至第二态矢，对Bloch球上的相位门进行第一扫描；在改变所述第一设定角度的同时，重复第一扫描操作。

8.根据权利要求7所述的单量子比特相对相位的判断装置，其特征在于，所述第二扫描模块，具体用于在对每一个相位门扫描后，把目标态矢绕y轴旋转第二设定角度至第三态矢进行第二扫描；在改变所述第二设定角度的同时，重复第二扫描操作。

9.一种单量子比特相对相位的判断设备，其特征在于，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述的单量子比特相对相位的判断方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述的单量子比特相对相位的判断方法。