絕熱近似理論在量子計算中的應(yīng)用研究.pdf

1、絕熱量子計算是一種等價于量子線圈模型的新興模型。它在計算效率上與量子線圈模型多項式等價，并且因其內(nèi)稟的抗噪聲性可能更容易在真實的量子系統(tǒng)中實現(xiàn)。絕熱量子算法基于量子系統(tǒng)的絕熱演化過程，即通過在量子系統(tǒng)上執(zhí)行一個緩慢改變的含時哈密頓量將系統(tǒng)的狀態(tài)從初始哈密頓量的基態(tài)變換成最終哈密頓量的基態(tài)，從而達到解決問題的目的。絕熱定理要求的緩慢程度通常由絕熱條件刻畫，該條件與含時哈密頓量的基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能隙直接相關(guān)。在絕熱量子計算中，能隙扮演著十

2、分重要的角色。絕熱算法的適用性，即存在一個有限的運行時間，完全依賴于非零能隙的存在性，與此同時，絕熱算法的有效性，即運行時間的長短，取決于非零能隙的大小。
　　然而，對于絕熱量子計算中使用的哈密頓量，對能隙的估算往往是十分困難的。因此，研究者不得不求助于數(shù)值計算來估算絕熱算法的運行時間。但是，通過數(shù)值計算來判斷絕熱算法的適用性和有效性的方法受到了取樣數(shù)目和問題尺度的雙重限制。迄今，適用性問題和有效性問題均沒有得到有效的解決。

3、>　　本論文研究絕熱量子計算的適用性和有效性問題，主要創(chuàng)新結(jié)果如下:
　　1)研究了絕熱量子計算的適用性問題，給出了含時哈密頓量的非零能隙的存在性定理。該定理是非零能隙存在性的充分條件，它僅要求適當(dāng)?shù)倪x擇初始哈密頓量就可以充分保證含時哈密頓量的基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間始終存在非零能隙。它可以十分有效的鑒別出一大類基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間具有非零能隙的哈密頓量。作為定理的應(yīng)用示例，我們使用它檢查了以往工作中使用的哈密頓量，結(jié)果顯示以往工作中所有的哈

4、密頓量都屬于定理鑒別出的這類哈密頓量。因目前還沒有有效辦法判斷何種哈密頓量始終具有非零能隙，即可用于絕熱量子計算，該存在性定理在設(shè)計用于絕熱量子計算的哈密頓量方面可以起到一定的幫助。
　　2)研究了絕熱量子計算的有效性問題，發(fā)現(xiàn)了能隙的可計算性與哈密頓量的對稱性之間的關(guān)聯(lián)。我們將絕熱量子計算中使用的哈密頓量的對稱性分為三種，即局部對稱性、全局對稱性和連續(xù)對稱性，然后舉例說明了局部對稱性的出現(xiàn)可能導(dǎo)致含時哈密頓量的基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間發(fā)

5、生能級交叉，從而使絕熱算法計算出錯，并證明了全局對稱性和連續(xù)對稱性的出現(xiàn)通常會使系統(tǒng)的演化局限在一個子空間中，這有益于估算能隙的取值。利用全局對稱性，我們找到了一種決定絕熱算法在多解情形下的運行時間的方法。在絕熱量子計算中，決定算法在多解情形下的運行時間是一個未解決的問題。在這種情形下，基態(tài)在演化過程的末尾發(fā)生簡并，即能隙變?yōu)榱?，這使得通常計算運行時間的方法失效。我們通過適當(dāng)?shù)倪x取初始哈密頓量，得到了一個具有全局對稱性的含時哈密頓量，這

6、意味著系統(tǒng)的演化局限在一個子空間中，在該子空間內(nèi)，基態(tài)變?yōu)榉呛啿?，從而可決定算法的運行時間。
　　3)提出了一個在任意N頂點圖中尋找哈密頓圈的絕熱算法。哈密頓圈問題是由Karp提出的著名的21個NP完全問題之一，它在經(jīng)典計算機上被認(rèn)為不能有效的求解。在該算法的幫助下，我們可以判斷出在一個給定圖中是否存在哈密頓圈，并且如果存在可以挑出其中的一個。該算法是平方加速的，因此與基于線圈模型的Grover算法具有相同的復(fù)雜度。盡管這里實現(xiàn)的