单向量子计算:原理、实例与超越传统电路的模拟
1. 引言
量子计算的电路模型在量子计算的发展中是一个强大的工具,它既为理论研究提供了框架,也为实验提供了指导。在电路模型中,幺正操作由基本量子门(如 CNOT 门和单量子比特旋转)组成的网络表示。许多量子计算的实现方案都是围绕这个模型设计的。
然而,以不同的方式表述量子计算,可以获得新的实验框架和理论见解。单向量子计算就实现了这两点。在许多量子信息协议中,对纠缠态的测量起着关键作用,例如量子隐形传态和基于纠缠的量子密钥分发。在这些应用中,需要事先生成一个纠缠态,然后在协议执行期间进行测量,将量子关联转化为例如密钥。为了重复协议,必须制备一个新的纠缠态。从这个意义上说,纠缠态或由该态体现的量子关联可以被视为一种在协议中被“耗尽”的资源。
在单向量子计算中,利用一种称为簇态或图态的纠缠态中的量子关联,仅通过单量子比特测量就可以实现通用量子计算。量子算法由这些测量的基选择和资源态的“纠缠结构”指定。“单向”这个名称反映了图态的资源性质。该态只能使用一次,并且(不可逆的)投影测量推动计算向前进行,这与标准网络模型中每个门的可逆性形成对比。
2. 簇态和图态
簇态和图态可以通过以下方式构造性地定义。对于每个态,我们关联一个图,即一组顶点和连接顶点对的边。图上的每个顶点对应一个量子比特。相应的“图态”可以通过将每个量子比特制备在态 $|+\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|0\rangle + |1\rangle)$ 并对图中由边连接的每对量子比特应用受控 $\sigma_z$(CZ)操作 $|0\rangle\langle0| \otimes \mathbb{1} + |1\
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