基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法

1.本发明涉及量子计算机技术领域，具体地说，涉及基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法。


背景技术：

2.由于量子计算机具有在某些问题上远超经典计算机的运算能力，因此量子计算机可以为在普通计算机上需要指数时间的某些计算问题提供快速解决方案。但量子比特受到噪声的影响易失去量子特性，量子态的相干叠加性会随着时间的流逝而渐渐消失，导致信息受到影响发生错误，因此保证信息在量子计算机中不被破坏是建造一个成熟量子计算机的必要条件
3.建造量子计算机的主要挑战是量子比特非常脆弱，容易受到噪声的影响，使得物理量子位引起比特翻转或相位翻转错误。在错误信息接收之前需要对其进行检测和纠正。纠正错误信息的挑战是，错误本身无法被检测到，而物理量子位阵列的拓扑中存储逻辑量子位的拓扑码可以。传统量子电路可能由于基本门的不准确性和量子退相干而受到限制。拓扑量子纠错码目前是量子存储器和计算机中最有前途的实现之一。拓扑码被编码为量子比特的二维结构，能保证一个错误不会传播成量子纠错码无法校正的多量子比特错误并且消耗的资源较少具有高效性。克服量子信息在传输过程中退相干现象和传输不准确的影响。然而，目前却没有将拓扑量子纠错码应用于对错误信息传输进行校正的技术，鉴于此，我们提出了基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供了基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法，包括如下步骤：
6.s1、对量子信息进行初始化处理，编码量子位，建立稳定器形式，对量子位进行拓扑排列；
7.s2、利用奇偶校验测量对量子信息传输的错误进行检测；
8.s3、对量子信息传输的错误进行校正；
9.s4、使用双层卷积神经网络模型对量子信息传输的信息进行解码。
10.作为本技术方案的进一步改进，所述s1中，对量子信息进行初始化处理的具体方法包括如下步骤：
11.s1.1、使用相同的三位重复编码对量子位进行编码，并确定代码空间；
12.s1.2、将单位运算符定义为pauli运算符，使用pauli运算符来构建稳定器，方便后期在稳定器形式中定义稳定器代码进行错误校正；
13.s1.3、将已经编码好的量子位信息分布到具有拓扑性质的lxl方形晶格上，由作用
于最邻近的量子位奇偶校验运算符来对代码空间进行错误检测。
14.其中，所述s1.2中，稳定器代码是通过指定两组运算符、一组稳定器生成器和一组编码的逻辑运算符来定义的，而不是直接用码字的状态矢量包来定义。
15.其中，所述s1.3中，由于代码空间的量子位都在二维量子晶格上，因此可以由作用于最邻近的量子位奇偶校验运算符进行错误检测。
16.作为本技术方案的进一步改进，所述s1.1中，编码量子位的具体算法流程包括如下：
17.首先使用相同的三位重复编码对量子位进行编码，具体为：
[0018][0019][0020]
其中，因一个单量子位的纯量子比特状态为|ψ》＝α|0》 β|1》，因此三量子位的量子比特被编码为：
[0021]
|ψ》
l
＝α|000》 β|111》；
[0022]
其中，状态|0》
l
和|1》
l
为码字基础状态，所有三量子位的量子比特编码状态跨越的状态空间为代码空间。
[0023]
其中，任何表示量子状态无错误编码的状态都位于代码空间中。
[0024]
作为本技术方案的进一步改进，所述s2中，利用奇偶校验测量对量子信息传输的错误进行检测的具体方法包括如下步骤：
[0025]
s2.1、测量量子比特相对于计算基础的奇偶校验，即等同于测量量子比特上的可观测其中，偶校验位与 1本征值相关，奇校验位与-1本征值相关；
[0026]
s2.2、在传输正确信息编码状态的任何一对量子位之间进行奇偶校验测量以得到偶校验；
[0027]
s2.3、针对信息传输过程中受到的包括但不限于比特翻转错误、相位翻转错误等噪声影响，得到一个或多个-1的本征值；
[0028]
s2.4、根据以稳定器发生器的测量结果集为校正子的值判断错误发生位置，x或z运算符串根据判断错误发生位置生成多个校正链。
[0029]
其中，所述s2.2中，进行奇偶校验测量时，例如正常传输情况下测量和值时，都将返回 1的特征值。
[0030]
进而，所述s2.4中，当存在相位翻转错误，例如那么其中两个测量值(此处为和)可以得到信息的检测结果为-1；同时，三量子比特量子码稳定器中的算子与用于检测代码中的位翻转错误的算子相同；则三量子比特量子码中同样检测到错误时，将返回一个或多个-1的本征值。
[0031]
作为本技术方案的进一步改进，所述s3中，对量子信息传输的错误进行校正的具体方法包括：
[0032]
首先，在步骤s2中检测到的发生错误的位置处，解码器可见的仅是校正子，即校正子是逻辑量子位所在区域的不同状态之间映射的逻辑操作，具体由环绕环面的x或z运算符
串给出，并分别对应于逻辑位(比特)翻转和相位翻转操作；
[0033]
其次，这些校正子形成校正链，利用解码器消除校正子；
[0034]
进而，若校正链最终形成一个平凡循环，使量子比特返回到原始状态，说明校正成功；否则，若校正链组成缠绕环面的非平凡循环，则已经消除了错误校正子，但是对应于逻辑位翻转来说改变了量子位的状态，即说明校正错误的任务失败。
[0035]
其中，校正子由一组测量结果 1和-1组成，当结果为 1时，准粒子的电荷为0，当结果为-1时，相关的准粒子的电荷为1；无错误代码状态下的z错误会在相邻顶点上创建一对 1带电的准粒子，而与 1准粒子相邻的z错误会将准粒子移动到与该误差相邻的另一个顶点；如果两个准粒子移动到同一个目标区域上，则可以做到校正子的成对消除。
[0036]
作为本技术方案的进一步改进，所述s4中，对量子信息传输的信息进行解码的具体方法包括如下步骤：
[0037]
s4.1、在对抗网络中使用双层卷积神经网络模型，针对校正子找到效果最佳的最优纠错链，直至最终生成平凡环校正链或非平凡环校正链；
[0038]
s4.2、在找到效果最佳的纠错链后，引入双q算法和restnet网络来提高纠错成功率和训练速度。
[0039]
其中，所述s4.1中，寻找最优纠错链意味着经过一系列比特翻转或相位翻转操作(作为动作行为)，最终生成平凡环校正链或非平凡环校正链；当非平凡环的生成意味着系统获得与输出-1的特征值相对应的最小累积奖励时，与系统相对的平凡环的生成获得与输出 1的特征值相对应的最大奖励。
[0040]
作为本技术方案的进一步改进，所述s4.1中，的具体方法包括如下步骤：
[0041]
s4.1.1、以校正子作为主体在状态空间环境中即将执行的下一个动作，并将比特/逻辑位翻转或相位翻转定义为动作值函数；
[0042]
s4.1.2、将状态空间(校正子)输入到卷积神经网络，并给出进一步的校正指令；
[0043]
s4.1.3、经过卷积运算对输出的特征值进行解码，再利用全连接网络进行多层连接，输出多个待纠正的错误链，然后进入双层全连通网络优化最优动作值，两者结合生成最优值动作值函数；
[0044]
s4.1.4、根据算得的最优动作值，近似地找出的最优纠错链，最后以特征向量的形式输出解码，以找到效果更好的最优纠错链。
[0045]
作为本技术方案的进一步改进，所述s4.1.1中，将逻辑位翻转或相位翻转定义为动作值函数的函数表达式为：
[0046]qπ
(s，a)＝e[u
t
|s
t
＝s，a
t
＝a]。
[0047]
作为本技术方案的进一步改进，所述s4.1.3中，卷积运算和全连接网络结合生成的最优值动作值函数的函数表达式为：
[0048][0049]
其中，q(s，a；ω)即为所需得到的对决网络。
[0050]
作为本技术方案的进一步改进，所述s4.2中，引入双q算法的具体算法流程包括如下：
[0051]
首先，采用在双q学习算法中使用对决网络的方法来增加纠错链的翻转比特数量
并降低误码率阈值，双q学习算法ddqn每次都会从代码空间随机取出一个状态空间(校正子)，在解码过程中需要处理校正子来得到四元组的形式表示(状态函数)，在选择ddqn算法的动作执行翻转操作后，通过缓冲池随机抽取样本进行强化学习，会出现新的校正子；
[0052]
再使用sgd最小化真实值和预测值的均方误差；
[0053]
然后使用双q算法对校正子进行多次迭代，向dqn反向传播以获得梯度，可以得到更新和优化梯度下降的翻转次数；
[0054]
其中，在ddqn算法中，预先设置回报率为γ∈(0，1)，通过加权平均来更新cnn网络的参数，得到最佳的校正子从而得到最接近所求的纠错链，其算法表达式为：
[0055]
ω
new
‑←
γ
·
ω
now
(1-γ)
·
ω
now-。
[0056]
本发明的目的之二在于，提供了一种基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法的运行平台装置，包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序，处理器用于执行计算机程序时实现上述的基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法的步骤。
[0057]
本发明的目的之三在于，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法的步骤。
[0058]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0059]
1.该基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法中，采用拓扑性质的量子码编码信息，在这个过程中可以容错的存储量子信息，也易于检测及校正错误信息，同时提高了信息的安全性；
[0060]
2.该基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法与其他的信息传输校正方案相比，除了所需的基础设备，只要增加产生量子态的设备，使用稳定器来描述拓扑码，可以对码的对称性、错误检测测量和校正进行直截了当的分析；
[0061]
3.该基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法中，奇偶校验测量不会揭示编码的量子比特的任何信息，并且使这些测量不会崩溃或以其他方式破坏编码的量子比特编码状态保持不变；
[0062]
4.该基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法中，在对抗网络中使用双层卷积神经网络模型，可以找到效果最佳的纠错链，提高错误校正效果，保证信息通信的正确性；
[0063]
5.该基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法中，在双q学习算法中引入对决网络的方法保证传输效率的同时提高信息传输的高效性和成功率；
[0064]
6.该基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法的整体方案较为简单，所需条件和设备简易，易于在实际应用中实现。
附图说明
[0065]
图1为本发明中信息解码流程示意图；
[0066]
图2为本发明中示例性的电子计算机平台装置结构示意图。
具体实施方式
[0067]
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。
[0068]
实施例1
[0069]
如图1-图2所示，本实施例提供了基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法，包括如下步骤：
[0070]
s1、对量子信息进行初始化处理，编码量子位，建立稳定器形式，对量子位进行拓扑排列；
[0071]
s2、利用奇偶校验测量对量子信息传输的错误进行检测；
[0072]
s3、对量子信息传输的错误进行校正；
[0073]
s4、使用双层卷积神经网络模型对量子信息传输的信息进行解码。
[0074]
本实施例的通信协议主要分为初始化阶段、量子信息传输的错误检测阶段、量子信息传输的错误校正阶段、量子信息传输的解码信息阶段四部分，且需预先假设在信息传输中受到噪声影响后只发生比特翻转和相位翻转，且对于错误的校正方案不唯一。
[0075]
本实施例中，s1中，对量子信息进行初始化处理的具体方法包括如下步骤：
[0076]
s1.1、使用相同的三位重复编码对量子位进行编码，并确定代码空间；
[0077]
s1.2、将单位运算符定义为pauli运算符，使用pauli运算符来构建稳定器，方便后期在稳定器形式中定义稳定器代码进行错误校正；其中，稳定器代码是通过指定两组运算符、一组稳定器生成器和一组编码的逻辑运算符来定义的，而不是直接用码字的状态矢量包来定义；
[0078]
s1.3、将已经编码好的量子位信息分布到具有拓扑性质的lxl方形晶格上，由作用于最邻近的量子位奇偶校验运算符来对代码空间进行错误检测。
[0079]
其中，s1.3中，由于代码空间的量子位都在二维量子晶格上，因此可以由作用于最邻近的量子位奇偶校验运算符进行错误检测。
[0080]
具体地，s1.1中，编码量子位的具体算法流程包括如下：
[0081]
首先使用相同的三位重复编码对量子位进行编码，具体为：
[0082][0083][0084]
其中，因一个单量子位的纯量子比特状态为|ψ》＝α|0》 β|1》，因此三量子位的量子比特被编码为：
[0085]
|ψ》
l
＝α|000》 β|111》；
[0086]
其中，状态|0》
l
和|1》
l
为码字基础状态，所有三量子位的量子比特编码状态跨越的状态空间为代码空间。
[0087]
另外，任何表示量子状态无错误编码的状态都位于代码空间中。
[0088]
本实施例中，s2中，利用奇偶校验测量对量子信息传输的错误进行检测的具体方法包括如下步骤：
[0089]
s2.1、测量量子比特相对于计算基础的奇偶校验，即等同于测量量子比特上的可观测其中，偶校验位与 1本征值相关，奇校验位与-1本征值相关；
[0090]
s2.2、在传输正确信息编码状态的任何一对量子位之间进行奇偶校验测量以得到偶校验；
[0091]
s2.3、针对信息传输过程中受到的包括但不限于比特翻转错误、相位翻转错误等噪声影响，得到一个或多个-1的本征值；
[0092]
s2.4、根据以稳定器发生器的测量结果集为校正子的值判断错误发生位置，x或z运算符串根据判断错误发生位置生成多个校正链。
[0093]
其中，s2.2中，进行奇偶校验测量时，例如正常传输情况下测量和值时，都将返回 1的特征值。
[0094]
进而，s2.4中，当存在相位翻转错误，例如那么其中两个测量值(此处为和)可以得到信息的检测结果为-1；同时，三量子比特量子码稳定器中的算子与用于检测代码中的位翻转错误的算子相同；则三量子比特量子码中同样检测到错误时，将返回一个或多个-1的本征值。
[0095]
本实施例中，s3中，对量子信息传输的错误进行校正的具体方法包括：
[0096]
首先，在步骤s2中检测到的发生错误的位置处，解码器可见的仅是校正子，即校正子是逻辑量子位所在区域的不同状态之间映射的逻辑操作，具体由环绕环面的x或z运算符串给出，并分别对应于逻辑位(比特)翻转和相位翻转操作；
[0097]
其次，这些校正子形成校正链，利用解码器消除校正子；
[0098]
进而，若校正链最终形成一个平凡循环，使量子比特返回到原始状态，说明校正成功；否则，若校正链组成缠绕环面的非平凡循环，则已经消除了错误校正子，但是对应于逻辑位翻转来说改变了量子位的状态，即说明校正错误的任务失败。
[0099]
其中，校正子由一组测量结果 1和-1组成，当结果为 1时，准粒子的电荷为0，当结果为-1时，相关的准粒子的电荷为1；无错误代码状态下的z错误会在相邻顶点上创建一对 1带电的准粒子，而与 1准粒子相邻的z错误会将准粒子移动到与该误差相邻的另一个顶点；如果两个准粒子移动到同一个目标区域上，则可以做到校正子的成对消除。
[0100]
本实施例中，s4中，对量子信息传输的信息进行解码的具体方法包括如下步骤：
[0101]
s4.1、在对抗网络中使用双层卷积神经网络模型，针对校正子找到效果最佳的最优纠错链，直至最终生成平凡环校正链或非平凡环校正链；
[0102]
s4.2、在找到效果最佳的纠错链后，引入双q算法和restnet网络来提高纠错成功率和训练速度。
[0103]
其中，s4.1中，寻找最优纠错链意味着经过一系列比特翻转或相位翻转操作(作为动作行为)，最终生成平凡环校正链或非平凡环校正链；当非平凡环的生成意味着系统获得与输出-1的特征值相对应的最小累积奖励时，与系统相对的平凡环的生成获得与输出 1的特征值相对应的最大奖励。
[0104]
进一步地，s4.1中，的具体方法包括如下步骤：
[0105]
s4.1.1、以校正子作为主体在状态空间环境中即将执行的下一个动作，并将比特/
逻辑位翻转或相位翻转定义为动作值函数；
[0106]
s4.1.2、将状态空间(校正子)输入到卷积神经网络，并给出进一步的校正指令；
[0107]
s4.1.3、经过卷积运算对输出的特征值进行解码，再利用全连接网络进行多层连接，输出多个待纠正的错误链，然后进入双层全连通网络优化最优动作值，两者结合生成最优值动作值函数；
[0108]
s4.1.4、根据算得的最优动作值，近似地找出的最优纠错链，最后以特征向量的形式输出解码，以找到效果更好的最优纠错链。
[0109]
具体地，s4.1.1中，将逻辑位翻转或相位翻转定义为动作值函数的函数表达式为：
[0110]qπ
(s，a)＝e[u
t
|s
t
＝s，a
t
＝a]。
[0111]
具体地，s4.1.3中，卷积运算和全连接网络结合生成的最优值动作值函数的函数表达式为：
[0112][0113]
其中，q(s，a；ω)即为所需得到的对决网络。
[0114]
进一步地，s4.2中，引入双q算法的具体算法流程包括如下：
[0115]
首先，采用在双q学习算法中使用对决网络的方法来增加纠错链的翻转比特数量并降低误码率阈值，双q学习算法ddqn每次都会从代码空间随机取出一个状态空间(校正子)，在解码过程中需要处理校正子来得到四元组的形式表示(状态函数)，在选择ddqn算法的动作执行翻转操作后，通过缓冲池随机抽取样本进行强化学习，会出现新的校正子；
[0116]
再使用sgd最小化真实值和预测值的均方误差；
[0117]
然后使用双q算法对校正子进行多次迭代，向dqn反向传播以获得梯度，可以得到更新和优化梯度下降的翻转次数；
[0118]
其中，在ddqn算法中，预先设置回报率为γ∈(0，1)，通过加权平均来更新cnn网络的参数，得到最佳的校正子从而得到最接近所求的纠错链，其算法表达式为：
[0119]
ω
new
‑←
γ
·
ω
now
(1-γ)
·
ω
now-。
[0120]
具体地，本实施例的方案中，利用具有拓扑性质的量子纠错码进行量子计算及通信的错误信息校正。不同于传统的多量子比特门线路，利用具有拓扑性质的量子纠错码的拓扑性，在二维平面上进行一定结构的拓扑排列。不需要变动基础设备，只需要在量子比特的二维阵列上实现信息的编码，保证信息传输安全性的同时也便于错误的检测及校正。在纠错基础上，采用算法找到错误校正的最优方案，提高了纠错效率保证信息传输的准确性，解决了错误信息校正最佳方案，克服了信息传输受到噪声干扰导致的信息错误的问题。
[0121]
另外，值得说明的是，本实施例的方法流程中只使用了具有周期性边界条件的拓扑纠错码解决纠错问题，而事实上还可以用其他拓扑性质的纠错码进行错误校正。
[0122]
如图2所示，本实施例还提供了一种基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法的运行平台装置，该装置包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序。
[0123]
处理器包括一个或一个以上处理核心，处理器通过总线与存储器相连，存储器用于存储程序指令，处理器执行存储器中的程序指令时实现上述的基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法的步骤。
[0124]
可选的，存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随时存取存储器(sram)，电可擦除可编程只读存储器(eeprom)，可擦除可编程只读存储器(eprom)，可编程只读存储器(prom)，只读存储器(rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
[0125]
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法的步骤。
[0126]
可选的，本发明还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面基于拓扑量子纠错码的错误信息传输校正方法的步骤。
[0127]
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分步骤的过程可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0128]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。