分布式量子计算的分布式语义

我们提出了一种量子进程演算，它可以沿着进程边界分割系统状态，并单独跟踪每个进程的演化，而不会丢失关于联合状态的信息——我们称之为空间组合性。组合性是推理任何复杂系统的关键，然而量子进程演算一直难以提供其空间组合性，而这种组合性将能够逐个进程地分析系统。已经提出了许多量子进程演算，但它们总是依赖于基于状态向量或密度矩阵的全局状态表示，而众所周知，在不丢失纠缠信息的情况下无法分割它们。我们建议改用Deutsch-Hayden描述符来建模量子态，它提供了量子比特状态及其演化的模块化表示。我们调整这些描述符以允许量子比特存储的任意分割和合并，从而产生一种不寻常的进程演算，其中量子比特传输消息携带量子比特的实际状态，而现有演算仅传输引用。该演算提供了每个进程可见的系统状态的局部视图，这些视图可以重新组合成联合状态。我们定义了进程等价的概念，并基于物理进行了广泛的论证，并展示了一个双模拟，其正确性证明因空间组合性而简化。该演算可以对与外部进程纠缠的开放系统进行建模，我们在BB84密钥分发协议的一个片段上演示了这种能力。这项工作表明，Deutsch-Hayden描述符可以成功地跟踪跨进程和系统边界的量子比特移动，尽管它需要密度矩阵的帮助来推理信息流。