量子計(jì)算是基于量子力學(xué)的全新計(jì)算模式,具有遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算的強(qiáng)大并行計(jì)算能力,在密碼破譯、核爆模擬、軍事氣象、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢(shì),是高性能計(jì)算領(lǐng)域公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)。因此,開(kāi)展量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究,意義重大。本文針對(duì)線(xiàn)性光學(xué)量子計(jì)算,從量子計(jì)算的基礎(chǔ)支撐層面、算法實(shí)現(xiàn)層面,以及應(yīng)用模式層面進(jìn)行了系統(tǒng)研究,主要的研究成果如下:一、在基礎(chǔ)支撐層面,研究了量子資源對(duì)算法加速的影響、光量子比特的規(guī)模擴(kuò)展方法,以及高效率量子門(mén)的實(shí)現(xiàn)方案,為量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。1、量子糾纏在量子計(jì)算中的加速作用研究。研究量子資源對(duì)量子計(jì)算加速效果的影響,可為量子算法的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。設(shè)計(jì)了一種Deutsch型問(wèn)題,證明了在不允許使用糾纏情況下,量子算法相較于經(jīng)典算法不能提供加速;同時(shí),通過(guò)在算法初始化階段引入糾纏,設(shè)計(jì)了一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)加速的量子算法,證明了糾纏可以加速量子計(jì)算對(duì)于Deutsch型問(wèn)題的求解,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的量子算法的可行性。該工作可為設(shè)計(jì)新的量子算法提供可靠和清晰的指導(dǎo),并且提出的量子算法可直接用于研究布爾函數(shù)的整體性質(zhì),其潛在的應(yīng)用是與布爾函數(shù)相關(guān)的密碼分析。2、光量子比特制備和確定性Toffoli門(mén)實(shí)現(xiàn)方案研究。量子比特是量子計(jì)算的基礎(chǔ)資源,因此制備更多量子比特是量子計(jì)算的首要任務(wù),而高效率的量子門(mén)實(shí)現(xiàn)方案則是量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。為進(jìn)一步擴(kuò)展光量子比特的數(shù)量,我們同時(shí)探索了擴(kuò)展光子數(shù)量和操控光子更多自由度兩條途徑,通過(guò)發(fā)展高品質(zhì)糾纏光源和光子三自由度操控技術(shù),成功實(shí)現(xiàn)了十光子糾纏態(tài)和6光子18比特糾纏態(tài)的制備,代表著目前光量子比特可操控?cái)?shù)目的最高技術(shù)水平,為線(xiàn)性光學(xué)量子計(jì)算平臺(tái)提供更多可操控量子比特;此外,基于光子的極化、路徑和軌道角動(dòng)量三個(gè)自由度,通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)光子多自由度干涉儀,提出線(xiàn)性光學(xué)平臺(tái)的確定性Toffoli門(mén)實(shí)現(xiàn)方案,為高效率線(xiàn)性光學(xué)量子計(jì)算提供基礎(chǔ)的量子門(mén)操作。二、在算法實(shí)現(xiàn)層面,針對(duì)通用型和非通用型量子計(jì)算,研究其實(shí)現(xiàn)方法,并研究玻色采樣非通用量子計(jì)算的驗(yàn)證方法,探索利用量子計(jì)算解決實(shí)際問(wèn)題的方法和能力。1、量子拓?fù)鋽?shù)據(jù)分析算法實(shí)現(xiàn)方法研究。探索具體量子算法的實(shí)現(xiàn)方法,是通向量子計(jì)算大規(guī)模應(yīng)用的必經(jīng)之路。量子拓?fù)鋽?shù)據(jù)分析可用于挖掘大數(shù)據(jù)中的潛藏價(jià)值信息,對(duì)密碼分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域都有重要意義,但目前尚未被實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn),我們針對(duì)該算法,探索了其實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)提取算法中的關(guān)鍵模塊,分析其本質(zhì)作用,引入等價(jià)變換,通過(guò)步步簡(jiǎn)化,將算法的數(shù)學(xué)語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成實(shí)驗(yàn)語(yǔ)言,設(shè)計(jì)了5比特的量子算法簡(jiǎn)化線(xiàn)路,并搭建了小規(guī)模線(xiàn)性光學(xué)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái),基于發(fā)展的3比特超高保真度混態(tài)和糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)操控技術(shù),成功分析了三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在不同截?cái)嗑嚯x下的貝蒂數(shù)拓?fù)涮卣?實(shí)現(xiàn)了量子拓?fù)鋽?shù)據(jù)分析算法的實(shí)驗(yàn)演示驗(yàn)證,為未來(lái)使用量子計(jì)算進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析提供新的思路。2、量子計(jì)算中玻色采樣問(wèn)題的驗(yàn)證方法研究。由于玻色采樣是一個(gè)采樣問(wèn)題,且在數(shù)學(xué)上是難解的,導(dǎo)致其實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性驗(yàn)證成為巨大挑戰(zhàn)。針對(duì)非碰撞玻色采樣問(wèn)題,通過(guò)統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果的二階關(guān)聯(lián)函數(shù),分析其統(tǒng)計(jì)特性,基于Walschaers等人提出的統(tǒng)計(jì)方法,給出了非碰撞玻色采樣的二階關(guān)聯(lián)驗(yàn)證方法。通過(guò)數(shù)值模擬,研究了在有限樣本和噪聲等實(shí)際情況下該驗(yàn)證方法的實(shí)際性能,展示了該驗(yàn)證方法的實(shí)用性;基于發(fā)展的高品質(zhì)參量下轉(zhuǎn)換單光子源,以及獨(dú)創(chuàng)的超低損耗塊狀干涉儀,實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了高采樣率非碰撞三光子玻色采樣,該玻色采樣機(jī)的采樣速率為636Hz,較之前的實(shí)驗(yàn)提升了數(shù)千倍。基于此系統(tǒng),通過(guò)分析輸出狀態(tài)下的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)特性,成功驗(yàn)證了非碰撞三光子玻色采樣的輸出結(jié)果,從實(shí)驗(yàn)的角度說(shuō)明了二階關(guān)聯(lián)驗(yàn)證方法的正確性。同時(shí),實(shí)驗(yàn)中發(fā)展的技術(shù)也為下一步大規(guī)模擴(kuò)展玻色采樣,演示“量子優(yōu)勢(shì)”奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。三、在應(yīng)用模式層面,研究了云架構(gòu)的量子計(jì)算應(yīng)用模式,針對(duì)基于經(jīng)典指令的量子云計(jì)算,以及兩種不同類(lèi)型的量子云平臺(tái),分別研究了安全量子云計(jì)算的協(xié)議設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法,為未來(lái)的安全量子云計(jì)算奠定基礎(chǔ)。1、基于經(jīng)典指令量子云計(jì)算協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。安全量子云計(jì)算技術(shù)旨在研究如何在保護(hù)用戶(hù)數(shù)據(jù)安全的前提下共享量子計(jì)算的算力資源,然而目前為止所有的量子云計(jì)算實(shí)驗(yàn)都需要用戶(hù)具備一定的量子操控能力,限制了量子云計(jì)算的廣泛應(yīng)用。我們探索了基于經(jīng)典指令量子云計(jì)算的可行性,通過(guò)制備三對(duì)高品質(zhì)糾纏光源,實(shí)驗(yàn)構(gòu)建模擬了兩臺(tái)共享糾纏的量子云服務(wù)器,設(shè)計(jì)了Shor算法的分布式量子計(jì)算方案,基于RUV協(xié)議中用戶(hù)與量子云服務(wù)器的經(jīng)典交互模式,成功利用量子云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了Shor算法,并分析了實(shí)驗(yàn)的可靠性和計(jì)算效率。該工作對(duì)安全分布式量子云計(jì)算進(jìn)行了啟發(fā)式探索,并首次驗(yàn)證了一個(gè)完全使用經(jīng)典設(shè)備的用戶(hù)可以委托計(jì)算任務(wù)給不可信的量子云服務(wù)器,同時(shí)保證隱私不被竊取,展示了基于經(jīng)典指令安全量子云計(jì)算的可行性;同時(shí),Shor算法的實(shí)現(xiàn)也說(shuō)明了利用量子云服務(wù)器進(jìn)行密碼破譯成為可能。2、適用于多種平臺(tái)類(lèi)型的安全量子云計(jì)算。考慮到未來(lái)的量子云計(jì)算平臺(tái)類(lèi)型存在多種可能,分別針對(duì)雜化物理體系量子云平臺(tái)和現(xiàn)實(shí)量子云平臺(tái),給出相應(yīng)的安全量子云計(jì)算協(xié)議和實(shí)現(xiàn)方案。1)適用于雜化物理體系的安全量子云計(jì)算。通過(guò)糾纏不同物理體系,實(shí)現(xiàn)加密量子信息的傳遞,設(shè)計(jì)了適用于多物理體系雜化的量子云計(jì)算協(xié)議,分析了該協(xié)議的安全性、正確性和可擴(kuò)展性,該協(xié)議可作為一個(gè)基本框架,與目前提出的大多數(shù)量子云計(jì)算協(xié)議都可進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,以此構(gòu)建一套完整的雜化物理體系量子云計(jì)算協(xié)議族。2)適用于現(xiàn)實(shí)量子云平臺(tái)的安全量子云計(jì)算。借鑒同態(tài)加密思想,針對(duì)線(xiàn)性方程組量子求解算法的特性,設(shè)計(jì)了可應(yīng)用于線(xiàn)性方程組量子求解算法的安全云計(jì)算協(xié)議,該方案所采用的“經(jīng)典加密+量子算法”融合方式,可為未來(lái)的安全量子云計(jì)算提供可行思路;進(jìn)一步,基于IBM量子云平臺(tái),在保證用戶(hù)數(shù)據(jù)安全的前提下,成功利用IBM量子云端實(shí)現(xiàn)了2×2規(guī)模線(xiàn)性方程組的求解,首次實(shí)現(xiàn)了基于現(xiàn)實(shí)量子云服務(wù)器的安全量子云計(jì)算。
【學(xué)位單位】：戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：O413
【部分圖文】：

第一章 緒論第一章 緒論本章主要介紹量子計(jì)算的研究背景及意義，然后著重介紹線(xiàn)性光學(xué)量子計(jì)算的研并簡(jiǎn)要介紹其他量子計(jì)算體系的進(jìn)展，進(jìn)行綜合情況對(duì)比，最后介紹本文的主要文的組織結(jié)構(gòu)安排。 研究背景和意義傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理器性能的提升主要依賴(lài)于芯片的集成度，然而隨著芯片集成度晶體管體積越來(lái)越小，其所能容納的電子數(shù)目也隨之越來(lái)越少，由于不可避免的效應(yīng)和大功耗散熱問(wèn)題，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能增長(zhǎng)方式終將達(dá)到其物理極限。俱增的大規(guī)模計(jì)算任務(wù)，如密碼破譯、軍事氣象、優(yōu)化決策等問(wèn)題，必須探索全理的高性能計(jì)算技術(shù)。

圖 1.3 玻色采樣實(shí)驗(yàn).2.1.3 應(yīng)用模式層面根據(jù)量子計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)，研究未來(lái)量子計(jì)算的應(yīng)用模式，是量子計(jì)算發(fā)展必須考實(shí)際問(wèn)題。由于量子計(jì)算機(jī)極高的制造成本和技術(shù)門(mén)檻，其很有可能類(lèi)似于當(dāng)前的超級(jí)計(jì)算機(jī)被少數(shù)機(jī)構(gòu)所擁有，因此云架構(gòu)的應(yīng)用模式應(yīng)運(yùn)而生，普通用戶(hù)通過(guò)量子云計(jì)算的運(yùn)式，共享量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算資源。目前已有多家科研機(jī)構(gòu)發(fā)布了小規(guī)模量子云計(jì)臺(tái)。2016 年，IBM 發(fā)布了 5 比特的超導(dǎo)量子云計(jì)算平臺(tái)，并于 2017 年升級(jí)至 16 比特

算平臺(tái) NMRCloudQ，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)發(fā)布了基于半導(dǎo)體量子芯片的“本源量子云計(jì)算平臺(tái)”，2018 年中科大與阿里云聯(lián)合發(fā)布了 11 比特的超導(dǎo)量子云計(jì)算平臺(tái)。這些小規(guī)模量子云計(jì)算平臺(tái)如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，體現(xiàn)了量子云計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)和潛在價(jià)值。光子具有飛行比特這一獨(dú)特性質(zhì)，是未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)和分布式量子計(jì)算不可或缺的成分，因此基于線(xiàn)性光學(xué)量子計(jì)算，探索量子云計(jì)算技術(shù)具有實(shí)際意義。對(duì)于量子云計(jì)算的應(yīng)用模式，首要考慮的因素是信息安全問(wèn)題。而安全量子云計(jì)算技術(shù)旨在研究如何在保護(hù)用戶(hù)數(shù)據(jù)安全的前提下共享量子計(jì)算算力資源，通過(guò)盲量子計(jì)算[103]-[117]和量子同態(tài)加密[51][118]-[122]等協(xié)議（本文統(tǒng)稱(chēng)為量子云計(jì)算協(xié)議），可在量子云計(jì)算的運(yùn)行模式下保護(hù)用戶(hù)的數(shù)據(jù)安全，防止量子云服務(wù)器竊取、搜集和分析用戶(hù)的隱私數(shù)據(jù)。自 2012 年 Philp Wather小組基于四光子量子計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)量子云計(jì)算實(shí)驗(yàn)以來(lái)[123]，所有量子云計(jì)算實(shí)驗(yàn)都是基于線(xiàn)性光學(xué)量子計(jì)算平臺(tái)開(kāi)展的[124]-[127]。然而，在這些實(shí)驗(yàn)中，都需要用戶(hù)具備一定的量子操控技術(shù)（制備或測(cè)量單比特量子態(tài)）[128]，如果能夠進(jìn)一步有效降低用戶(hù)的設(shè)備要求，實(shí)現(xiàn)完全經(jīng)典用戶(hù)的量子云計(jì)算，將成為量子云計(jì)算研究的里程碑，值得深入研究。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 文家焱;王國(guó)利;;絕熱量子搜索算法中的糾纏與能量分析[J];計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展;2008年S1期

本文編號(hào)：2823339