[论文解读] Loading Classical Data into a Quantum Computer

John A. Cortese, Timothy M. Braje|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 50

一句话总结

本文提出三种电路族，将经典二进制数据加载到量子态中，从而实现对量子比特的对数级使用，并探索压缩技术以优化数据传输到量子内存。

ABSTRACT

This document describes a family of quantum circuits which load classical data into a quantum state. When loading $N$ classical bits, the result quantum state is of order $\log_2(N)$ qubits. Furthermore the gate depth of the data loading circuit is of order $\log_2(N)$. Limitations to the efficiency of the data loading process such as the Holevo bound are discussed. Methods to improve the efficiency of the data loading procedure such as combining classical compression techniques with quantum decompression circuitry, are also discussed. Simulations using the Quipper language were conducted to verify the circuits behavior.

研究动机与目标

• 激发并形式化将经典数据高效传输到量子计算量子态中的问题。
• 开发并比较将 N 个经典比特加载到量子态中的电路族，具有不同的量子比特数量和门深度。
• 引入压缩和解纠缠技术以减少资源需求并实现量子比特的复用。
• 分析所提电路族的门深度、量子比特数量和门计数，以评估可扩展性。

提出的方法

• 为表示经典数据定义量子态格式（例如 |00b00⟩+|01b01⟩+...）。
• 给出电路族#1，将 N 位加载到 N 个量子比特，门深度为 1。
• 引入电路族#2，通过递归数据加载和置换门实现对数级量子比特数量。
• 描述所用的量子门（Swap、CSWAP、Toffoli、CNOT）及其分解。
• 通过受香农信道容量定理指导的经典压缩/解压缩来解释数据流优化。
• 讨论解纠缠技术，在保持叠加态的同时实现对被丢弃的量子比特的复用。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在尽量少的量子比特和门深度下，将经典二进制数据有效编码到量子态？
• RQ2 数据压缩对加载数据到量子内存的电路深度和资源需求的影响是什么？
• RQ3 如何在不干扰正在进行的量子计算的情况下安全地复用被丢弃的量子比特？
• RQ4 对于大数据集，不同数据加载电路族在量子比特数量、门深度和总门数方面的扩展性如何？

主要发现

• 电路族#1 将 N 位加载到 N 个量子比特，门深度为 1 并使用 N 个量子比特。
• 电路族#2 将数据压缩到 log2(N) 个量子比特，可能实现指数级加速，但需要额外的电路结构（置换门和 CSWAP。