基于IBM量子计算云服务的量子傅里叶变换实现

Shor算法能够相对经典大整数分解算法实现指数加速,从而直接威胁到了RSA密码体制,而量子傅里叶变换是Shor算法中的一个关键变换,也能够相对经典离散傅里叶变换实现指数加速,从而引起了广泛关注。主要针对量子傅里叶变换的实现方案进行研究。首先介绍了IBM公司量子计算云服务的编程基础,随后设计了3比特量子傅里叶变换的量子线路,最后在IBM公司5超导量子比特的量子计算芯片上进行了实验验证。     

基于级联混沌系统和量子Baker映射的图像加密算法北大核心CSCD

量子图像加密借助于量子纠缠和叠加特性来提高算法效率,同时,与传统的图像加密算法相比,其在信息传递的安全性上更具优越性。针对量子图像仅在空间域或变换域不能充分置乱混淆的问题,文章提出了空间域和变换域操作相结合的置乱混淆方法。首先,通过量子Baker映射对图像像素的位置进行空间域的置乱。其次,利用量子比特旋转改变空间域像素的灰度信息,其中旋转角度由级联混沌系统产生的伪随机序列来确定;然后,将空间域的量子态转换到傅里叶变换域,并在傅里叶域进行量子比特旋转;最后,利用量子傅里叶逆变换将变换域信息转换到空间域得到密文图像。由于Baker映射周期更长,使得本文算法的密钥空间更大。另外,基于级联混沌系统的旋转参数生成可以减轻密钥传输负担。仿真实验结果验证了本文算法的安全性和有效性,且在复杂度上优于经典图像加密算法。     

基于量子傅里叶变换算法的量子乘法器

乘法运算是许多量子算法中的基本运算之一。为了实现量子乘法运算并且尽可能少地使用辅助量子比特,提出了一种基于量子傅里叶变换算法的量子乘法器。在量子傅里叶加法电路基础上,设计了量子移位电路,并实现了两个n位二进制无符号数相乘的量子电路,其时间复杂度为O（n³）。使用IBM提供的开源量子计算工具包Qiskit分别验证了两个2位二进制数相乘,以及一个2位二进制数与另一个4位二进制数进行量子乘法运算的正确性。实验结果表明,所设计的量子乘法器使用较少的量子比特数目实现了较高的准确率和较低的计算复杂度。该量子乘法器代码已开源。     

一种面向含噪中尺度量子技术的量子-经典异构计算系统

量子计算有望加速解决经典计算难以解决的问题,如质因子分解、量子化学模拟等.已有单个量子系统可集成大于50个含噪声的固态量子比特,并在特定的计算任务上超越了经典计算机,标志含噪中尺度量子(noisy intermediate-scale quantum,NISQ)计算时代的到来.随着人们可在单个系统中集成越来越多的量子比特,如何将量子比特与控制硬件、软件开发环境、经典计算资源集成得到完整可用的量子计算系统,是一个有待进一步明确的问题.对比了量子计算与经典计算在控制及执行上的异同,并在此基础上提出了面向NISQ时代的量子-经典异构系统.以一个典型的NISQ算法(迭代相位估计算法)为例,介绍了量子算法从软件描述到硬件执行的整体流程,及与该过程相关的高级程序设计语言、编译器、量子软硬件接口和硬件等.在此基础上,讨论了流程中各个层次在NISQ时代面临的挑战.旨在从工程实现的视角,从宏观层面为读者(尤其是量子计算初学者)介绍量子计算系统,希望可以促进人们对NISQ时代下量子计算系统整体结构的理解,并激发更多相关研究.     

基于量子比特绕轴旋转的彩色图像加密方法

提出一种基于量子计算的彩色图像加密方法. 首先, 将彩色图像转换为量子叠加态∣Image?, 每个像素用3 个量子比特∣???, ∣???, ∣??? 描述, 分别表示红绿蓝三基色; 然后, 对所有像素的∣???, ∣???, ∣??? 在Bloch 球面上实施随机旋转, 对旋转后的∣Image? 实施量子傅里叶变换; 对所有像素的∣???, ∣???, ∣??? 实施随机旋转, 对旋转后的∣Image? 实施量 子傅里叶反变换, 即可完成加密操作. 经典计算机上的仿真结果表明, 所提出的方法具有较好的安全性, 可在将来的量子计算机上执行.

     

基于"嵩山"超级计算机系统的量子傅里叶变换模拟

"嵩山"超级计算机系统是中国自主研发的新一代异构超级计算机集群,其搭载的CPU和DCU加速器均为我国自主研发.为扩充该平台的科学计算生态,验证量子计算研究在该平台上开展的可行性,文中使用异构编程模型实现了量子傅里叶变换模拟在"嵩山"超级计算机系统上的异构版本,将程序的计算热点部分分配至DCU上运行;然后使用MPI在单计算节点上开启多进程,实现DCU加速器数据传输和计算的并发;最后,通过计算与通信的隐藏避免了DCU在数据传输时处于较长时间的空闲状态.实验首次在超算系统上实现了44 Qubits规模的量子傅里叶变换模拟,结果显示,异构版本的量子傅里叶变换模拟充分利用了DCU加速器计算资源,相较于传统CPU版本,其取得了11.594的加速比,且在集群上具有良好的可拓展性,该方法为其他量子算法在"嵩山"超级计算机系统上的模拟实现以及优化提供了参考.     

量子计算模拟及优化方法综述

在处理某些大规模并行问题时,量子计算因量子位独特的叠加态和纠缠态特性,相比经典计算机在并行处理方面具有更明显的优势。现阶段,物理量子比特计算机受限于可扩展性、相干时间和量子门操作精度,在经典计算机上开展量子计算模拟成为研究量子优越性和量子算法的有效途径。然而,随着量子比特数的增加,模拟所需的计算机资源呈指数增长。因此,研究大规模量子计算模拟在保证计算准确度、精度及效率的情况下减少模拟所需资源具有重要意义。从量子比特、量子门、量子线路、量子操作系统等方面展开,阐述量子计算的基本原理和背景知识。同时总结基于经典计算机的量子计算模拟基本方法,分析不同方法的设计思路和优缺点,列举目前常见的量子计算模拟器。在此基础上,针对量子计算模拟的通信开销问题,从节点拆分和通信优化2个方面出发,讨论基于超级计算机集群的量子计算模拟优化方法。     

基于“嵩山”超级计算机系统下HHL算法的模拟实现

量子计算是一种遵循量子力学规律来调控量子信息单元进行计算的新型计算模式,而量子算法由一系列量子门组合而成,其实现形式为量子线路。量子线路是对量子比特进行操作的线路,以量子比特为基本的存储单元,将量子逻辑门连接在一起来实现特定的计算功能。文中在“嵩山”超级计算机上利用MPI+OpenMP混合并行编程模型,实现了将大规模量子线路拆分到不同节点上进行构建,加快了线路的构建速度,并且在CPU集群系统上具有良好的可拓展性。针对节点间通信问题,设计了序列化和反序列化函数,以保证节点间数据的传输,并且根据各节点所分配任务量间存在的指数级差异,设计了一种拆分任务量、各节点轮循处理的优化方式,实现了节点间的负载均衡。最后在超级计算机CPU集群上成功实现了大规模的量子相位估计线路的构造,相较于单节点取得了8.63的加速比,并通过HHL算法验证了所设计的并行相位估计子模块的正确性,为大规模HHL算法在超算平台上的实现提供了参考。     

量子隐形传态的通用线路

EPR态作为最基本的量子纠缠态,在量子隐形传态中起着重要作用.研究适应任意类型EPR通道的单量子比特隐形传送通用线路,并推广到任意N比特量子隐形传送通用线路.首先设计出4种EPR态,分别作为量子通道的单比特量子隐形传态,通过分析EPR量子通道与量子操作门之间的关系,设计一种单比特通用线路;然后,设计两比特的标准量子隐形传态线路,并用Mathematica进行仿真验证线路的正确性,再把它推广到N比特量子隐形传送线路;最后,将单量子比特通用线路与N比特量子隐形传送线路进行融合,最终设计出任意N比特量子隐形传送通用线路.N粒子量子比特通用线路通过信息接受者进行带参数的幺正变换,其中,参数由制备出的EPR对类型确定,解决了因EPR制备中心出错导致的信息传送失败问题.     

免疫集体噪声的量子密钥协商协议

针对目前免疫集体噪声的量子密钥协商协议的量子比特效率偏低问题,基于逻辑Bell态提出了两个新的量子密钥协商协议,它们分别免疫集体退相位噪声和集体旋转噪声。两个协议利用幺正变换和延迟测量技术,确保了协议双方能公平地建立一个共享密钥。安全性分析证明了这两个协议能抵抗参与者攻击和相关外部攻击。与已有免疫集体噪声的量子密钥协商协议比较,发现新协议有较高的量子比特效率。     

量子芯片测评技术综述

在研制量子芯片时对其性能进行测评, 以校准量子算法实际执行结果与理论结果的拟合程度是量子计算优于经典计算的重要一步. 然而, 目前国内外对量子芯片性能测评方面并没有统一的基准测试, 对于量子芯片局部指标的测评标准容易导致人们对芯片整体性能的误解. 鉴于此, 本文首先简述现有的量子芯片性能指标, 其次通过对测评方法进行分类, 概述现今量子芯片测评方法, 最后总结量子芯片测评技术的现存问题并对未来的测评技术进行展望. 本综述可为从事相关工作的人员进行查阅提供便利.     

量子密码学的研究进展

量子密码术是一种新的重要加密方法，它利用单光子的量子性质，借助量子密钥分配协议可实现数据传输的可证性安全．量子密码具有无条件安全的特性(即不存在受拥有足够时间和计算机能力的窃听者攻击的危险)，而在实际通信发生之前，不需要交换私钥．本文综述了量子密码学的研究进展，其中包括了量子密码学的物理基础、量子密钥分配、保密增强、量子密钥的实用性以及目前技术限制所存在的缺陷．     

辅助量子比特驱动型通用盲量子计算

应用量子隐形传态将Broadbent等人提出的通用盲量子计算(universal blind quantum computation)模型和辅助量子比特驱动型量子计算(ancilla-driven universal quantum computation)模型进行结合, 构造一个新的混合模型来进行计算。此外, 用计算寄存器对量子纠缠的操作来代替量子比特测量操作。因为后者仅限于两个量子比特, 所以代替后的计算优势十分明显。基于上述改进, 设计了实现辅助驱动型通用盲量子计算的协议。协议的实现, 能够使Anders等人的辅助驱动型量子计算增强计算能力, 并保证量子计算的正确性, 从而使得参与计算的任何一方都不能获得另一方的保密信息。     

量子非马尔科夫特性的度量与调控

如何全面系统地认识和理解量子非马尔科夫特性是当前量子信息领域的一个热点问题,已经取得了一些重要的理论与实验研究进展.本文将主要介绍两种分别基于量子互信息与量子Fisher信息矩阵角度的非马尔科夫特性的刻画准则,并通过两个具体例子,讨论它们与已有度量之间的关系和层次结构.除此之外,本文利用量子控制方法,实现了对此量子特性的有效调控,将无记忆的马尔科夫过程转化为有记忆的非马尔科夫过程.     

量子搜索及量子智能优化研究进展

为了提高智能优化算法的收敛速度及优化性能,目前国内外将量子计算机制和传统智能优化相融合,研究和提出了多种量子进化算法及量子群智能优化算法;为了进一步推动该领域的研究进展,系统地介绍了国内外提出的多种量子搜索及量子智能优化算法,其中包括量子搜索、量子衍生进化、量子神经网络三个方面内容;总结出目前改进量子搜索算法的主要机制和量子计算与传统智能计算的主要融合方式,并展望了量子搜索和量子智能优化有待进一步研究和需要解决的问题。     

量子计算的研究与应用

对量子计算的最新研究方向进行了介绍,简述了量子计算和量子信息技术的重要应用领域。分析了量子计算机与经典计算机相比所具有的优点和目前制约量子计算机应用发展的主要因素,最后展望了其未来发展趋势。     

量子密码协议探讨

该文主要介绍三个基本的量子密码协议,即BB84协议、HBB协议和BF协议,分析了量子身份认证协议的研究现状。     

量子程序设计语言NDQJava

量子程序设计语言自1996年出现以来,颇受业界重视.在简述几种有代表性的量子程序设计语言之后,着重阐述自行设计之量子程序设计语言NDQJava之概貌,其中包括设计准则、语言风范、硬件平台、基本成分以及示例等.此外,还提及相关工作.     

Optical quantum router with cross-phase modulation

The quantum router is a key part of a quantum network. How to design a fully quantum router is a dominant theme in the area of quantum communication. Based on the cross-phase modulation technique, we propose a scheme to realize an optical quantum router using the c-path operation for its basic operation. This router is a perfect, fully quantum router, and it is available for arbitrary （separated or entangled） input signals and covers all possible control modes （the general n-control-m mode）. Moreover, this router protects target signals and preserves quantum features, such as coherent superposition and entanglement. This is a new and powerful feature when compared with classical routers. With the development of current experimental technology, our scheme is feasible.