一种量子门检验测量基数确定的分形算法及验证装置系统的制作方法

1.本发明涉及量子计算与ai智能技术领域，更具体地说，涉及一类量子门检验测量基数确定、量子门检验测量验证装置和ai智能决策系统及应用方法。


背景技术：

2.在量子态操控微波光子实现量子态转变的过程中，预测量子门检验测量基的数目非常重要，它可以减少酉矩阵分解成二阶基态矩阵的次数，控制操控微波光子完成叠加态和纠缠态的实验次数，提高量子计算保真度预估值的效率。在大规模量子门检验方案优化中，存在三大难题：一是由于超导条件下，微波光子在做混沌运动的不确定性复杂系统中，大规模量子门检验要使量子计算保真度达到预置值，刻画量子门检验测量基数目，如何做到事前估计？二是如何使用更少的量子门，在保证量子门检验测量基数目一定的同时，满足实验空间自相似结构和稀疏状态的实际，给出更为科学的计算方法；三是如何从软件上对大规模量子门检验优化，通过验证装置将一个物理系统转变成量子处理器，实现量子门检验测量基数的确定。
3.目前，在相关研究中，有的采用量子层析法，进行大量的重复实验测量估计，且对于同一个拉比曲线(rabi)频率时序进行成百上千次测量，对测量结果的概率进行统计判断，但当量子比特数增加到难以满足指数增长的规模时，量子门检验测量实验次数也会呈现为指数级，难以实现。为防止大规模量子门检验，有的采用基于局域操作的最优量子门检验法，该方法与多参数量子测量平台的精密度正相关，这种方法仍然受到硬件的约束，量子物理系统操控的是软件系统，这种方法也是行不通的。
4.量子门检验过程测量基数目与大规模量子门检验直接相关，为做到事前预测，通过量子门检验过程测量基数目的确定，撇弃对大规模量子门检验和量子线路验证的盲目性，就必须给出相应的算法。
5.从软件上纠正误差，将一个物理系统转变成量子处理器，就必须从实验空间的出发，构建量子门检验测量基数目验证装置原型系统。根据这一验证装置系统，从软件上对大规模量子门检验优化，将一个物理系统转变成量子处理器，实现量子门检验测量基数的确定。


技术实现要素：

6.1.要解决的技术问题
7.针对现有技术中，存在量子门检验测量实验次数呈现为指数级，难以对于同一个拉比曲线(rabi)频率测量结果的概率进行统计判断；多个量子比特通过某个输入统计分析确定出的概率具有不确定性，量子比特表示不能很好反映这一不确定性；多参数量子测量方法受到硬件的约束，与平台的精密度正相关，不能很好解决如何将一个物理系统转变成量子处理器。本发明提供了一种通过计算实验空间分形维数作为量子门检验测量基数目估计值的方法和实验验证装置原型系统设计方法。利用该方法给出基于实验空间自相似结构
的分形算法和基于实验空间稀疏状态的分形算法，并应用在量子门检验测量基数目智能决策支持系统研制中，从软件上对大规模量子门检验优化，将一个物理系统转变成量子处理器，实现量子门检验测量基数预估值的确定。该发明给出的理论与方法提高了大规模量子门检验测量智能决策的科学性、可信度和操作效率。
8.2.技术方案
9.本发明的目的提供以下技术方案实现。
10.一种量子门检验测量基数确定的分形算法，包括，
11.微波光子受控运动空间分析及拓扑结构，主要内容概括如下：
12.混沌是时间上的分形，分形是空间上的混沌；世界是非线性的，分形无处不在。分形是一个数学构造，即把部分与整体以某种方式相似，简单地说，分形就是研究无限复杂具备自相似的结构。根据分形理论的自相似性，这种相似在形体中可以是完全相同，也可以是统计意义上的相似，但绝大部分分形是统计意义上的。
13.微波光子作为微观世界中不可分割的单元，对量子比特操控是量子门物理实现的过程，也是实现量子计算的一种方法。根据量子力学的基本原理，被测体系所有可能状态都可以由完备复内积空间的希尔伯特空间描述。内积是线性空间上的一个正定的、共轭对称的、半共轭线性半线性的二元函数，它给线性空间带来了正交，带来了长度，也带来了拓扑。对于无限维空间，拓扑决定了空间的结构，有了结构也带来了一个数学构造-分形。数学意义上分形的生成是基于一个不断迭代的方程式，即一种基于递归的反馈系统。分形维数是定量地表示自相似的随机形状和现象最基本的量。分形是探究大自然复杂表面下的内在数学秩序，所以，对操控微波光子进行叠加态和纠缠态实验空间θ分形，可看作探究实验空间θ中操控微波光子跃迁、纠缠、叠加等混沌运动真实的数学构造。
14.量子门检验测量基态数目预估值的应用价值，主要内容概括如下：
15.量子态一般是非经典的叠加态，对其测量得到的结果是按照构成它的各个基向量的概率幅分布的随机变量，所以，量子门检验过程测量基数目一旦确定，就可以撇弃对大规模量子门检验和量子线路验证的盲目性，只需对一定数目的测量基进行量子门检验就可到达预期保真度的要求。在做操控微波光子的量子计算中，预估量子门检验测量基态的数目非常重要，有了测量基态的预估数只需做若干次幺正变换，就可以将希尔伯特空间中任何态表示成基态的叠加，这样大大减少了量子门检验测量实验次数。
16.操控实验空间θ的分形维数作为量子门检验过程测量基数目预估值的理论依据。主要内容概括如下：
17.布洛赫球面(bloch)是一种对于双态系统之纯态空间的几何表示法，量子态矢量的计算被看作围绕布洛赫球旋转的量子位元的二阶量子系统，这个二阶量子系统对量子态|qubit》由以下数学表达式描述：即布洛赫球所处的量子态|qubit》是由|0》态和|1》态的概率作为基态系数。概率计算通常的方法是，对于同一个拉比曲线(rabi)频率时序进行成百上千次测量，对测量结果的概率进行统计才能判断。所以，我们无法直接得到终态向量的各个分量，只能通过量子层析法，进行大量的重复实验测量估计，但当量子比特数增加到难以满足指数增长的规模时，量子门检验测量实验次数也会呈现为指数级。根据量子力学理论，对量子态|qubit》唯二结果|0》态和|1》态的概率服从
概率局域守恒定律，量子计算是在希尔伯特空间，也就是量子态|qubit》转变的过程中做投影式量子测量的二阶量子系统属于希尔伯特空间。在可分的希尔伯特空间中任何一个矢量，都叫作态矢量。对系统的任何操作，态矢量是用薛定谔波动方程描述的，可以视为对描述系统的态矢量做了一个幺正变换，也就是，希尔伯特空间中任何态矢量都可表示成一些基态的叠加。根据可分性和可数性的希尔伯特空间h，可以与自然数建立一一映射；再根据微波光子每对量子基态对应一个布洛赫球，即布洛赫球数量可以与自然数建立一一映射。而希尔伯特空间h基态矢量与布洛赫球集q表征的量子态|qubit》一一对应，因此，量子门检验实验空间θ与希尔伯特空间h建立起一一对应关系，由此，证明了希尔伯特空间h、布洛赫球集q、量子门检验实验空间θ之间的一一对应关系。也就表征操控实验空间θ的分形维数可以作为量子门检验过程测量基数目的估计值。
18.操控实验空间θ是自相似结构和稀疏状态的自相似结构分类依据。主要内容概括如下：
19.根据分形理论的自相似性，分形是一个数学构造，即把部分与整体以某种方式相似；分形维数是定量地表示自相似的随机形状和现象最基本的量，而操控实验空间θ中的布洛赫球集q具有自相似结构，所以，操控实验空间θ在混沌运动下是自相似结构，且可以用自相似结构空间容量维数d作为分形维数。
20.混沌运动是一个无特征尺度的分形现象，分形维数大于拓扑维数，小于所占空间的维数，所以此时当n很大，前面两个分岔点参数之间的距离是后面两个分岔点参数之间产生距离，将由此产生的状态称为稀疏状态，为描述实验空间θ存在的稀疏状态，给它以标量指数，记为α
max
，为保证实验空间θ存在稀疏状态表征的合理性，取费根鲍姆常数δ代表实验空间θ稀疏状态的标量指数α
max
，即有：α
max
＝δ≈4.669。
21.基于实验空间θ自相似结构的分形算法，步骤如下，
22.步骤一：判断操控实验空间θ是自相似结构；
23.步骤二：计算量子门检验测量基向量所在实验空间θ边长的最大值l；
24.步骤三：设定实验空间中布洛赫球半径值ρ；
25.步骤四：计算操控实验空间中布洛赫球的个数最小值：minn(ρ)
26.步骤五：计算自相似结构空间容量维数d：
[0027][0028]
步骤六：记录量子门检验测量实验空间θ的分形维数即为量子门检验测量基数目。
[0029]
由此可见，一旦量子门检验实验空间θ确定，l也可确定，量子门检验测量基数目的预估值就可以确定。
[0030]
基于实验空间θ稀疏状态的分形算法，步骤如下：
[0031]
步骤1：判断操控实验空间θ是稀疏状态的自相似结构；
[0032]
步骤2：计算量子门检验测量基向量所在实验空间θ边长的最大值l；
[0033]
步骤3：计算实验空间中布洛赫球半径ρ；
[0034]
步骤4：计算操控实验空间中布洛赫球的个数最小值minn(ρ)；
[0035]
步骤5：计算稀疏状态的自相似结构空间容量维数
[0036]
步骤6：记录稀疏状态的量子门检验测量实验空间θ分形维数，即为量子门检验测量基数目。
[0037]
量子门检验测量基数目确定的验证装置系统，主要内容概括如下：
[0038]
量子门检验测量基数目确定的验证装置系统，将一个量子门检验测量系统转变成量子处理器，实现通过量子门检验实验空间分形维数确定量子门检验测量基数目的预估值。
[0039]
验证装置平台原型系统组成，包括，
[0040]
记录模块a：记录量子门检验量子态信息和量子门检验实验空间环境类型及数量信息；
[0041]
分析模块b：分析判断操控实验空间θ是自相似结构或稀疏状态结构，将结构进行分类，分析得到影响量子门检验任务实验空间种类和数量；
[0042]
解析模块d：解析实验空间θ边长最大值l；解析布洛赫球集q最小半径ρ；
[0043]
预判模块e：判断自相似结构或稀疏状态结构类型；
[0044]
计算模块f：应用给出的基于实验空间自相似结构的分形算法的步骤，或基于实验空间稀疏状态的分形算法的步骤，计算实验空间θ的分形维数；
[0045]
显示模块g：显示实验空间θ分形维数和显示量子门检验测量基数目。
[0046]
3.有益效果
[0047]
相比于现有技术，本发明的优点在于：
[0048]
(1)本发明给出了一种量子门检验测量基数确定的分形算法，是以计算实验空间分形维数作为量子门检验测量基数目估计值的新方法。根据这一方法，大大减少了量子门检验测量实验次数，提高了量子门检验的科学性和检验效率。
[0049]
(2)本发明提供了量子门检验测量基数确定的验证装置系统，根据实验空间分形维数新算法，开发了量子门检验软件系统，降低了以往在量子门检验空间对量子态进行大规模实验的复杂性，或出现失误只能通过改进处理器的硬件这种不可行办法，大大减少了量子门检验测量实验次数，提高了量子门检验测量基数目估计值智能决策支持的应用效率。
[0050]
(3)本发明的理论与方法也可应用在一类量子门检验测量方法、量子门检验测量计量系统和拉比曲线智能决策支持系统软件开发中，提供了一种不确定条件下量子门检验测量的理论、方法与手段。
附图说明
[0051]
图1为本发明提供的一种量子门检验测量基数确定的分形算法及验证装置系统摘要简图；
[0052]
图2为本发明提供的验证空间一一对应关系图；
[0053]
图3为本发明提供的量子门实验空间验证装置系统架构工作整体流程图。
具体实施方式：
[0054]
为使本发明的理论成果、技术路线和创新性更加明确，下面将结合本发明的附图，对本发明的理论成果、技术路线进行清楚、完整地描述。
[0055]
结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
[0056]
首先参照附图1所示，由量子门检验测量基数确定问题出发，提出了实验空间分形维数作为量子门检验测量基数目估计值的新方法。目的是从软件上对大规模量子门检验优化，将一个物理系统转变成量子处理器，实现量子门检验测量基数目确定。分析微波光子受控运动空间的拓扑结构；提出操控微波光子进行叠加态、纠缠态过程的数学构造；分析希尔伯特空间h、布洛赫球集q、量子门检验实验空间θ之间的一一对应关系，和量子门检验过程测量基数目与大规模量子门检验间的关系，建立实验空间分形维数作为量子门检验测量基数目估计值的数学模型。
[0057]
量子门检验操控系统构成圆映射的混沌系统为x，量子态操控微波光子实现量子态转变，不妨记量子门检验测量基向量实验空间为θ，空间长宽高分别为x，y，z，定义max(x，y，z)＝l。构建以l为量子门检验测量基向量实验空间θ的最大实验环境空间体积v，即v＝[max(x，y，z)]3＝l3，对量子门检验操控圆映射混沌系统进行多重分形。
[0058]
当微波光子操控实验空间θ的分形维数与自相似结构的布洛赫球集q一一对应时，针对在量子门检验过程所在的实验空间结构与状态，进行分类研究。
[0059]
当实验空间为自相似结构时，给出基于实验空间自相似结构的分形算法，即视微波光子操控实验空间θ为自相似结构，代入计算公式求得实验空间θ的分形维数。
[0060]
当实验空间为稀疏状态时，给出基于实验空间稀疏状态的分形算法，代入计算公式取求得实验空间θ的分形维数。
[0061]
以n个bit为例，依据实验空间分形维数，可以作为量子门检验测量基数的预估值的理论依据，得到d、d
θ
即分别为基于实验空间自相似结构、基于实验空间稀疏状态时实验空间θ的分形维数，也就是量子门检验测量基数目预估值。
[0062]
结合说明书附图2，对本发明作详细描述。
[0063]
参照附图2所示，在操控微波光子进行叠加态和纠缠态实验空间θ，容量维数为d(即为分形维数)；可分的希尔伯特空间为h，布洛赫球集合为q。希尔伯特空间h对应的拓扑空间是可数的，即可以与自然数建立一一映射；微波光子每对量子基态对应一个布洛赫球，那么，希尔伯特空间h基态矢量与布洛赫球集q表征的量子态|qubit》一一对应；微波光子操控实验空间θ的分形维数与自相似结构的布洛赫球集q一一对应，因此，用操控实验空间θ的分形维数d作为量子门检验过程测量基的数目估计值。
[0064]
实例1：
[0065]
以n个bit为例，给出一种量子门检验测量基数确定算法的应用方法。
[0066]
运用说明书附图3量子门检验测量基数验证装置系统工作整体流程图，实证算例分析验证，在不确定条件下以操控实验空间θ的分形维数d作为量子门检验过程测量基数的估计值算法。
[0067]
通过量子门检验测量基数验证装置系统记录模块a，记录量子门检验量子态信息和量子门检验实验空间环境类型及数量信息；量子门不妨设为n位，根据量子力学理论，量子态在希尔伯特相空间是2n维；记录量子门检验实验空间θ长宽高分别为x，y，z、实验空间θ最大值为v；记录操控实验空间中布洛赫球半径为ρ，布洛赫球集q的个数最小值n(δ)。
[0068]
通过分析模块b，分析判断操控实验空间θ结构，分为自相似结构和稀疏状态结构两类。
[0069]
通过解析模块d，由实验空间θ的长宽高x，y，z值，解析实验空间θ的最大值v＝[max(x，y，z)]3＝l3；由布洛赫球半径为ρ，解析计算操控实验空间中布洛赫球的个数最小值n(δ)，minn(ρ)＝2n，事实上，在希尔伯特空间h必然存在n，使得希尔伯特空间h的维数是2n；由量子门n位，实验空间θ的最大值为v＝[max(x，y，z)]3＝l3，解析布洛赫球半径事实上，量子门检验操控系统是一圆映射的混沌系统，对于圆映射混沌系统多重分形，若半径以参数ρ每次以缩小，迭代n次以后，即
[0070]
通过预判模块e，判断自相似结构和稀疏状态结构类型：当微波光子操控实验空间θ的分形维数与自相似结构的布洛赫球集q一一对应时，视微波光子操控实验空间θ为自相似结构；当n很大时，实验空间θ存在于稀疏状态，此时实验空间θ为稀疏状态自相似结构；
[0071]
通过计算模块f，应用给出的基于实验空间自相似结构的分形算法的步骤，或基于实验空间稀疏状态的分形算法的步骤，分为两种情况计算：
[0072]
情况1：当实验空间θ为自相似结构时，按照以下步骤：
[0073]
步骤一：判断操控实验空间θ是自相似结构；
[0074]
步骤二：由解析得到的实验空间θ边长的最大值l，计算量子门检验测量基向量所在实验空间θ最大值v＝[max(x，y，z)]3＝l3；
[0075]
步骤三：计算实验空间θ中布洛赫球集q的最小半径
[0076]
步骤四：计算操控实验空间中θ布洛赫球q的个数最小值minn(ρ)＝2n；
[0077]
步骤五：计算自相似结构操控实验空间θ的分形维数d，代入公式：
[0078][0079]
情况2：当实验空间θ存在于稀疏状态时，按照前面步骤一到步骤五进行，再转到下面步骤：
[0080]
步骤6：计算稀疏状态的自相似结构空间容量维数
[0081]
[0082]
取α
max
＝δ≈4.669，即：
[0083][0084]
d、d
θ
即分别为基于实验空间自相似结构、基于实验空间稀疏状态时实验空间θ的分形维数，也就是量子门检验测量基数目。
[0085]
显示模块g：实验空间分形维数显示和量子门检验测量基数目显示。结束。通过实证算例分析验证n个bit量子门检验测量基数目预估值的应用，给出用操控实验空间θ的分形维数作为量子门检验过程测量基数目预估值这一新方法的可行性、科学性。
[0086]
以上实证算例分析对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他形式实现其发明。显然，所描述的实施验证例子是本发明一部分，而不是全部的实施算例。基于本发明中的实施算例，本领域研究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算例，都属于本发明保护的范围。