基于量子游走的量子搜索机制研究

In complex quantum network communication systems, the requirement for the abilities of quickly processing data and rapid response on service becomes increasingly intense. For example, in a complex network topology structure, we hope to find a target vertex, side or clique as soon as possible from a source vertex, so an efficient search mechanism needs to be constructed. This project intends to further study the search mechanism of quantum walk. Then based on different types of search targets and performance requirements, this project explores the search mechanism, algorithm (scheme) design, efficiency analysis and calculation model of quantum search mechanism with quantum walk, in hope to solve the problem of searching target speed and efficiency in the quantum network communication system through the way of quantum walk search. The innovation of this project is to overcome the application limitation of quantum search mechanism and realize the quantum search algorithm applied to the topological structure of complex quantum network according to the quantum parallelism and quantum interference effect of quantum mechanics and the advantages of quantum walks. It can also provide a scientific and practical way for the integration of quantum search technology and modern quantum network communication systems, which may figure out potential problems on quick response to search problems both theoretically and technically.

在复杂的量子网络通信系统中，对快速数据处理、服务快速响应的需求日益强烈。例如在一个复杂的网络拓扑结构中，人们希望从一个源点能够快速搜索到一个目标点、目标边或目标团，这时一个有效的搜索机制是必要的。本项目拟深入开展基于量子游走的量子搜索机制的研究，根据不同类型搜索目标和性能要求，探索基于量子游走的搜索机理、算法方案设计、效率分析以及计算模型的设计等，以通过量子游走的搜索机制来解决量子网络通信系统中的目标搜索速度和效率等问题。本项目的创新之处在于能突破量子搜索机制的应用局限性，依据量子并行性和量子干涉效应，充分应用量子游走在量子搜索系统中的优势，实现可应用于复杂量子网络拓扑结构的量子搜索算法。为量子搜索技术与现代量子网络通信系统的融合提供科学实用的方法，从理论和技术上解决搜索问题的快速响应难题。

本项目致力于基于量子游走探索量子搜索算法的机理研究、方案设计、效率分析以及计算模型，确保数据在量子通信系统的网络拓扑结构中的处理速度超越经典的处理速度，力图从基于量子游走的量子搜索机制研究的角度解决量子通信系统的通信效率和信息处理速度问题，研究目标完成情况如下：(1)探讨了量子游走与量子搜索、现代量子通信网络的融合机理，阐明基于量子游走的量子搜索算法的设计原理以及量子游走的量子搜索机制在现代通信网络中的应用原理；针对不同的信息处理速度需求，将量子游走搜索算法与量子通信网络融合；利用预定的程序和相关联的量子逻辑门来控制系统的演化；在理论上利用量子信息理论、量子游走理论、量子搜索方法和量子计算特性，分析搜索到目标所需要查询Oracle 的次数即复杂度，并利用数值分析搜索到目标的成功概率。在该模块中发表了20篇SCI 检索的高质量国际学术期刊论文。(2) 为了验证量子搜索算法的效率和实用性，首先表征基于量子游走的量子搜索机制的拓扑结构、逻辑结构及量子线路图之间的联系，探讨量子搜索机制的量子模拟系统的设计技术，模拟量子游走的量子搜索算法的各个实现模块，包括量子信号发生器、量子信号存储与变换、量子信号检测、量子信号处理等模块，并添加量子计算门处理模块，模拟实现量子游走搜索算法的演化过程，分析影响量子搜索算法的各项技术指标。在该模块申请或授权了7项发明专利。