{ "cells": [ { "cell_type": "markdown", "source": [ "# MBQC 入门介绍 \n", "\n", " Copyright (c) 2021 Institute for Quantum Computing, Baidu Inc. All Rights Reserved. " ], "metadata": { "tags": [] } }, { "cell_type": "markdown", "source": [ "## 概述\n", "\n", "量子计算利用量子世界中特有的运行规律,为我们提供了一种全新的并且非常有前景的信息处理方式。其计算的本质是通过特定的方式将初始制备的量子态演化成我们预期的另一个量子态,然后在演化后的量子态上做测量以获得计算结果。但是在不同模型下,量子态的演化方式各异。比较常用的**量子电路模型 (quantum circuit model)** [1,2] 通过对量子态进行量子门操作来完成演化,该模型可以理解为经典计算模型的量子版本,被广泛地应用在量子计算领域中。而**基于测量的量子计算 (measurement-based quantum computation, MBQC)** 是一种完全不同于量子电路模型的计算方式。\n", "\n", "顾名思义,MBQC 模型的计算过程是通过量子测量完成的。基于测量的量子计算主要有两种子模型:**隐形传态量子计算 (teleportation-based quantum computing, TQC)** 模型 [3-5]\n", "和**单向量子计算机 (one-way quantum computer, 1WQC)** 模型\n", "[6-9]。其中,前者需要用到多量子比特的联合测量,而后者只需要单比特测量即可。有趣的是,这两种子模型在被分别提出后,被证明是高度相关并且一一对应的 [10]。所以我们此后将不加声明地,**默认讨论的 MBQC 模型为 1WQC 模型。**\n", "\n", "与电路模型不同,MBQC 是量子计算特有的一种模型,没有经典计算模型的对应。该模型的核心思想在于对一个量子纠缠态的部分比特进行测量,未被测量的量子系统将会实现相应的演化,并且通过对测量方式的控制,我们可以实现任意需要的演化。MBQC\n", "模型下的计算过程主要分为三个步骤:第一步,准备一个**资源态 (resource state)**,即一个高度纠缠的多体量子态,该量子态可以在计算开始之前准备好,且可以与具体计算任务无关;第二步,对准备好的资源态的每个比特依次做单比特测量,其中后续比特的测量方式可以根据已经被测量的比特的测量结果做出相应调整,即允许**适应性测量 (adaptive measurement)**;第三步,对测量后得到的量子态进行 **副产品纠正 (byproduct correction)**。最后,我们对所有比特的测量结果进行经典数据处理,即可得到需要的计算结果。\n", "\n", "图 1 给出了一个 MBQC 模型下的算法示例。图中的网格代表了一种常用的量子资源态,(称为**团簇态,cluster state**,详见下文),网格上的每个节点都代表了一个量子比特,整个网格则代表了一个高度纠缠的量子态。我们依次对每个比特进行测量(节点中的 $X, Y, Z, XY$ 等表示对应的测量基),对测量后的量子态进行副产品纠正(消除 Pauli $X$ 算符和 Pauli $Z$ 算符),即可完成计算。\n", "\n", "![MBQC example](./figures/mbqc-fig-general_pattern.jpg)\n", "