SAT问题在量子体系计算机上的计算方法

本文从AMP方法解SAT问题入手,在量子体系计算机上寻求求解SAT问题的完备解的计算方法。从量子力学理论和Deutch的量子计算理论出发讨论通用量子逻辑门和构建布尔与门和或门的方法,最后,本文给出在量子模拟器上运用量子逻辑门阵列求解SAT问题的计算步骤。     

基于通用量子门的量子遗传算法及应用

为加快量子遗传算法的参数更新速度,简化遗传操作步骤,提出了一种基于通用量子门的量子遗传算法（Quantum Genetic Algorithm with Universal Quantum Gate,UQGA）。该方法以通用量子门为逻辑计算单位,对染色体进行遗传操作。利用Hadamard门进行基础变换;通用量子门通过新的旋转角度函数,对各个基因位进行选择、变异操作;通过求解适应度函数,得到全局最优解;同时,算法经数学证明是收敛的。该算法应用到函数极值搜索和Iris数据集特征选择中。实验结果表明,UQGA具有较好的全局搜索和特征选择性能,尤其是在收敛速度、运算时间和分类准确率方面明显优于普通量子遗传算法和普通遗传算法。     

基于多目标扩展通用Toffoli门的量子比较器设计

利用多目标扩展通用Toffoli门,提出了经典量子信息比较器的设计构造方法,并对其正确性进行了理论证明,在此基础之上,给出了量子比较器在简单搜索问题中的一个应用。与其它同类量子比较器相比,此比较器通过减少使用辅助位来节约相关量子资源;通过设置多目标扩展通用Toffoli门的控制条件,使得在比较出结果后剩余的门不再起作用,从而提高了运行效率,降低了出错率,增强了比较器的鲁棒性。     

基于量子门组的量子神经网络模型及其应用

为进一步提高量子神经网络的性能,结合目前神经网络机理的研究进展,提出了一种基于量子门组的量子神经元模型,建立了量子门组量子神经网络（Quantum Gate Set Neural Network,QGSNN）。该算法由输入层、隐含层和输出层组成,该算法将转换后的量子态训练样本作为输入。利用量子旋转门和通用量子门完成旋转、选择、翻转和聚合等一系列操作,并完成了网络参数的更新。将训练后的结果输出。QGSNN算法的泛化能力在数学上得到了证明,并利用两个仿真实验对该方法进行验证。实验结果表明,与普通神经网络和普通量子神经网络相比,QG-SNN算法在泛化性能、鲁棒性、准确率和执行时间等方面具有较好的效果。     

基于量子逻辑的有穷自动机与单体二阶量子逻辑

文中引入了单体二阶量子逻辑,进而给出了基于量子逻辑的有穷自动机识别语言的逻辑描述,证明了量子逻辑意义下的B(u|¨)chi-Elgot基本定理。通过引入星-自由量子语言与非周期量子语言,完全刻画了可以用一阶量子逻辑定义的量子语言,得到了量子逻辑意义下的Sch(u|¨)tzenberger分类定理。另外,通过引入广义的子集构造方法,还给出了基于量子逻辑的有穷自动机的确定化形式,进而研究了基于量子逻辑的Kleene定理的表现形式。     

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.     

广义量子Loop程序初探

在经典计算中,Loop程序是非常重要的程序。对量子计算中Loop程序进行研究非常必要。定义了体为量子运算的广义量子Loop程序,给出了量子Loop程序在输入态上终止,几乎终止以及不终止的定义基于任意的初始态。并证明了量子Loop程序在给定输入态上终止的充要条件以及程序终止的充要条件。作为应用,验证了体为酉运算的量子Loop程序嵌套是一个广义的量子Loop程序。     

量子Haar小波变换算法设计及应用

设计了基于通用量子语言Q_language的量子Haar小波变换算法,该算法对于小波变换的应用和量子算法的完善具有重要的意义.分析了3个量子位Haar小波变换过程,给出了量子Haar小波变换算法的Q_language语言描述,并分析得出其时间和空间复杂度,然后给出了实现量子Haar小渡变换应用方法.     

基于量子逻辑的图灵机及其通用性

基于量子逻辑的自动机理论是量子计算模型的一个重要研究方向.该文研究了基于量子逻辑的图灵机(简称量子图灵机)及其一些变形,给出了包括非确定型量子图灵机l-VTM,确定型量子图灵机l-VDTM以及相应类型的多带量子图灵机,并引入量子图灵机基于深度优先与宽度优先识别语言的两种不同定义方式,证明了这两种定义方式在量子逻辑意义下是不等价的.进一步证明了l-VTM、l-VDTM与相应类型的多带量子图灵机之间的等价性.其次,给出了量子递归可枚举语言及量子递归语言的定义,并给出了二者的层次刻画,证明了l-VTM与l-VDTM不等价,但两者作为量子递归语言的识别器是等价的.最后,文中讨论了基于量子逻辑的通用图灵机的存在性问题,给出了一套合理编码系统,证明了基于量子逻辑的通用图灵机在其所取值的正交模格无限时不存在,而在其所取值的正交模格有限时是存在的.     

量子Daubechies-D（4）小波变换算法及应用研究

由于量子计算相比经典计算具有突出的优越性,设计基于通用量子语言Q_language的量子Daubechies-D（4）小波变换算法对于小波变换的应用和量子算法的完善具有重要的意义。文章分析了Daubechies-D（4）小波变换过程,给出了量子Daubechies-D（4）小波变换算法的Q_language语言描述,并分析得出其时间和空间复杂度,给出了实现量子Daubechies-D（4）小波变换应用方法。     

Quantum Computation with Abelian Anyons

A universal quantum computer can be constructed using abelian anyons. Two qubit quantum logic gates such as controlled-NOT operations are performed using topological effects. Single-anyon operations such as hopping from site to site on a lattice suffice to perform all quantum logic operations. Anyonic quantum computation might be realized using quasiparticles of the fractional quantum Hall effect. PACS: 03.65-Lx     

An Explicit Universal Gate-Set for Exchange-Only Quantum Computation

A single physical interaction might not be universal for quantum computation in general. It has been shown, however, that in some cases it can achieve universal quantum computation over a subspace. For example, by encoding logical qubits into arrays of multiple physical qubits, a single isotropic or anisotropic exchange interaction can generate a universal logical gate-set. Recently, encoded universality for the exchange interaction was explicitly demonstrated on three-qubit arrays, the smallest nontrivial encoding. We now present the exact specification of a discrete universal logical gate-set on four-qubit arrays. We show how to implement the single qubit operations exactly with at most 3 nearest neighbor exchange operations and how to generate the encoded controlled-NOT with 27 parallel nearest neighbor exchange interactions or 50 serial gates, obtained from extensive numerical optimization using genetic algorithms and Nelder–Mead searches. We also give gate-switching times for the three-qubit encoding to much higher accuracy than previously and provide the full speci.cation for exact CNOT for this encoding. Our gate-sequences are immediately applicable to implementations of quantum circuits with the exchange interaction. PACS: 03.67.Lx, 03.65.Ta, 03.65.Fd, 89.70.+c     

Implementing a Quantum Algorithm with Exchange-Coupled Quantum Dots: A Feasibility Study

We present Monte Carlo wavefunction simulations for quantum computations employing an exchange-coupled array of quantum dots. Employing a combination of experimentally and theoretically available parameters, we find that gate fidelities greater than 98% may be obtained with current experimental and technological capabilities. Application to an encoded 3 qubit (nine physical qubits) Deutsch-Josza computation indicates that the algorithmic fidelity is more a question of the total time to implement the gates than of the physical complexity of those gates. PACS: 81.07.Ta, 02.70.Ss, 03.67.Lx, 03.65.Yz     

基于相位编码的混沌量子免疫算法

目前量子群智能优化算法的个体均采用基于量子比特测量的二进制编码方式,在用于连续问题优化时,由于频繁的解码运算,严重降低了优化效率.针对这一问题,本文提出一种混沌量子免疫算法.该方法直接采用量子比特的相位对抗体进行编码;用量子旋转门实现优良抗体的克隆扩增,通过在量子旋转门中引入混沌变量动态改变转角大小实现局部搜索;用基于Pauli-Z门的较差抗体的变异,实现全局优化.证明了算法的收敛性.由于优化过程统一在空间[0,2π]n进行,而与具体问题无关,因此,对不同尺度空间的优化问题具有良好的适应性.实验结果表明该算法能有效改善普通免疫算法的搜索能力和优化效率.     

基于混沌序列的量子图像加密方案

针对量子图像加密问题,设计一种基于混沌序列的加密方案。首先,采用NEQR模型描述量子图像,然后,采用3种混沌序列和受控旋转门使每个颜色比特随机旋转±π/4弧度,完成加密过程。解密时,首先根据密钥生成混沌序列,然后使每个颜色比特随机旋转π/4弧度即可。该方法加密后的直方图呈均匀分布,且密钥空间大,抗攻击能力强。经典计算机上的仿真结果表明该方法有较好的安全性。     

基于量子位Bloch坐标的量子遗传算法及其应用

提出了一种基于量子位Bloch坐标的量子遗传算法. 该方法用量子位构成染色体; 用量子位的Bloch坐标构成染色体上的基因位; 用量子旋转门进行染色体上量子位的更新; 用量子非门进行染色体变异. 对于量子旋转门的转角大小及方向的确定, 提出了一种简易快捷的新方法; 对旋转和变异操作, 提出了基于量子位Bloch坐标的新算子. 该算法将量子位的3个Bloch 坐标都看作基因位, 每条染色体包含3条并列的基因链, 每条基因链代表1个优化解.在染色体数目相同时, 可加速优化进程. 以函数极值优化和神经网络权值优化为例, 仿真结果表明该方法在搜索能力和优化效率两个方面优于普通量子遗传算法和简单遗传算法.     

Using non-ideal gates to implement universal quantum computing between uncoupled qubits

In many physical systems, when implementing quantum gate operations unavoidable global and relative phases occur as by-products due to the internal structure of the governing Hamiltonian. To correct, additional phase rotation gates are used, which increases the computational overhead. Here, we show how these phase by-products can actually be used to our advantage by using them to implement universal quantum computing between qubits not directly coupled to each other. The gate operations, CNOT, Toffoli, and swap gates, require much less computational overhead than present schemes, and are achieved with fidelity greater than 99%. We then present a linear nearest-neighbor architecture that takes full advantage of the phase by-products, and we show how to implement gates from a universal set efficiently in this layout. In this scheme gate operations are realized by only varying a single control parameter per data qubit, and the ability to tune couplings is not required.     

Controllability and Universal Three-qubit Quantum Computation with Trapped Electron States

We show how to control and perform universal three-qubit quantum computation with trapped electron quantum states. The three qubits are the electron spin, and the first two quantum states of the cyclotron and axial harmonic oscillators. We explicitly show how universal three-qubit gates can be performed. As an example of a quantum algorithm, we outline the implementation of the three-qubit Deutsch-Jozsa algorithm in this system.      

Yang–Baxterizations,Universal Quantum Gates and Hamiltonians

The unitary braiding operators describing topological entanglements can be viewed as universal quantum gates for quantum computation. With the help of the Brylinski’s theorem, the unitary solutions of the quantum Yang–Baxter equation can be also related to universal quantum gates. This paper derives the unitary solutions of the quantum Yang–Baxter equation via Yang–Baxterization from the solutions of the braid relation. We study Yang–Baxterizations of the non-standard and standard representations of the six-vertex model and the complete solutions of the non-vanishing eight-vertex model. We construct Hamiltonians responsible for the time-evolution of the unitary braiding operators which lead to the Schrödinger equations.     

通用的辅助量子计算

设计了一个通用的辅助量子计算协议。该协议的客户端Alice仅拥有经典计算机或有限的量子技术,这些资源不足以让Alice做通用量子计算,因此Alice需要把她的量子计算任务委派给远程的量子服务器Bob。Bob拥有充分成熟的量子计算机,并会诚实地帮助Alice执行委派的量子计算任务,但他却得不到Alice的任何输入、输出信息。该协议只要求Alice能发送量子态和执行Pauli门操作,协议具有通用性、半盲性、正确性和可验证性。