CN108710951A

CN108710951A - 一种构建量子线路的方法及系统

Info

Publication number: CN108710951A
Application number: CN201810473586.1A
Authority: CN
Inventors: 薛程; 陈昭昀
Original assignee: Hefei Native Quantum Computing Technology Co Ltd
Current assignee: Hefei Native Quantum Computing Technology Co Ltd
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2018-10-26

Abstract

本发明公开了一种构建量子线路的方法及系统，属于量子计算领域。目前阶段，一方面缺乏与量子计算机的基本操作对应的量子基本指令集，以及相应的量子程序框架。另一方面，基本的量子指令集过于简单，无法有效地构建一些量子算法的量子线路，甚至无法生成一些量子算法的量子线路，比如Shor算法和相位估计算法。这妨碍了量子算法及量子计算机的研究，因此需要寻找方法来解决这个量子线路生成问题。本发明提供了一种构建量子线路的方法及系统，可以将量子线路中涉及的操作提取出来，构建出一组完备的量子程序指令集，通过调用这个指令集提出一种高效地生成量子线路的方法及系统。

Description

一种构建量子线路的方法及系统

技术领域

本发明提供了一种构建量子线路的方法及系统，属于量子计算领域。

背景技术

量子计算机因其具有相对普通计算机更高效的处理数学问题的能力，例如能将破解RSA密钥的时间从数百年加速到数小时，故成为一种正在研究中的关键技术。然而，现阶段的量子计算机的原型机的量子位数量较少，实际处理速度还没有经典计算机快。为了解决这个问题，人们用量子虚拟机对量子计算机的行为进行预测，这种方法通常用来验证量子算法或者量子计算机行为的正确性，对量子算法和量子计算机设计进行指导。而量子虚拟机是人们使用经典计算机语言实现的对代表量子逻辑门的幺正变换矩阵和代表量子态的复数矢量之积的模拟，人们可使用量子指令集编写的量子程序在经典计算机上操控量子虚拟机对了量子态的变化进行分析与仿真。

当量子计算机包含的量子比特数目大于50时，计算能力将超过所有经典计算机。然而，量子计算机在底层硬件架构和工作方式上都与经典计算机有本质的不同，所以经典计算机的程序语言不适用于量子计算机，量子计算机需要专用的量子程序语言。目前阶段，量子计算机在软件层面发展缓慢，量子程序指令集还不完善，很多量子算法的量子线路还无法用量子指令集构建出来。其构建量子线路的效率低，功能少。

发明内容

1、要解决的问题

目前阶段，一方面缺乏与量子计算机的基本操作对应的量子基本指令集，以及相应的量子程序框架。另一方面，基本的量子指令集过于简单，无法有效地构建一些量子算法的量子线路，甚至无法生成一些量子算法的量子线路，比如Shor算法和相位估计算法。这妨碍了量子算法及量子计算机的研究，因此需要寻找方法来解决这个量子线路生成问题。本发明提供了一种构建量子线路的方法及系统，可以将量子线路中涉及的操作提取出来，构建出一组完备的量子程序指令集，通过调用这个指令集提出一种高效地生成量子线路的方法。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种构建量子线路的方法，其步骤如下：

(1)获取要构建的量子线路信息；

(2)用初始化量子指令对量子线路初始化；

(3)调用量子程序指令集中相应指令实现目标量子线路中所有操作；

(4)量子线路构建完毕。

更进一步的，步骤(2)中，初始化指令包括量子指令QINIT和CREG，其中QINIT指令输入参数为量子比特数目n，定义n个量子比特，初态为|0>；CREG指令输入参数为经典寄存器数目c，定义c个保存测量结果的经典寄存器，初值为0。

更进一步的，步骤(3)中量子程序指令集包括对量子比特序号进行相应的操作的指令集。

更进一步的，量子程序指令集包括，单量子比特逻辑门操作指令：

H，输入参数：量子比特序号q，对q号量子比特进行Hadamard量子逻辑门操作；

RX/RY/RZ，输入参数：量子比特序号q,旋转角度θ，θ用弧度制表示，PI＝π，对q号量子比特进行RX/RY/RZ量子逻辑门操作，旋转角度为θ；

NOT，输入参数：量子比特序号q，对q号量子比特进行量子非门操作。

更进一步的，量子程序指令集包括，多量子比特逻辑门操作指令：

CNOT，输入参数：量子比特序号q1,q2，对q1和q2号量子比特进行CNOT量子门操作，q1号为控制量子比特，q2号为目标量子比特；

CR，输入参数：量子比特序号q1,q2，旋转角度θ，θ用弧度制表示，PI＝π，对q1和q2号量子比特进行控制相位门操作，旋转角度为θ，q1号为控制量子比特，q2号为目标量子比特；

TOFFOLI，输入参数：量子比特序号q1,q2,q3，对q1,q2和q3号量子比特进行TOFFOLI门操作，q1,q2号为控制量子比特，q3号为目标量子比特；

更进一步的，量子程序指令集包括，量子比特进行测量操作指令：

MEASURE，输入参数：量子比特序号q，经典寄存器序号c，对q号量子比特进行测量操作，测量结果保存在c号经典寄存器中。

更进一步的，量子程序指令集包括，对整体量子线路做转置共轭操作指令：DAGGER，ENDDAGGER，输入参数：无，转置共轭操作，DAGGER为起始标志，ENDDAGGER为结束标志，两者定义一个作用域，对作用域中的量子线路做转置共轭操作。

更进一步的，量子程序指令集包括，对整体量子线路起控制操作指令：CONTROL，ENDCONTROL，输入参数：量子比特序号q，控制操作，CONTROL为起始标志，ENDCONTROL为结束标志，两者定义一个作用域，q号量子比特对作用域中的量子线路起控制作用。

一种构建量子线路的系统，包括量子计算机，量子计算机采用上述任一所述的一种构建量子线路的方法进行量子线路的构建。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种构建量子线路的方法及系统，可以将量子线路中涉及的操作提取出来，构建出一组完备的量子程序指令集，通过调用这个指令集提出一种高效地生成量子线路的方法可以简化量子线路中的一些操作；

(2)本方案提供的指令集的操作方法，可以直接有效的对量子操作进行简化设置，本发明提出的共轭操作指令可以有效地对量子线路进行转置共轭操作；

(3)本方案提出了控制操作指令，可以有效地表示受控量子线路；

(4)本发明提出一种构建量子线路的方法及系统，扩展了量子程序构建量子线路的能力，使用本发明提出地方法，可以有效地构建任意量子线路，有效地构建一些量子算法的量子线路，甚至可以生成一些量子算法的量子线路，比如Shor算法和相位估计算法，保证了量子线路的顺利生成。

附图说明

图1为量子程序指令集构建量子线路的流程图；

图2为实施例1量子线路示意图；

图3为实施例2量子线路示意图；

图4为实施例4一种受控量子线路示意图。

具体实施方式

本方案，提出了一种构建量子线路的方法及系统，结合本发明提出的量子程序指令集，获得了高效构建量子线路的方案，下面结合附图对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提出的用量子程序指令集构建量子线路的方法步骤如下：

(1)获取要构建的量子线路信息；

(2)用初始化量子指令对量子线路初始化；初始化指令包括量子指令QINIT和CREG，其中QINIT指令输入参数为量子比特数目n，定义n个量子比特，初态为|0>；CREG指令输入参数为经典寄存器数目c，定义c个保存测量结果的经典寄存器，初值为0。

(3)调用量子程序指令集中相应指令实现目标量子线路中所有操作；量子程序指令集包括对量子比特序号进行相应的操作的指令集。

本发明提出的量子程序指令集如表1所示：

表1

上述指令直接设置对量子计算机计算系统的映射，完成对应的计算和控制。

(4)量子线路构建完毕。

通过上述方法，可以将量子线路中涉及的操作提取出来，构建出一组完备的量子程序指令集，通过调用这个指令集提出一种高效地生成量子线路的方法可以简化量子线路中的一些操作；可以有效地构建任意量子线路，有效地构建一些量子算法的量子线路，甚至可以生成一些量子算法的量子线路，比如Shor算法和相位估计算法，保证了量子线路的顺利生成。

下面结合具体实施例对本发明进一步描述。

实施例1

要生成的量子线路如图2所示：

首先用初始化指令初始化量子线路，包含两个步骤

(1)定义量子线路包含的量子比特，将每个量子比特量子态初始化到|0>态；

(2)定义经典寄存器数目，初始值为0。

初始化代码如下：

QINIT 3

％量子比特初始化

CREG 3

％定义经典寄存器

然后用量子指令表示量子线路中的所有操作，具体代码如下：

H 0

CR 1,0,”PI/2”

CR 2,0,”PI/4”

H 1

CR 2,1,”PI/2”

H 2

MEASURE 0,$0

MEASURE 1,$1

MEASURE 2,$2

完成对量子线路的构建，快速直接，只需要对寄存器进行定义和初始化即可。

实施例2

实施例2在实施例1的基础上对量子线路设置转置共轭线路，转置共轭线路如图3所示，实施方法：构建一个已知线路的转置共轭线路时，直接使用DAGGER/ENDDAGGER指令实现，DAGGER/ENDDAGGER指令定义一个作用域，将作用域中的量子线路进行转置共轭操作，具体方式如下：

QINIT 3

CREG 3

DAGGER

H 0

CR 1,0,”PI/2”

CR 2,0,”PI/4”

H 1

CR 2,1,”PI/2”

H 2

ENDDAGGER

MEASURE 0,$0

MEASURE 1,$1

MEASURE 2,$2

完成对量子线路设置转置共轭线路的构建，在现有方法无法实现的情况下，直接对量子线路转置共轭线路进行构建。

实施例3

构建一种受控量子线路，如图4所示：

构建方法：这个量子线路包含很多受控指令，可以调用CONTROL/ENDCONTROL指令来实现。代码如下：

QINIT 5

CREG 5

H 0

H 1

CONTROL 0

CONTROL 1

H 2

CR 1,0,”PI/2”

CR 2,0,”PI/4”

ENDCONTROL 0

H 1

CR 2,1,”PI/2”

H 2

ENDCONTROL 1

MEASURE 0,$0

MEASURE 1,$1

MEASURE 2,$2

完成对受控量子线路的构建，直接生成，有效保证了量子线路生成的效率和速度。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims

1.一种构建量子线路的方法，其步骤如下：

(1)获取要构建的量子线路信息；

(2)用初始化量子指令对量子线路初始化；

(4)量子线路构建完毕。

2.根据权利要求1所述的一种构建量子线路的方法，其特征在于：步骤(2)中，初始化指令包括量子指令QINIT和CREG，其中QINIT指令输入参数为量子比特数目n，定义n个量子比特，初态为|0>；CREG指令输入参数为经典寄存器数目c，定义c个保存测量结果的经典寄存器，初值为0。

3.根据权利要求1所述的一种构建量子线路的方法，其特征在于：步骤(3)中量子程序指令集包括对量子比特序号进行相应的操作的指令集。

4.根据权利要求3所述的一种构建量子线路的方法，其特征在于：量子程序指令集包括，单量子比特逻辑门操作指令：

5.根据权利要求3或4所述的一种构建量子线路的方法，其特征在于：量子程序指令集包括，多量子比特逻辑门操作指令：

TOFFOLI，输入参数：量子比特序号q1,q2,q3，对q1,q2和q3号量子比特进行TOFFOLI门操作，q1,q2号为控制量子比特，q3号为目标量子比特。

6.根据权利要求5所述的一种构建量子线路的方法，其特征在于：量子程序指令集包括，量子比特进行测量操作指令：

7.根据权利要求6所述的一种构建量子线路的方法，其特征在于：量子程序指令集包括，对整体量子线路做转置共轭操作指令：DAGGER，ENDDAGGER，输入参数：无，转置共轭操作，DAGGER为起始标志，ENDDAGGER为结束标志，两者定义一个作用域，对作用域中的量子线路做转置共轭操作。

8.根据权利要求7所述的一种构建量子线路的方法，其特征在于：量子程序指令集包括，对整体量子线路起控制操作指令：CONTROL，ENDCONTROL，输入参数：量子比特序号q，控制操作，CONTROL为起始标志，ENDCONTROL为结束标志，两者定义一个作用域，q号量子比特对作用域中的量子线路起控制作用。

9.一种构建量子线路的系统，其特征在于：包括量子计算机，量子计算机采用权利要求1-8任一所述的一种构建量子线路的方法进行量子线路的构建。