一种基于标志桥容错的变体置信传播解码方法

本发明涉及量子信息传输及纠错领域，尤其是一种基于标志桥容错的变体置信传播解码方法。

背景技术：

1、量子计算是量子力学与量子信息等学科的相结合的学科，它能够在信息传输过程中引入量子力学的相关方法进而达到经典信息的稳定传输。量子纠错码可以用来解决退相干等硬件的不完美导致的计算错误问题，在错误的分布满足某些条件的情况下，容错量子计算可以把最终计算结果出错的概率降得任意低，保证量子计算的运行。通过查验物理量子比特之间的关系，逻辑量子比特得到保护，除此以外，还需要对逻辑量子比特进行操作来实现通用量子计算，并且这些操作不应该破坏对逻辑量子比特的保护。

2、为实现容错量子计算的迫切性，已经提出了一些理论性的算法。然而，找到满足容错的最优解策略已经成为一个计算困难问题。最近研究中，机器学习技术开始应用，其中一些已经满足了完全容错要求，并且有不错的前景。另一方面，稀疏纠错码可以通过置信传播实现良好的解码性能。置信传播算法可以达到接近线性的复杂度。即便如此，置信传播算法在高简并的纠错码上效果较差，由于稳定器代码的tanner图中存在短周期，这会影响置信传播算法中的消息传递过程，并可能产生额外的开销。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于标志桥容错的变体置信传播解码方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于标志桥容错的变体置信传播解码方法，包括如下步骤：

3、s1、对量子比特进行映射：选择拓扑结构，并对量子比特进行映射转换，定义稳定器算子sm；

4、s2、设计稳定器测量电路：引入标志和桥接量子位，设计低开销的容错电路；

5、s3、对校正子信息进行解码：使用带有附加记忆效果的置信传播变体算法设计循环神经网络解码器进行解码确定错误信息；

6、s4、对量子进行纠错校正：使用解码后的信息来还原量子位信息。

7、上述的一种基于标志桥容错的变体置信传播解码方法，所述s1中，对量子比特进行映射的具体步骤包括如下步骤：

8、s1.1、引入旋转45度的表面码拓扑模型，根据不同数量的数据量子比特数量选择合适的代码距离；

9、s1.2、根据旋转表面码几何结构将量子位映射到拓扑模型中。

10、上述的一种基于标志桥容错的变体置信传播解码方法，所述s2中，对设计稳定器测量电路的具体方法包括如下步骤：

11、s2.1、定义数据量子位与辅助量子位之间的cnot门为s-cnot，两个辅助量子位之间的cnot门为f-cnot。

12、s2.2、添加适当数量的s和f辅助量子位设计稳定器测量电路并读出测量结果得到校正子和标志信息；

13、s2.3、设计基于标志桥量子位的容错协议。

14、上述的一种基于标志桥容错的变体置信传播解码方法，所述s2.3中，基于标志桥量子位的容错协议具体方法包括：对于第一轮校正子提取，依次执行每个电路c(gi)，若c(gi)中存在非平凡标志或非平凡校正子，则本轮停止，并对所有电路执行一个完整测量，第二轮测量将收集到所有的标志和校正子信息；若第一轮的标志fi1不是空值，可以通过标志fi1和第二轮校正子s2进行解码；若第一轮的标志fi1是空值，但第一轮校正子si1不是空值，此时使用s2进行解码；若第一轮的标志fi1是空值，第一轮校正子si1也是空值，则不需要解码。

15、上述的一种基于标志桥容错的变体置信传播解码方法，所述s3中，对校正子信息进行解码的具体步骤包括如下步骤：

16、s3.1、对于纠错码校验矩阵s，定义其对数似然比和通道统计向量且满足其中，w∈{i,x,y,z}，i代表无错误，x代表位翻转错误，y代表位和相位错误，z代表相位错误；分别在水平和垂直方向并行计算校验节点m和检查节点n的消息；

17、s3.2、执行决策过程：若则得到错误信息否则得到错误信息即此时的错误信息为对数似然比最小时对应的错误信息；

18、s3.3、通过判断错误信息与稳定器算子sm对易关系与校正子信息zm是否相等判断算法是否收敛，若相等，则算法结束，若不相等或者算法达到最大迭代次数，则算法失败，若都不满足两种情况，则从s3.1开始重复迭代一直到满足条件；

19、s3.4、采用后处理方法提高解码精度。

20、上述的一种基于标志桥容错的变体置信传播解码方法，所述s3.1中在水平方向计算消息公式为：

21、

22、其中，δm→n表示节点m到节点n的信息，表示要检查的变量信息，表示节点n′到节点m的对数似然比，表示校正子信息决定符号，表示运算符，定义为其中，an表示第n个实数标量，tanh表示双曲正切，k表示an的个数；

23、所述s3.1中在垂直方向计算消息公式为：

24、

25、其中，表示对数似然比，表示通道统计向量，α表示边参数，δm→n表示节点m到节点n的信息，β表示边参数，表示节点n的集合，<w,smn>表示两变量对易关系，smn表示校验矩阵，w表示错误类型集合。

26、上述的一种基于标志桥容错的变体置信传播解码方法，所述s3.5后处理方法包括两个步骤：第一步是从晶格中去除表面复杂性，每当误差近似分布pe＞0.5时，对错误晶格应用适当的纠正操作并将pe转换为其原始值；第二步是具体化，通过近似分布可以找到最可能的错误位置。

27、上述的一种基于标志桥容错的变体置信传播解码方法，设计循环神经网络解码器，使用得到的循环神经网络解码器迭代的计算s3.1-s3.3，通过计算

28、

29、其中，表示对数似然比，表示通道统计向量，α表示边参数，β表示边参数，表示节点n的集合，δm′→n表示节点m′到节点n的信息，<w，sm′n>示两变量对易关系，sm′n表示校验矩阵，引入固定抑制-<w,smn>δm→n，加快算法收敛速度。

30、上述的一种基于标志桥容错的变体置信传播解码方法，所述s4中，对量子进行纠错校正的具体步骤包括如下步骤：

31、s4.1、通过s3中算法输出结果得到错误的量子比特位置和类型，得到恢复运算符：

32、rz＝l(z)t(z)g(z)

33、其中，l(z)表示逻辑运算符，t(z)表示纯错误的乘积，g(z)表示稳定器的乘积；

34、s4.2、使用获得的恢复运算符r应用于原始量子信息执行乘积操作得到正确原始信息。

35、本发明的有益效果是：1.该基于标志桥容错的变体置信传播解码方案中，将量子位映射到拓扑纠错码几何结构中，大大增加了量子位的连接性，降低了量子比特开销，最大限度的利用现有量子资源；

36、2.该基于标志桥容错的变体置信传播解码方案中，利用标志和桥接量子位设计实现稳定器测量电路，用更少的辅助量子位实现测量电路，解决了容错中量子比特稀缺的问题；

37、3.该基于标志桥容错的变体置信传播解码方案中，利用表面码高简并的特性，基于带有附加记忆的变体置信传播算法设计循环神经网络解码器，引入固定抑制加快算法收敛速度，并采用后处理的方法，精确定位错误量子比特和确定错误类型，从而提高了解码精度，满足容错对纠错速度和出错概率的要求。