贝尔测量设备验证方法及装置、电子设备和介质

技术领域

本公开涉及计算机领域，尤其涉及量子计算机技术领域，具体涉及一种贝尔测量设备验证方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。

背景技术

随着越来越多的新兴量子科技的不断涌现，量子硬件技术也在逐年提升，量子通信以及量子互联网也在不断发展。量子科技的重要资源之一是贝尔测量(BellMeasurement)，它是量子计算和量子信息处理的核心资源和基本组成部分，是许多著名量子信息处理案例如量子密钥分发(Quantum Key Distribution)、量子超密编码(QuantumSuperdense Coding)、量子隐形传态(Quantum Teleportation)等的核心部分。因此，验证一个未知的量子测量设备是否能够精确实现贝尔测量，是量子计算的核心问题。

发明内容

本公开提供了一种贝尔测量设备验证方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。

根据本公开的一方面，提供了一种贝尔测量设备验证方法，包括：确定探测量子态集合，所述探测量子态集合中的探测量子态与相应的后处理算符一一对应，其中，所述后处理算符基于理想贝尔测量设备对相应的探测量子态进行测量所能获得的所有测量结果确定；重复执行以下操作多次：在所述探测量子态集合中随机选择一个探测量子态，以通过待验证的贝尔测量设备对所述探测量子态进行测量，以获得测量结果；以及响应于确定每一次操作所获得的测量结果均出现在相对应的后处理算符中，确定所述待验证的贝尔测量设备被验证通过。

根据本公开的另一方面，提供了一种贝尔测量设备验证装置，包括：第一确定单元，配置为确定探测量子态集合，所述探测量子态集合中的探测量子态与相应的后处理算符一一对应，其中，所述后处理算符基于理想贝尔测量设备对相应的探测量子态进行测量所能获得的所有测量结果确定；操作单元，配置为重复执行以下操作多次：在所述探测量子态集合中随机选择一个探测量子态，以通过待验证的贝尔测量设备对所述探测量子态进行测量，以获得测量结果；以及验证单元，配置为响应于确定每一次操作所获得的测量结果均出现在相对应的后处理算符中，确定所述待验证的贝尔测量设备被验证通过。

根据本公开的另一方面，提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，该指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行本公开所述的方法。

根据本公开的另一方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，该计算机指令用于使计算机执行本公开所述的方法。

根据本公开的另一方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序在被处理器执行时实现本公开所述的方法。

根据本公开的一个或多个实施例，仅使用局域量子操作以及经典通信即能完成验证任务，并且保证当未知测量设备没有实现贝尔测量时，错误断言其验证通过的概率较小。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

附图示例性地示出了实施例并且构成说明书的一部分，与说明书的文字描述一起用于讲解实施例的示例性实施方式。所示出的实施例仅出于例示的目的，并不限制权利要求的范围。在所有附图中，相同的附图标记指代类似但不一定相同的要素。

图1示出了根据本公开的实施例的贝尔测量设备验证方法的流程图；

图2示出了根据本公开的实施例的贝尔测量设备验证方法的示意图；

图3示出了根据本公开的实施例的贝尔测量设备验证装置的结构框图；以及

图4示出了能够用于实现本公开的实施例的示例性电子设备的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

在本公开中，除非另有说明，否则使用术语“第一”、“第二”等来描述各种要素不意图限定这些要素的位置关系、时序关系或重要性关系，这种术语只是用于将一个元件与另一元件区分开。在一些示例中，第一要素和第二要素可以指向该要素的同一实例，而在某些情况下，基于上下文的描述，它们也可以指代不同实例。

在本公开中对各种所述示例的描述中所使用的术语只是为了描述特定示例的目的，而并非旨在进行限制。除非上下文另外明确地表明，如果不特意限定要素的数量，则该要素可以是一个也可以是多个。此外，本公开中所使用的术语“和/或”涵盖所列出的项目中的任何一个以及全部可能的组合方式。

下面将结合附图详细描述本公开的实施例。

迄今为止，正在应用中的各种不同类型的计算机都是以经典物理学为信息处理的理论基础，称为传统计算机或经典计算机。经典信息系统采用物理上最容易实现的二进制数据位存储数据或程序，每一个二进制数据位由0或1表示，称为一个位或比特，作为最小的信息单元。经典计算机本身存在着不可避免的弱点：一是计算过程能耗的最基本限制。逻辑元件或存储单元所需的最低能量应在kT的几倍以上，以避免在热胀落下的误动作；二是信息熵与发热能耗；三是计算机芯片的布线密度很大时，根据海森堡不确定性关系，电子位置的不确定量很小时，动量的不确定量就会很大。电子不再被束缚，会有量子干涉效应，这种效应甚至会破坏芯片的性能。

量子计算机(quantum computer)是一类遵循量子力学性质、规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理设备。当某个设备处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，他就是量子计算机。量子计算机遵循着独一无二的量子动力学规律(特别是量子干涉)来实现一种信息处理的新模式。对计算问题并行处理，量子计算机比起经典计算机有着速度上的绝对优势。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果，这种计算称为量子并行计算。量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作，例如一个很大的自然数的因子分解。量子相干性在所有的量子超快速算法中得到了本质性的利用。因此，用量子态代替经典态的量子并行计算，可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能，同时节省了大量的运算资源。

以量子超密编码协议为例，其量子协议如下：协议双方Alice和Bob预先共享一对高度纠缠的贝尔态(Bell State)；Alice根据需要传输的两比特经典信息对其所持有的量子比特做出相应的量子编码操作，然后将操作后的一个量子比特通过量子信道传递给Bob；Bob对收到的量子比特和原先持有的量子比特进行贝尔测量，解码Alice传输的两比特经典信息。量子超密编码协议巧妙地利用量子纠缠性质，实现了通过一个量子比特传递了两个经典比特的信息，从而实现容量更大、效率更高的通讯方式。

可以看出，Bob需要执行精确的贝尔测量才能够完整解码Alice传输的两比特经典信息。如果其所执行的贝尔测量不够精确，那么超密编码协议就无法正常进行，Bob无法准确解码Alice所传输的经典信息，也无法体现量子信息处理的优势。事实上，贝尔测量的实验实现是比较困难的。

由上面的量子超密编码协议可以看出，如何验证一个未知测量设备是否精确实现贝尔测量，是量子计算的一个核心问题。理论上，贝尔测量局域验证问题可以使用量子探测器层析(Quantum Detector Tomography)技术解决。该方法通过构造不同的量子输入态，使用给定的未知设备进行测量，并统计测量结果。然后，进行数据后处理来获得未知测量设备的完整信息。一旦知道了未知设备的完整信息，自然可以判断该未知设备是否实现了贝尔测量。

但是，使用量子探测器层析方法来解决贝尔测量局域验证问题存在如下两个问题：首先，层析技术虽然可以将测量设备的完整信息刻画出来，但是层析代价非常高昂。在现有的技术条件下，需要制备的量子态资源为O(4

因此，根据本公开的实施例提供了一种贝尔测量设备验证方法。图1示出了根据本公开的实施例的贝尔测量设备验证方法的流程图，如图1所示，方法100包括：确定探测量子态集合，所述探测量子态集合中的探测量子态与相应的后处理算符一一对应，其中，所述后处理算符基于理想贝尔测量设备对相应的探测量子态进行测量所能获得的所有测量结果确定(步骤110)；重复执行以下操作多次：在所述探测量子态集合中随机选择一个探测量子态，以通过待验证的贝尔测量设备对所述探测量子态进行测量，以获得测量结果(步骤120)；以及响应于确定每一次操作所获得的测量结果均出现在相对应的后处理算符中，确定所述待验证的贝尔测量设备被验证通过(步骤130)。

根据本公开的实施例，仅使用局域量子操作以及经典通信即能完成验证任务，并且保证当未知测量设备没有实现贝尔测量时，错误断言其验证通过的概率较小。

可以理解的是，对于两量子比特的贝尔态(Bell State)共有四个，定义为如下所示：

其中，σ

在一些示例中，对于给定一个未知的两量子比特测量设备

该保真度在一定程度上刻画了

如果设备制造商(称之为Adversary，对抗者)制造了两量子比特未知测量设备

在一些示例中，考虑到验证过程本身不能消耗比被验证对象(贝尔测量)更多更严苛的资源，一般要求参与验证的双方只能够使用局域量子操作(Local QuantumOperation)以及经典通信(Classical Communication)，通过经典数据后处理的方式来完成验证过程。因此，在一些实施例中，为了尽可能精确的判断未知设备是否实现贝尔测量，对未知测量设备进行验证的局域验证策略需满足以下约束条件：如果未知测量设备实现了贝尔测量，则总是可以断言其验证通过，即防止将合格产品断言为不合格产品；如果未知测量设备没有实现贝尔测量，则错误断言其验证通过的概率越小越好。

目前，纠缠探测态尤其是贝尔态的制备较难，即全局验证策略较难实现。因此，在一些实施例中，可以约束所输入的探测态为局域态，即验证者Alice和Bob各自制备量子态，不使用任何纠缠。并且，在一些实施例中，可以约束验证方制备随机探测态，如果探测态不随机，那设备制造商就可能根据验证者所制备的探测态信息来定制总能通过测试的非贝尔测量设备，从而欺骗验证者。

根据一些实施例，所述探测量子态集合可以基于以下项中的至少一项所对应的特征向量确定：泡利X算符、泡利Y算符以及泡利Z算符。

具体地，在对贝尔测量设备进行验证之前，可以引入如下量子态表示：

其中，|0>、|1>为泡利Z算符的特征向量，|+>、|->为泡利X算符的特征向量，而|T>、|⊥>为泡利Y算符的特征向量。基于上述量子态，可以构造相应的探测量子态集合及其对应的后处理算符，以基于该探测量子态集合进行贝尔测量设备的验证。

为了验证贝尔测量，可以构造包含多种不同类型的探测量子态

可以理解的是，该探测量子态集合中的探测量子态的数量以及探测量子态的类型可以为任意的，只是不同数量和类型的探测量子态集合可能会影响验证该贝尔测量设备所需的代价(例如验证操作的执行次数)。

根据一些实施例，根据本公开的方法还可以包括：确定预设的所述待验证的贝尔测量设备的误差值以及预设的置信度；以及基于所述误差值以及所述置信度确定重复执行所述操作的次数。

可以理解的是，重复次数越多，验证结果越精确。在基于可允许的测量误差以及可接受的出现错误判断的置信度确定执行次数时，可以防止不停重复验证操作而造成的计算量浪费，同时又保证了精度要求。

在一些实施例中，在得到探测量子态集合之后，可以进一步确定该集合的探测性能，即，该探测量子态集合检测贝尔测量的能力。具体地，可以根据以下公式构造探测量子态集合所对应的量子探测算符Ω：

其中，n是系统的量子比特数，而ρ

根据一些实施例，可以基于以下公式确定重复执行所述操作的次数N：

其中，λ

可以证明，全局最优验证方案(全局最优方案为制备贝尔态作为探测态)所对应的第二大特征值为0。根据上面公式，可以证明，局域验证方案所需要制备的探测量子态的数量最少为：

对比可知，局域验证方案相对于全局最优验证方案的额外代价系数最小可以为3/2。其中，表1给出了额外代价系数最小时所对应的一种探测量子态集合的形式以及其相对应的后处理算符。可以理解的是，表1给出的探测量子态集合虽然是最优的(即验证方案所需要制备的探测量子态数量最少)，但是并不代表该集合唯一。可以构造其他探测量子态集合，只要其对应的量子探测算符Ω的第二大特征值为1/3即可，那么该探测量子态集合也是最优的。

表1

在根据本公开的一个实施例中，确定未知的贝尔测量设备

第一步：基于所选定的探测量子态集合计算需要执行的总测试轮数N，并初始化迭代参数k＝0。

第二步：更新迭代参数k＝k+1，并进行如下判断：如果k≥N，跳转到第五步(验证过程结束，所有探测态都通过测试)；如果k＜N，执行第三步(获取新的探测态，继续测试该未知贝尔测量设备)。

第三步：基于所选定的探测量子态集合，按照概率分布(每个探测态被选中的概率均为1/N)随机从中选择探测量子态

第四步：将x

第五步：输出验证通过。

可以理解的是，上述方案的输出结果应该作如下理解：如果输出结果是未验证通过，则被验证的未知测量设备必然不是贝尔测量；如果输出结果是验证通过，则被验证的未知测量设备有超过1-δ的概率是贝尔测量。

根据本公开的实施例，如图3所示，还提供了一种贝尔测量设备验证装置300，包括：第一确定单元310，配置为确定探测量子态集合，所述探测量子态集合中的探测量子态与相应的后处理算符一一对应，其中，所述后处理算符基于理想贝尔测量设备对相应的探测量子态进行测量所能获得的所有测量结果确定；操作单元320，配置为重复执行以下操作多次：在所述探测量子态集合中随机选择一个探测量子态，以通过待验证的贝尔测量设备对所述探测量子态进行测量，以获得测量结果；以及验证单元330，配置为响应于确定每一次操作所获得的测量结果均出现在相对应的后处理算符中，确定所述待验证的贝尔测量设备被验证通过。

这里，贝尔测量设备验证装置300的上述各单元310～330的操作分别与前面描述的步骤110～130的操作类似，在此不再赘述。

根据本公开的实施例，还提供了一种电子设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。

参考图4，现将描述可以作为本公开的服务器或客户端的电子设备400的结构框图，其是可以应用于本公开的各方面的硬件设备的示例。电子设备旨在表示各种形式的数字电子的计算机设备，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。

如图4所示，电子设备400包括计算单元401，其可以根据存储在只读存储器(ROM)402中的计算机程序或者从存储单元408加载到随机访问存储器(RAM)403中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM403中，还可存储电子设备400操作所需的各种程序和数据。计算单元401、ROM 402以及RAM 403通过总线404彼此相连。输入/输出(I/O)接口405也连接至总线404。

电子设备400中的多个部件连接至I/O接口405，包括：输入单元406、输出单元407、存储单元408以及通信单元409。输入单元406可以是能向电子设备400输入信息的任何类型的设备，输入单元406可以接收输入的数字或字符信息，以及产生与电子设备的用户设置和/或功能控制有关的键信号输入，并且可以包括但不限于鼠标、键盘、触摸屏、轨迹板、轨迹球、操作杆、麦克风和/或遥控器。输出单元407可以是能呈现信息的任何类型的设备，并且可以包括但不限于显示器、扬声器、视频/音频输出终端、振动器和/或打印机。存储单元408可以包括但不限于磁盘、光盘。通信单元409允许电子设备400通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据，并且可以包括但不限于调制解调器、网卡、红外通信设备、无线通信收发机和/或芯片组，例如蓝牙TM设备、802.11设备、WiFi设备、WiMax设备、蜂窝通信设备和/或类似物。

计算单元401可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元401的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元401执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法100。例如，在一些实施例中，方法100可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元408。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 402和/或通信单元409而被载入和/或安装到电子设备400上。当计算机程序加载到RAM 403并由计算单元401执行时，可以执行上文描述的方法100的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元401可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法100。

本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。

可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)、互联网和区块链网络。

计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本公开中记载的各步骤可以并行地执行、也可以顺序地或以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

虽然已经参照附图描述了本公开的实施例或示例，但应理解，上述的方法、系统和设备仅仅是示例性的实施例或示例，本发明的范围并不由这些实施例或示例限制，而是仅由授权后的权利要求书及其等同范围来限定。实施例或示例中的各种要素可以被省略或者可由其等同要素替代。此外，可以通过不同于本公开中描述的次序来执行各步骤。进一步地，可以以各种方式组合实施例或示例中的各种要素。重要的是随着技术的演进，在此描述的很多要素可以由本公开之后出现的等同要素进行替换。