[发明专利]量子计算机量子处理单元、量子电路以及量子电路量子算法

权利要求书

1.一种量子计算机量子处理单元，其特征在于，包括

初始化模块：根据其经典态描述创建量子态并将其保存到量子存储器中；

n位量子存储器模块：设置带有量子寄存器的节点，允许存储量子态，量子存储器模块能与量子晶体管和量子通信通道交换量子比特；

量子计算模块：通过给定量子算法对量子数据进行逻辑运算处理；

量子晶体管：设置带有量子寄存器的门，能够执行量子转换的3量子比特器件，包括三种类型的操作：QET，PHASE和CQET；

测量模块：执行量子检测过程，并给出正在测量的量子位的经典位；

经典设备控制器：用于指挥计算机中各部分的协调工作，能在设定好的步骤下完成指定任务；

经过量子晶体管的操作集{QET(θ),PHASE(θ),CQET}，完成量子计算，对于量子晶体管里的三种类型操作中有：

QET对加载到量子晶体管的一对量子位执行以下转换：

对于任意的θ＝Ω_σNt，θ为多个晶体管的数量；

PHASE在加载到量子晶体管的一对量子位上执行以下转换：

其中相位θ和是物理实现的参数，θ为多个晶体管的数量；

CQET是通过量子晶体管效应实现的QET(π)操作的受控版本；该操作由以下酉矩阵给出：

令θ＝π，θ晶体管的数量；操作集{QET(θ),PHASE(θ),CQET}是一个通用的操作集，这意味着所提出的模型能够执行任意的量子计算；QET(θ)门对应于围绕Bloch球体的X轴的旋转X门R_x(θ)，并且PHASE(θ)对应旋转Z门R_z(θ)运算，CQET是一个逻辑CNOT门，直至相对相位，可通过额外的PHASE(θ)操作使其一一对应。

2.一种采用权利要求1所述的量子计算机量子处理单元的量子电路，其特征在于，基于SHOR算法，定义两个n量子位输入|x和|y；设置一个控制寄存器和一个目标寄存器，为每个算法定义了门G_c，G'_c和G_t，以及反馈开关S0，S1，S2，S3。

3.一种基于权利要求2所述的量子电路的量子算法，其特征在于，包括：

步骤1、初始化，让输入状态在起始时均为零状态；

步骤2、将因式分解问题转换为顺序搜索，Shor算法的核心是想把质因数分解问题转变成为求某一个函数的周期，也就是说在一开始由量子的并行特性经过一次运算得到的所有函数值，在这之后对函数进行测量，可以测得叠加态的自变量，最后对所得结果进行量子Fourier变换；

步骤3、采用量子算法进行顺序搜索，算法的量子部分是为了找到一个数的因子，解决称为周期寻找的问题就足以解决Shor算法的问题，具体是：周期寻找方法在控制寄存器和目标寄存器上运行；控制寄存器实际上被测量以便找到函数的周期；以估计抽样为1/r的随机整数倍，这可以用来解决顺序搜索问题；由于该算法不需要反馈，开关S0，S1，S2和S3打开；一个n量子位输入|x存储在控制寄存器中，一个r量子位|y存储在目标寄存器中；n量子位控制寄器初始存化为r量子位目标寄初始存化为|1＝|00...1；门G_c为n量子位量子傅立叶变换(QFT)，而门G'_c为n量子位量子傅立叶变换的逆变换(QFT^-1)；G_t门将从此框架中省略，第二个输入将在没有任何处理的情况下进入黑盒；U_f被定义为控制。

4.根据权利要求3所述的一种基于量子电路的量子算法，其特征在于，所述步骤3中，(1)定义大数质因子分解表述为：N为已知的大奇数，而N＝pq，pq均为质数，求p和q，分解因子具体包括

步骤1：随机选取一个正整数y，有y＜N，且y与N互质，即gcd(y,N)＝1；

步骤2：定义f(x)＝y^xmod N，可知f(x)是一个周期函数，如果是以r为周期则有：

y^xmod N＝y^x+rmod N

故：y^r＝1mod N

所求f(x)的周期r应为偶数，若r为奇数则需重新取y值，直到r为偶数为止；

步骤3：求p和q；

(y^r/2)²-1＝0mod N

(y^r/2-1)(y^r/2+1)＝0mod N

辗转相除求得y^r/2+1和N的最大公因数，则此数为p；

上面各步骤里的主要计算为辗转相除以及计算f(x)和f(x)的周期；辗转相除的时间复杂度为O(n²)，计算f(x)的时间复杂度为O(n²(lgn)(lglgn))；求f(x)的周期需要进行傅里叶变换，量子傅里叶变换的复杂度为O(lgn)，所以Shor量子算法的时间复杂度为O(n²(lgn)(lglgn))；

(2)求f(x)的周期

Shor算法最关键的地方在于利用量子傅立叶变换来求f(x)的周期，其具体步骤如下：

步骤1：将两个寄存器R1和R2初始化为0，即|ψ0＝|R1

|R2＝|0|0＝|00…|00…；

步骤2：对R1中的每个位做H变换：

式中q＝2^m≥N，可知R1寄存器中保存了从0到q-1的所有数的叠加；

步骤3：对|R1进行幺正变换，其结果存入R2寄存器；

此时的R1与R2处于纠缠态；

步骤4：测量|R2，假设|R2态坍缩为z＝y^lmod N；由于f(x)的周期是r，故y^lmod N＝y^jr+1mod N，式中l≤r，j＝0,1,…,A，A是(q-1)/r的最大整数；所以：x＝1,1+r,…,1+Ar；

|R2坍缩时，|R1也相应的坍缩成：可以看出|R1是以r为周期的一组态的叠加；若q是r的整数倍，令A＝1/r-1，则有：

式中此处如果x-1是r的整数倍，则有否则f(x)＝0；

步骤5：对|R1作量子傅立叶变换QFT(Quantum Fourier Transform)；

式中：

其中，若c是q/r的整数倍时，则有否则

QFT让所需结果得到了增强，而让不需要的结果变为0；这种现象被称为量子干涉现象；因此可知，若c＝kq/r，则：

由此可知，QFT将|R1的周期由r变成了q/r；

步骤6：测量|R1_QFT，得到c'；由于c'＝kq/r，因此k/r＝c'/q；因c'和q为己知，若gcd(k,r)＝1，就可以求出r，最大的r即是所需要求的f(x)的周期。