CN104750945B - 一种量子电路仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子电路仿真平台，量子电路仿真平台包括一套量子电路类库，一种量子电路设计计算演示平台；量子电路类库：包括门库模块、基础数据结构模块、量子电路基本操作模块、量子电路复杂算法模块、调用模块；量子电路设计计算演示平台：分为浏览器端与服务器端，其中服务器端包括核心运算模块、指令接收模块、输出显示模块。本发明适用于相关研究人员设计、计算量子电路，设计量子电路算法，展示设计电路。

Description

一种量子电路仿真平台

技术领域

本发明属于量子信息科学技术领域。本发明涉及一种量子电路仿真平台，这包括了一套量子电路类库，一种量子电路设计计算演示平台。本发明适用于相关研究人员设计、计算量子电路，设计量子电路算法，展示设计电路。

背景技术

量子电路实质上是由各种量子门组成的可逆逻辑电路，具有某种特定的函数功能，其电路的特点是：输入线数与输出线数相等、没有扇入与扇出、没有反馈、电路分层级联。量子电路与经典电路不同，输入态和输出态都是经典信号，用量子力学的语言来描述，也即是，其输入态和输出态都是某一力学量的本征态，而量子电路的输入态和输出态为一般的叠加态。由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。

学界对量子电路的研究目前还处于起步阶段，研究方向主要分为量子电路综合、优化以及检测三个方向。对特定功能量子电路的综合方法仍然在不断改进中，常用的综合方法仍然要或多或少地借用枚举，复杂度并不低。在高复杂度情况下，高效的数据结构及其尽可能减少不必要步骤的基础操作是十分必要的。

由于相关研究人员对计算机理解程度不同，不同人员在设计相同或类似算法时产生的时间误差较大，获得的算法也很难移植。此外，设计程序时需要从底层的量子电路的数据结构开始搭建，对于新的算法则需要重新设计适用的数据结构，过程复杂并且耗费大量时间。因此需要统一数据结构，接收标准输入，可以产生标准输出，算法可提取移植的量子电路仿真平台。

另一方面，非相关研究人员往往不太了解量子电路以及量子电路的计算过程，在没有图例的情况下也比较难解释。本发明可以自动绘制量子电路图和量子电路计算结果灰度仿真图，在一定程度上可以帮助了解量子电路。

已知的相关仿真平台仅有University Bremen设计的可逆电路仿真模拟平台revkit。revkit仿真平台是一个辅助设计可逆电路的开源工具包，也可称为revkit类库。该类库的强处在于综合、优化可逆电路，但是对量子电路设计，尤其是量子电路类库鲜有设计。在国内还没有相关仿真平台出现。本发明参考了revkit的设计思路，以可扩展性高、灵活度高为宗旨，采用了自主设计的仿真平台架构。

发明内容

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种量子电路仿真平台，包括一套量子电路类库，一种量子电路设计计算演示平台；

量子电路类库：包括门库模块、基础数据结构模块、量子电路基本操作模块、量子电路复杂算法模块、调用模块；

量子电路设计计算演示平台：分为浏览器端与服务器端，其中服务器端包括核心运算模块、指令接收模块、输出显示模块。

门库模块，由一个文件夹以及对该文件夹进行操作的程序组成，文件夹中又包含多个子文件夹，每一个子文件夹代表一个具体的门库，子文件夹中存储“.rule”后缀文件，文件内容为非基本门的化简规则以及基本门的计算规则。

基础数据结构模块由量子门、量子电路线、量子电路的基础数据结构以及允许对其数据结构进行的操作组成。

量子电路基本操作模块：核心操作为添加量子电路线、删除量子电路线、添加量子门、删除量子门、计算量子电路，其中添加与删除量子电路线的位置只能在线序的首部与尾部，同时也存在其他非基本操作。

量子电路复杂算法模块：用户能够根据该层所提供的方法自定义新的算法并存储。

调用模块：将量子电路基本操作模块和量子电路复杂算法模块中部分方法加工成指令以便调用，同时可以输出三份“.txt”格式文档，分别是提示与错误信息、量子电路文档、量子电路计算结果文档。

核心运算模块：以量子电路类库为基础，对于量子电路类库的调用模块所能提供的所有封装方法都加工并保留。

指令接收模块：接收并处理用户在浏览器端所输入的内容，对处理后的内容进行简单检查，检查无误后依次调用核心运算模块提供的封装方法。

输出显示模块：传输提示与错误信息、量子电路简单信息、量子电路图、量子电路计算结果灰度仿真图。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

在本发明的量子电路类库部分的门库模块中：抽象了基于不同门库的量子电路的构造方法，对于新发现的可行的量子门库，不需要重新设计仿真平台的计算模块，仅需在门库模块添加相应量子门库规则。

在本发明的量子电路类库部分的量子电路基本操作模块中：设计了合理的基于量子电路的基本构造操作。基于量子电路设计的算法、设计的用于构造量子电路的算法，本质上都是由有限的对量子电路操作级联而成的。使用这些基本操作可以构建任何量子电路，也可以满足绝大部分量子电路综合、优化以及纠错算法对量子电路数据结构的需求。设计完的算法可以保存到量子电路复杂算法模块并在需要时调用，实现了可复用。

在本发明的量子电路类库部分的门库模块中：自定义了一套可以较完整描述非基本门分解方法的标准。到目前为止，国内外在描述非基本门分解方法方面仍然有很大空白。常见的描述方法是绘图表示法，绘图表示规则需要附上解释说明。本发明将逻辑门的分解规则公式化、规格化，并做好可以供计算机读取的接口，能够更加便捷地分解逻辑电路。

在本发明的量子电路类库部分的指令接收模块中：定义了一系列便于用户操作，同时也对应调用下层程序的指令。这些指令实际上组成了一套最简的量子电路编程语言环境。同时这套语言环境是可通过注册扩展的。

与revkit类库相比，本发明采用的架构各个模块的可扩展性更高。在量子电路类库部分的门库模块、量子电路复杂算法模块，用户可以根据需求依据模块功能扩展模块。熟悉编程方法的用户甚至可以替换相应模块的实现方法，前提是新的模块功能不变。与revkit类库相比，本发明更加注重于量子电路的基础数据结构的仿真，在实现可逆电路以上功能的同时，也搭建了可逆电路以下，即量子电路部分的平台仿真。

附图说明

图1为本发明中量子电路类库架构示意图；

图2为非基本门位线位置描述举例参考图；

图3为本发明中量子电路设计计算演示平台架构示意图；

图4为量子电路设计计算演示平台内部工作流程图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合已有方法和附图对本发明作进一步详述，已有方法仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

本发明所包括的内容：一种量子电路仿真平台包括两个部分，一套量子电路类库，一种量子电路设计计算演示平台。

一套量子电路类库是基于C++11开发的，可以完成量子电路的构造，量子电路的计算，接收量子电路的基本输入，产生量子电路的标准输出；一种量子电路设计计算演示平台以量子电路类库为核心，扩展了几种演示方式，可以完成接收对量子电路操作指令的输入，根据指令调用量子电路类库内容构建量子电路，生成标准量子电路图以及量子电路灰度仿真图。

一套量子电路类库包括了门库模块、基础数据结构模块、量子电路基本操作模块、量子电路复杂算法模块、调用模块，架构见图1。

门库模块包括量子门库数据的存储、对量子门库的读取与调用方法。量子门库数据都存储在一个总文件夹中，总文件夹中每个文件夹分别代表一个具体的量子门库，每一个具体的量子门库文件夹中又包含了多个文件，文件为“.rule”格式，自定义的文件格式是为了区分文件，每个文件代表该门库中一个基本量子门的计算方法或该门库中存在的一个非基本门分解成该门库基本量子门的分解方法。要使用量子门库时则调用所提供的量子门库读取与调用方法。

“.rule”格式文件的具体文件格式为：

1.文件的第一行是一个整数，可选值包括-1、0、1。-1代表基本门计算规则，0代表由且仅由基本门构成门的化简规则，1代表需要递归化简的门的化简规则。

2.若为非基本门化简规则，即第一行值为0或1，之后每一行代表一条分解门子规则，分别由规则指令，门名称，门控制位，门目标位组成，这四个元素由空格“ ”隔开，其中：

2.1.控制位与目标位用“:”隔开。

2.2.控制位之间、目标位之间用“,”隔开。

2.3.每一个控制位或目标位都由三个元素构成：

2.3.1第一个元素为“control”或“target”，“control”代表被化简门的控制位，“target”代表被化简门的目标位。

2.3.2第二个元素为“begin”或“end”，“begin”代表按线序排列从低线序数起，“end”代表按线序排列从高线序数起

2.3.3最后一个元素为整数，代表距离控制位或目标位边界线距离。

比如“control-begin-1”表示被分解门的控制位按线序从小到大数起第2根线，“target-end-0”表示被分解门的目标位按线序从大到小数起第一根。有关控制位目标位线描述举例见图2。

3.若为基本门计算规则，即第一行值为-1，则之后每一行代表一种量子叠加态状态转换，分别由转换前状态和转换后状态组成，其中两种状态之间用“->”连接，每一种状态都可以用助记符表示，助记符可以自定义。

4.文件末尾以单独一行“#”结尾。

基础数据结构模块定义了量子门、量子电路线、量子电路的基础数据结构以及允许对其数据结构进行的操作，并且都封装成了方法。其中对量子门的操作调用了量子门库的读取与调用方法，以此实现量子门的计算方法。

量子电路基本操作模块调用了门库模块提供的量子门库读取与调用方法和基础数据结构模块提供的方法。可以完成量子电路创建、添加量子电路线、删除量子电路线、添加量子门、删除量子门、计算量子电路。其中添加与删除量子电路线的位置只能在线序的首部与尾部。这些操作都是最基本的，不可再分的对量子电路操作。

量子电输路复杂算法模块是用户可自定义算法并存储的模块。本模块中能够调用自身模块中包括的算法，也可以调用量子电路基本操作模块提供的几种对量子电路的基本操作方法，以及部分下层模块的方法。生成的方法可以存储到本模块中以便下次继续使用。

调用模块提供了规范化的输入输出接口。输入接口，将量子电路基本操作模块和量子电路复杂算法模块中部分方法加工成指令以便调用。输出接口包括指令提示与错误信息输出接口，量子电路输出接口和量子电路计算结果输出接口。三个接口输出三个“.txt”格式文件，分别为提示与错误信息、量子电路文档、量子电路计算结果文档。量子电路文档以及量子电路计算结果文档内容格式是符合国际通用标准，并且相关研究人员公知的。这里的输入输出并不是为类库提供服务的，而是为以量子电路类库为内核的上层程序服务，即为量子电路设计计算演示平台服务。

一种量子电路设计计算演示平台采用B/S架构，在浏览器端通过指令向服务器端发送对量子电路操作的请求。具体来说服务器端包括以量子电路类库为基础的核心运算模块、指令接收模块、输出显示模块，而浏览器端主要包含一个输入框、三个输出框和两个下载按钮。平台架构见图3。

服务器端，核心运算模块以量子电路类库为基础，实际上包含了该类库连接了类库中的调用模块。对于调用模块所能提供的所有封装方法都加工并保留。因此该模块功能也与类库中的调用模块大体一致。

指令接收模块的最主要功能是接收并处理用户在浏览器端所输入的内容。对处理后的内容进行简单检查，检查无误后依次调用核心运算模块提供的封装方法。若检查有错则直接通过输出显示模块返回错误信息，见输出显示模块介绍。

输出显示模块负责所有需要传输给浏览器端的内容。传输的内容有：提示与错误信息，量子电路简单信息，量子电路图，量子电路计算结果灰度仿真图。其中提示与错误信息包括指令接收模块返回的错误信息和核心运算模块产生的提示与错误信息；量子电路简单信息与量子电路图都是根据核心运算模块产生的量子电路文档绘制而成的，量子电路图为“.png”格式；量子电路计算结果灰度仿真图是根据核心运算模块产生的量子电路计算结果文档绘制而成的，灰度仿真图为“.png”格式。灰度仿真图的格式设计参考了量子电路计算结果灰度仿真图内容参考论文Ioannis G. Karafyllidis,"Quantum ComputerSimulator Based on the Circuit",IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS,VOL.52, NO.8,AUGUST。

浏览器端网页在输入框采集用户输入的内容后发送给服务器端。用户输入的内容为指令，通过指令完成构造电路、操作电路以及得到电路计算结果等功能。表1显示了本平台初始化状态下提供的指令。同时，由于用户可以在量子电路类库的量子电路复杂算法层自定义新的算法，定义完成的算法在量子电路类库调用模块注册后同样可以通过指令调用。浏览器端得到显示结果同样需要通过指令触发。可以得到的有效结果有量子电路简单信息、量子电路图、量子电路计算结果灰度仿真图，此外还有提示与错误信息，分别对应服务器端输出显示模块提供的输出。量子电路简单信息，提示与错误信息显示在第一个输出框中，量子电路图显示在第二个输出框中，量子电路计算结果灰度仿真图显示在第三个输出框中。

与本发明内容所包括的两个部分相对应，本发明大体上可分两种实施方式，其一是基于量子电路类库的编程设计算法方式，其二是使用量子电路设计计算演示平台方式。

基于量子电路类库的编程设计算法方式，需要以C++11或以上版本为编译器。通过调用量子电路复杂算法模块本身存在的算法以及量子电路基本操作模块的所有方法，以此来完成编写所期望的算法。编写完成的算法逻辑上都属于量子电路复杂算法模块。如果需要长期存储算法以便再使用，则需要在调用模块中注册该算法。

使用量子电路设计计算演示平台方式，用户的输入位置为使用浏览器打开的指定网页的输入框，结果输出位置为该网页上的三个输出框。

表为量子电路设计计算演示平台初始状态提供指令表：

用户在输入框输入的内容应参照表1指令表，也可以在输入框输入“HELP”指令调用查看指令提示信息。输入的指令必须严格按照指令表格式，若有自定义并且已经注册过的指令，则必须按照已注册的指令格式输入，否则第一个输出框会输出错误信息。第一个输出框还会输出量子电路简单信息，触发指令为“SHC”指令。第二个输出框显示量子电路图，触发指令同样为“SHC”指令，该指令同时触发第一个按钮可用，该按钮作用是提供量子电路图下载。第三个输出框显示量子电路计算结果灰度仿真图，触发指令为“CAL”指令，该指令同时触发第二个按钮可用，该按钮作用是提供量子电路计算结果灰度仿真图下载。

下面将结合实施例对使用量子电路设计计算演示平台方式作进一步详述，该实施例仅用于解释该使用方式，并不构成对本发明保护范围的限定。

以下为在浏览器端输入框输入的具体指令，“//”后为指令注释内容：

CRC mycircuit_1 NCV

//建立名为mycircuit_1，门库为NCV的空量子电路

PUSL mycircuit_1 4 back

//在mycirucit_1线序末尾添加一组数量为4的线路

ING mycircuit_1 Cnot(2:1) back

//在mycircuit_1门序末尾添加一个控制位在2线，目标位在1线的Cnot门

ING mycircuit_1 Toffoli(1,2:4) 1

//在mycircuit_1门序中位置为1处添加一个控制位在1、2线，目标位在4线的Toffoli门(原先门序为1的门门序变为2，以此类推逐个加1)

SIM mycircuit_1

//对mycircuit_1进行简单匹配

SHC mycircuit_1

//将mycircuit_1信息显示在输出框

CAL mycircuit_1

//对mycircuit_1进行计算

将指令发送给服务器，服务器端指令接收模块接收指令内容。指令接收模块首先对接收到的指令进行检测，检测无误后依次读取指令，对每一条指令都调用对应的核心运算模块中提供的方法。前4条指令仅对量子电路操作，第5条指令“SIM”指令作用是根据门库规则使用基本门替换所有非基本门，第7条指令“CAL”指令作用是当量子电路中所有门都是基本门时，根据门库规则计算该量子电路。这两条指令都需要读取门库内容。同时，由于包含了“SHC”和“CAL”指令，触发了量子电路简单信息的显示、量子电路图和量子电路计算结果灰度仿真图的显示与下载。由于指令是批量发送的，因此处理后的输出结果，即新网页也是在批处理完成后传给浏览器端的。图4可以观察到使用量子电路设计计算演示平台的内部流程。

本发明抽象了基于不同门库的量子电路的构造方法，对于新发现的可行的量子门库，不需要重新设计仿真平台的计算模块，仅需在门库模块添加相应量子门库规则。

本发明设计了合理的基于量子电路的基本构造操作。基于量子电路设计的算法、设计的用于构造量子电路的算法，本质上都是由有限的对量子电路操作级联而成的。使用这些基本操作可以构建任何量子电路，也可以设计绝大部分量子电路综合、优化以及纠错算法。设计完的算法可以保存到仿真平台中并在需要时调用。

本发明自定义了一套可以较完整描述非基本门分解方法的标准。到目前为止，国内外在描述非基本门分解方法方面仍然有很大空白。常见的描述方法是绘图表示法，绘图表示规则需要附上解释说明。本发明将逻辑门的分解规则公式化、规格化，并做好可以供计算机读取的接口，能够更加便捷地分解逻辑电路。

Claims (1)

1.一种量子电路仿真平台，其特征在于：量子电路仿真平台包括一套量子电路类库，一种量子电路设计计算演示平台；

量子电路类库：包括门库模块、基础数据结构模块、量子电路基本操作模块、量子电路复杂算法模块、调用模块；其中，门库模块，由一个文件夹以及对该文件夹进行操作的程序组成，文件夹中又包含多个子文件夹，每一个子文件夹代表一个具体的门库，子文件夹中存储“.rule”后缀文件，文件内容为非基本门的化简规则以及基本门的计算规则；基础数据结构模块由量子门、量子电路线、量子电路的基础数据结构以及允许对其数据结构进行的操作组成；量子电路基本操作模块：核心操作为添加量子电路线、删除量子电路线、添加量子门、删除量子门、计算量子电路，其中添加与删除量子电路线的位置只能在线序的首部与尾部，同时也存在其他非基本操作；量子电路复杂算法模块：用户能够根据量子电路复杂算法模块所提供的方法自定义新的算法并存储；调用模块：将量子电路基本操作模块和量子电路复杂算法模块中部分方法加工成指令以便调用，同时可以输出三份“.txt”格式文档，分别是提示与错误信息、量子电路文档、量子电路计算结果文档；

量子电路设计计算演示平台：分为浏览器端与服务器端，其中服务器端包括核心运算模块、指令接收模块、输出显示模块；其中，指令接收模块：接收并处理用户在浏览器端所输入的内容，对处理后的内容进行简单检查，检查无误后依次调用核心运算模块提供的封装方法；输出显示模块：传输提示与错误信息、量子电路简单信息、量子电路图、量子电路计算结果灰度仿真图。