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绝热量子计算(Adiabatic Quantum Computation,简称AQC)是近年提出的一种新的量子计算模型,这种模型主要通过连续绝热量子演化的方式来解决计算问题。其大致计算过程是:将问题的可能答案编码为量子系统哈密顿量HT的基态,使量子系统的最初状态处予一个易于制备的哈密顿量H0的基态,然后使量子系统缓慢地从H0变化到HT。如果演化过程足够缓慢,根据量子绝热定理,系统末态将以很高的概率处于所需的基态。最后对系统末态进行测量,就可以获得想要的答案。目前人们已经证明绝热量子计算模型与量子电路模型的计算能力是等价的。此外,人们目前也设计出了多种绝热量子算法,显示了绝热量子计算的一些优越性。但是,许多与绝热量子计算相关的问题,如绝热量子计算的性能评估、算法设计、实验模拟与实现、与其相关的纠缠问题等都还需要进一步加以研究。本文主要从纠缠的角度对绝热量子计算进行研究,分析纠缠在绝热量子计算中的作用及表现形式。首先讨论利用绝热量子演化制备纠缠态的可能性,然后分析纠缠在加速绝热量子算法中所超的作用,最后分析纠缠与其它加速绝热量子算法的因素的关系。论文成果主要包括以下几个方面:
(1)提出一种基于绝热量子演化的量子纠缠态制备方法。该方法首先将量子系统末态定义为所需的纠缠态,将系统初态设置为比较容易构造的量子态。接着使量子系统从初态哈密顿量开始,在满足绝热条件的情况下,缓慢地演化到末态哈密顿量。演化结束时,可以保证系统末态以较高的概率处于所需的量子纠缠态。整个纠缠态制备过程类似于绝热量子计算过程。通过对EPR和三粒子GHZ纠缠态的理论分析与计算表明,该方法能够成功地制备EPR和三粒子GHZ纠缠态,进一步验证了该方法的有效性。
(2)通过分析量子系统的von Neumann熵随演化时间的变化情况,基于绝热量子计算模型对时间复杂度分别为o(√N)和O(1)的量子搜索算法运行期间对应量子系统的纠缠进行了研究。结果表明绝热量子计算中纠缠是必不可少的;且量子纠缠对绝热量子计算的运行时间具有明显的影响,较大的纠缠有助于进一步缩短量子算法的运行时间。反之亦然。此外简单讨论了纠缠与能量之间的关系。对复杂度为O(1)的绝热量子搜索算法,发现对量子系统注入大量能量显著改变了量子系统的纠缠,并因此显著降低量子算法的运行时间。
(3)通过构造一个纠缠度更高的量子系统,发现可以使绝热量子搜索算法缩短至常数时间(即与系统规模无关)。另一方面,我们发现其它加速绝热量子算法的模式,如改变绝热演化路径、注入能量等,这些模式实质上都可以归结为使系统的纠缠特性发生变化,并且纠缠度越大的系统其运行速度也越快。基于上述结果提出量子纠缠可能是加速绝热量子算法的真正原因。