[发明专利]一种容错实现通用量子计算的方法

说明书

技术领域

本发明涉及量子信息量子计算领域，更具体地，涉及一种普适有效的容错实现通用量子计算的方法。

背景技术

经典的摩尔定律终将走向极限，承接它的将是量子计算。量子计算由于其纠缠性和相干叠加性而具有强大的并行计算的能力，能够解决一些经典计算中不能够解决的问题，因此引起了人们广泛关注。如2012年诺贝尔物理学奖得主Serge Haroche和David J.Wineland分别利用微米量级的高反射光学微腔实现了单个原子辐射光子的操作，以及利用可结合激光冷却技术，在离子阱中实现了单个离子的囚禁。他们突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能；近年来D-Wave公司推出了系列商用量子计算机D-Wave One，D-Wave Two等。

此外中国在量子计算与量子模拟方向上也是取得一定成绩的，如中科大潘建伟院士研究小组，用一套全新的实验技术实现了八光子簇态的拓扑量子纠错，使我国在光子计算机方面达到国际领先水平。此外他们还在国际上首次成功实现了用量子计算机求解线性方程组的实验，使其可用于高准确度的气象预报等。

量子计算机的前景光明，但仍面临着一系列现实困境。如由于系统的演化以及环境的影响，其纠缠相干性很容易被破坏，也就是说不可避免要遭受噪声的影响。如何克服噪声，保护信息不被丢失破坏。目前人们提出各种方案，如抗消相干子空间的方法(只能针对特定类型的错误)；拓扑量子计算的方法(不能够实现量子通用性)，以及容错量子计算的方法。

容错量子计算是指单个错误在每个编码块内只能引起至多一个差错，而且每个编码块内的单个错都可以被检测纠正，这一特性也被称为横截性。首先介绍下Pauli X,Y,Z算子为X≡0110,Z=100-1,Y=0-ii0,]]>Clifford群操作可以定义为将Pauli群中的算子映射到Pauli群自身的一些操作，如相位门K=100i,]]>Hardmard门H=12111-1,]]>受控非门1000010000010010]]>以及反向受控非Λ(X)=1000000100100100]]>等，通俗些讲就是比较容易实现的操作，我们一般视作这些操作是可以完美实现的，也即Clifford群操作可自动满足容错性要求。然而根据Gottesman-Knill定理，Clifford群操作可以被经典计算模拟，进而不能显示量子计算机的优势。要想实现量子计算的通用性，就需要有Non-Clifford门的加盟，容错量子计算一般适用于一些离散门集，也即用Clifford操作加上一个或几个Non-Clifford门构成容错通用量子计算门集。Non-Clifford门是与Clifford群门相对的一些门，一般容错性较差，容易造成错误的累积，不能够横截实施，最常用的有Toffoli门(即受控受控非门)，π/8门以及这里我们主要用到的绕Z轴R_z(θ)以及绕X轴的旋转门R_x(θ),θ指π的非整数倍。