《電子技術(shù)應(yīng)用》
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自由演化量子态的一种在线估计算法
网络安全与数据治理 2期
黄 吉，丛 爽，张 坤
(中国科学技术大学 信息科学技术学院，安徽 合肥230026)
摘要： 目前，对量子状态估计的算法大都采用离线批处理的方式进行，但离线量子态估计的方法对演化的量子系统难以实时估计。为了解决这一问题，提出一种在线优化算法，用于从具有测量随机噪声的量子系统中，通过连续弱测量估计该自由演化量子系统的状态密度。该算法基于在线邻近梯度法和交替方向乘子法提出，通过1、2、3和4位量子系统的仿真实验，验证了该算法计算高效，对测量随机噪声具有更高的鲁棒性。
中圖分類號： TP391
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI： 10.20044/j.csdg.2097-1788.2022.02.013
引用格式： 黃吉，叢爽，張坤. 自由演化量子態(tài)的一種在線估計算法[J].網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)治理，2022，41(2)：79-85，105.
An online estimation algorithm for freely evolving quantum states
Huang Ji，Cong Shuang，Zhang Kun
(School of Information Science and Technology，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China)
Abstract： At present, most of the algorithms for estimating quantum states are offline, but offline quantum state estimation methods are difficult to estimate evolving quantum systems in real time. In order to solve this problem, this paper proposed an online optimization algorithm for estimating the state density of a freely evolved quantum system with measurement random noise through continuous weak measurements. Based on the online proximity gradient method and the alternating direction multiplier method, the algorithm is verified by simulation experiments of 1,2,3 and 4-bit quantum systems, which is computationally efficient and further features high robustness for measuring random noise.
Key words : online optimization algorithms；continuous weak measurement；state density

0 引言

量子狀態(tài)估計(Quantum State Estimation，QSE)是獲取和處理用于重構(gòu)量子狀態(tài)的量子測量值的過程，狀態(tài)估計問題可以轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題，并通過數(shù)值方法解決[1]。QSE是量子態(tài)閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)，旨在實(shí)現(xiàn)高精度的量子狀態(tài)控制。一個n量子位系統(tǒng)可以通過密度矩陣?籽∈Cd×d(d=2n)來完全描述，它是一個半正定且矩陣跡為1的厄米矩陣[2]。QSE最常用的方法是基于強(qiáng)測量(投影測量)[3]，但這會導(dǎo)致要估計的量子系統(tǒng)坍塌[4]，因此強(qiáng)測量被認(rèn)為不適合實(shí)時地進(jìn)行QSE。

弱測量為量子狀態(tài)估計提供了另一種選擇。當(dāng)測量對被測系統(tǒng)影響不大時，這種測量被稱為弱測量，連續(xù)弱測量(Continuous Weak Measurements，CWM)最早由Silberfarb等人提出[5]。與QSE需要指數(shù)級數(shù)量的同一密度矩陣?籽的全同復(fù)本不同，由于弱測量具有的不完全破壞特性[6]，CWM可以應(yīng)用于自由演化中的量子系統(tǒng)。因此，使用CWM在線測量不斷演化中的量子系統(tǒng)更加方便。

傳統(tǒng)的優(yōu)化算法是離線的，它們需要在每次迭代時遍歷整個數(shù)據(jù)集，因而不適合實(shí)時大量的數(shù)據(jù)處理。為此開發(fā)出了隨機(jī)優(yōu)化技術(shù)，每次迭代只需處理一小部分可用數(shù)據(jù)[7-8]。這些方法可以應(yīng)用于在線學(xué)習(xí)，例如跟蹤動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。這也正是本文中采取的方法。





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作者信息：

黃  吉，叢  爽，張  坤

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥230026)

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