三值量子基本门及其对量子Fourier变换的电路实现

理论上可以把量子基本门组合在一起来实现任何量子电路和构建可伸缩的量子计算机。但由于构建量子线路的量子基本门数量庞大,要正确控制这些量子门十分困难。因此,如何减少构建量子线路的基本门数量是一个非常重要和非常有意义的课题。提出采用三值量子态系统构建量子计算机,并给出了一组三值量子基本门的功能定义、算子矩阵和量子线路图。定义的基本门主要包括三值量子非门、三值控制非门、三值Hadamard门、三值量子交换门和三值控制CRk门等。通过把量子Fourier变换推广到三值量子态,成功运用部分三值量子基本门构建出能实现量子Fourier变换的量子线路。通过定量分析发现,三值量子Fourier变换的线路复杂度比二值情况降低了至少50%,表明三值量子基本门在降低量子计算线路复杂度方面具有巨大优势。

多量子位量子Fourier变换的仿真实现研究

量子Fourier变换(QFT)是许多量子算法的关键子例行程序,核磁共振系统(NMR)是目前最有希望实现量子计算的物理系统之一。在介绍QFT,并对其进行进一步分析,得到了多量子位QFT的实现逻辑线路后,应用多量子算符代数理论,给出了基本量子逻辑门的核磁共振实现,分解了QFT各相应的逻辑操作,设计了相应的核磁共振脉冲序列。并通过量子计算仿真程序进行了实现多量子位QFT的实验验证,证明了所设计的NMR脉冲序列的合理性和实用性。

量子Fourier变换的分解

量子Fourier变换(Quantum Fourier Transform)是量子计算中的一种重要算法.量子计算机可以使用基于Shor的量子Fourier变换和基于Grover的量子搜索算法来解决那些在经典计算机上需要过多资源才能求解的问题.将作用在n量子比特上的量子Fourier变换Fn分解为有限个简单酉算子的乘积,并给出了相应的图示说明,使得人们可以更好地理解与应用量子Fou-rier变换以及它的有效线路.

量子Fourier变换构造FQT电路

利用量子Fourier变换,给出构造3个量子位的量子Fourier变换电路的方法,利用该方法可构造出n个量子位的QFT电路。

量子Fourier变换在实现Deutsch-Jozsa算法中的应用

提出利用量子Fourier变换解决Deutsch-Jozsa算法问题的观点.结合量子Fourier变换和DeutschJozsa算法的量子电路,找到一种利用量子Fourier变换解决Deutsch-Jozsa算法新的量子电路,并考察该量子电路中各个线路的量子状态,结合算法对该量子线路的状态进行研究.结果表明:利用量子Fourier变换解决Deutsch问题,能够有效地提高运算速度,节省运算时间.

分数阶Fourier变换的测不准原理

该文参考Fourier变换的性质研究了离散分数阶Fourier变换的测不准原理以及连续分数阶Fourier变换在Lebesgue测度下的测不准原理,使得分数阶Fourier变换的测不准原理性质更一般化.

相对论变换下的两种量子信息对称态研究

量子态是量子信息论研究的重点之一。近年来,随着量子信息处理技术的不断发展,量子态的制备和控制变得越来越重要。Werner态及isotropic态是量子信息理论中两类重要的量子态,其在非相对论量子力学的背景下得到了广泛的研究。本文主要讨论了两比特Werner态及isotropic态在相对论变换下的性质。结果表明,在相对论变换下,变换后的量子态仍保持原量子态的形式,且其相对参数在速度趋近于光速时不变。

t比特半经典量子Fourier变换

针对目前大维数量子寄存器生成的困难性,研究了基于小维数量子寄存器实现大维数量子Fourier变换的方法.首先,定义了t比特半经典量子Fourier变换,从几率幅的角度证明该变换可以实现量子Fourier变换,且所需2位量子门的规模显著降低,并设计了该变换的量子实现线路.然后基于t比特半经典量子Fourier变换,将经典固定窗口法与Shor算法实现方法相融合,重新设计了Shor整数分解量子算法的实现线路,与Parker等人的实现线路相比,计算资源大体相同(所需的基本量子门均为OlogN3,所需量子寄存器的维数前者较后者多t-1维),而实现速度提高了t2倍,t是窗口宽度.

基于交替量子随机行走的改进AES和离散余弦变换的图像加密算法

随着科学技术手段飞速发展,图像加密算法被破解的风险也逐渐增加.AES(advanced encryption standard)算法虽然性能优越,但也存在着密钥固定等问题,未来量子计算机的问世将会对此造成重大威胁.首先,该文采用离散余弦变换(discrete cosine transform,DCT)对明文图像进行DCT域的变换;其次,利用交替量子随机行走构造概率分布矩阵,对概率分布矩阵进行预处理,与DCT后的明文进行逐位异或的操作;最后,计算概率分布矩阵的奇异值,并给出对应的十六进制表达式作为AES的密钥,随机提取概率分布矩阵的一个元素,按照AES算法的编码规则构建轮常量Rcon,进而改进AES算法的加密迭代函数.测试结果表明,该算法具有很好的加密效果和较高的鲁棒性,密文图像相邻像素在3个方向上的相关系数可以达到0.0015的显著效果.

量子混沌和分数阶Fourier变换的图像加密算法

针对传统的自然混沌系统安全性低的问题,提出了量子混沌和分数阶Fourier变换的图像加密算法。通过引入量子Logistic混沌映射,解决了Logistic映射存在的周期窗口、伪随机和非周期性不好等缺陷,还改善了计算机进行浮点数运算丢失精度的问题。同时将混沌系统和分数阶Fourier变换相结合,实现了介于空间域和频域的分数域置乱,克服了传统一些方法只在单一域变换和单纯使用某一种方案而导致参数变量少,系统结构简单,直方图不均匀等缺点。实验和仿真结果表明,该算法具有密钥空间大,计算复杂度低,敏感性强等优点,能够有效地抵御统计分析攻击。

量子离散Fourier变换在离子阱中的实现方案

在Cirac Zoller模型的框架下 ,讨论在离子阱中如何利用幺正操作实施量子离散Fourier变换的方案。由于量子离散Fourier变换可由两个基本操作组合而成 ,因此讨论虽集中在对一个和两个量子比特的操作上 ,但实质上已能处理任意多个量子比特的问题。

Fourier变换在连续随机变量之和分布中的应用

本文给出了Fourier变换在求解相互独立的连续随机变量之和分布中的应用,证明了正态随机变量的可加性,方法简便、快速.这些充分显示了此工具的实用性.

基于自适应Fourier分解-同步提取变换的机械故障诊断方法

传统的同步提取变换方法(synchronous extraction transform,SET)用于机械故障诊断时,要求多分量信号满足各相邻模态的瞬时频率差大于所选取的SET窗函数频率支撑范围的2倍,否则容易产生频率混叠,实际信号往往无法满足该条件。此外,信号受到噪声的影响,难以获得故障的瞬时频率。针对传统的同步提取变换在机械故障诊断中存在的不足,结合自适应Fourier分解(AFD)和同步提取变换的各自优点,提出了一种基于AFD-SET的机械故障诊断方法。该方法能够有效处理频率接近的非平稳信号,准确地表达信号的瞬时频率,并且具有很快的收敛速度。仿真结果表明,提出的方法能够有效解决传统SET方法中的频率混叠,并具有更高的时频聚集性。将提出的方法应用到滚动轴承故障诊断中,诊断结果表明,该算法正确有效,能够有效提取出故障信号的频率特征。

基于FPGA的量子Fourier变换模拟器的设计与实现

量子Fourier变换是次序查找、相位估计和素因数分解等量子算法中的核心运算,作用极其重要。目前针对量子Fourier变换的研究大多都是基于软件模拟进行的,但是软件模拟不能有效地模拟和发挥实现量子算法的并行运算的特点和优势。为解决该问题,本文提出了一种基于FPGA设计和实现了量子Fourier变换的硬件模拟器。该设计充分利用FPGA硬件并行处理的特点,采用模块化的设计思想,并能够推广至多量子位的量子Fourier变换的模拟设计。

基于Kaiser窗的分数阶Fourier变换与时频分析

分数阶Fourier变换作为传统Fourier变换的推广,与传统Fourier变换分析平稳信号类似,在实现对非平稳信号的时频分析过程中往往出现同样的频谱泄漏问题。为了提高分数阶Fourier变换与时频分析的精度,依据Kaiser窗可自由选择主瓣和旁瓣宽度的特性,提出一种基于Kaiser窗的分数阶Fourier变换算法,论述了Kaiser窗在分数阶Fourier变换中的作用原理,从理论上推导出一般信号基于Kaiser窗的分数阶Fourier变换解析时频表达式以及特性,最终得到非平稳信号的时频分布与时变结构参数识别算法。通过任意线性调频信号的仿真算例以及非平稳激励三层框架结构振动台试验,对结构进行瞬时频率识别和算法的验证。结果表明,瞬时频率识别值与理论值和试验结果吻合良好,Kaiser窗可以提高分数阶Fourier变换算法时频分析的精度,体现出该方法有一定的鲁棒性。

一种基于旋转变换的量子群盲签名方案

随着量子力学和量子算法的不断发展,经典密码学面临着极大的挑战,安全性更高的量子密码学引起了人们的广泛关注,因此提出了一种量子群盲签名方案。该方案将旋转变换矩阵作用在量子叠加态上对信息进行签名,相较于现有的部分量子群盲签名方案提升了量子效率。安全性分析表明,该方案具有不可伪造性和不可否认性,同时可以抵抗签名者之间的合谋攻击。

基于QR迭代的量子奇异值分解

针对大型矩阵奇异值分解(singular value decomposition,SVD)时使用经典算法时间复杂度较高,以及已有的量子SVD算法要求待分解的矩阵必须具有非稀疏低秩的性质,并且在计算过程中构造任意大小酉矩阵对目前的量子计算机来说实现起来并不容易等问题,提出基于QR迭代的量子SVD。QR迭代使用的是Householder变换,通过量子矩阵乘法运算完成经典矩阵乘法运算过程。实验结果表明,该方法能够得到所求矩阵的奇异值及奇异矩阵,使大型矩阵的SVD具有可行性。

求图中点度数的量子算法

本文探讨了图属性测试问题的量子加速:对于给定的图和整数k,图中是否存在一个度数为k的顶点?该问题的量子复杂度在邻接矩阵oracle模型下被证明为O(N√k),而其经典复杂度为Ω(N^(2)),其中N是图中顶点的数量.为了证明该结果,得出了一个技术性结论,即对于给定的函数g:[N]→{0,1}和整数k,存在一个量子算法可以在O(√Nk)次查询内判定|{x:g(x)=1}|是否等于k.文中的结果基于量子奇异值变换(QSVT)和有误差输入的量子搜索技术.

基于XOR和量子傅里叶变换的多量子图像秘密共享方案

安全的图像数据共享是无线网络中一个值得探索的课题.本文提出了一种基于异或(XOR)和量子傅里叶变换的多量子图像秘密共享方案.在共享过程中,首先,通过XOR运算操作对一个量子秘密图像进行预处理;其次,通过哈希函数生成的密钥对这些图像做进一步处理;最后,通过执行量子傅里叶变换(QFT)得到一个共享图像.在恢复阶段,只有当所有参与者都在场时,秘密图像才能被恢复.同时给出了实现该秘密共享方案的量子线路图.实验结果表明,该方法在共享过程和恢复过程中都具有良好的安全性.此外,该方法在共享图像生成和秘密图像恢复方面的计算复杂度较低.

量子近似优化算法在精确覆盖问题中的应用

精确覆盖问题属于组合优化中的NP完全问题,使用经典算法难以在多项式时间范围内求解。为解决该问题,在开源量子计算框架qiskit上,提出基于量子近似优化算法(QAOA)的量子线路求解方案,并采用基于单纯形法的线性近似约束优化(COBYLA)算法对量子逻辑门中的参数进行优化。首先,通过精确覆盖问题的数学模型建立经典伊辛模型;其次,利用量子理论中的旋转变量对经典伊辛模型进行量子化,再用泡利旋转算子代替旋转变量,得到量子伊辛模型和问题哈密顿量,提高QAOA寻找最优的速度;最后,以混合哈密顿量为生成元的酉变换和问题哈密顿量为生成元的酉变换乘积的累积,得到问题哈密顿量期望的表达式,并由此设计生成量子线路。另外,通过经典处理器对两个酉变换中的参数进行优化,调整问题哈密顿量的期望值,从而提高求解的概率。该线路在IBM的开源量子计算框架qiskit上进行仿真实验,实验结果表明,所提方案能够在多项式时间内以95.6%的概率获得问题的解,验证了所提量子线路能够以较高的概率求得精确覆盖问题的解。