CN109063844A - 一种表示量子程序的数据结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表示量子程序的数据结构，包括：量子线路类、量子程序类、节点类、量子逻辑门节点类、控制节点类、判断表达式节点类，所述量子线路类用于使用容器保存一组量子逻辑门类，所述量子程序类用于使用容器保存一组节点类，所述节点类是量子线路类、量子程序类、量子逻辑门节点类、控制节点类的父类，所述量子逻辑门节点类用于保存量子逻辑门的操作的量子比特、量子逻辑门对应的酉矩阵，所述判断表达式节点类用于保存判断表达式的相关信息。本发明具有可记录量子指令的执行顺序，可复用量子线路，控制节点类型可记录开发者输入的条件判断表达式，最后根据最终结果判断量子程序可执行的量子线路的优点。
Description
技术领域
本发明属于量子计算技术领域，具体地说，涉及一种表示量子程序的数据结构。
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，人们可使用量子语言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。
不管是量子虚拟机或量子计算机都需要通过量子程序控制其执行，而量子程序由量子逻辑门组成，每一种量子逻辑门对应着一种量子指令，故需要一种数据结构记录量子指令的详细信息以及量子指令的执行顺序信息。如发明专利(专利公开号为CN200610036121.7，公开日为2006年11月29日)公开了的一种协同量子计算机体系结构，在该方案中，使用先进先出的队列形式储存针对每个量子比特的量子指令，其量子指令的结构为<指令名、控制位、目标位、操作参数>。然而，当前用于存储量子程序的数据结构多仅记录量子指令的执行顺序，没有类似于经典计算机语言中类似于if、while的控制流程，或者控制流程的判断条件过于简单无法满足需求，并且，当前存储量子程序数据结构中没有体现出量子线路的概念，即把固定的、可实现一定功能的量子指令，按一定顺序组合在一起组成一个量子线路，可方便开发者的复用。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有技术存在的记录量子指令的数据结构无法记录控制流程或者控制流程判断条件过于简单的问题，本发明提供了一种表示量子程序的数据结构。采用本发明的方案，该数据结构可记录量子指令的执行顺序，节点类型可记录开发者输入的条件判断表达式，并根据量子芯片的计算结果，获取条件判断表达式的最终结果，最后根据最终结果判断量子程序可执行的量子线路。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种表示量子程序的数据结构包括：量子线路类、量子程序类、节点类、量子逻辑门节点类、控制节点类、判断表达式节点类；
所述量子线路类用于使用容器保存一组量子逻辑门类；
所述量子程序类用于使用容器保存一组节点类；
所述节点类是量子线路类、量子程序类、量子逻辑门节点类、控制节点类的父类；
所述量子逻辑门节点类用于保存量子逻辑门的操作的量子比特、量子逻辑门对应的酉矩阵；
所述判断表达式节点类用于保存判断表达式的相关信息。
优选的，所述控制节点类包括条件判断控制节点类、循环控制节点类；
所述条件判断控制节点类用于保存判断表达式、跳转的正确分支的节点和跳转的失败分支的目标节点；
所述循环控制节点类用于保存判断表达式、跳转的正确分支的目标节点。
优选的，所述判断表达式节点类包括逻辑运算符节点类、经典寄存器节点类；
所述逻辑运算符节点类用于保存判断表达式的逻辑运算符；
所述经典寄存器节点类用于经典寄存器名，通过测量得到的目标量子比特的测量值。
优选的，所述量子逻辑门节点类包括单门类、双门类、测量类；
所述单门类用于表示单量子比特逻辑门，单门类保存的是单比特量子逻辑门对应的种类、单比特量子逻辑门操作的量子比特、单比特量子逻辑门对应的酉矩阵、单比特量子逻辑门对应量子逻辑门Z-Y分解的4个参数，所述量子逻辑门Z-Y分解的公式为U＝eiαRz(β)Ry(γ)Rz(δ)，其中α为全局相位，β为RZ旋转门的旋转角度，γ为RY旋转门的旋转角度，δ为RZ旋转门的旋转角度；
所述双门类用于表示双量子比特逻辑门，双门类保存的是单比特量子逻辑门对应的种类、双比特量子逻辑门操作的量子比特信息、双比特量子逻辑门对应的酉矩阵；；
所述测量类用于命令量子芯片或虚拟机测量指定的量子比特。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供了一种表达量子程序的数据结构，数据结构包括量子线路类、量子程序类、节点类、量子逻辑门节点类、控制节点类、判断表达式节点类，该数据结构可记录量子指令的执行顺序，也设计了控制节点类型，该节点类型可记录开发者输入的条件判断表达式，并根据量子芯片的计算结果，获取条件判断表达式的最终结果，最后根据最终结果判断量子程序可执行的量子线路。
(2)本发明的控制节点类包括条件判断控制节点类、循环控制节点类，此设计可方便开发者在量子程序中使用条件判断语句和循环语句。
(3)本发明的量子线路可记录不同类型的量子指令的执行顺序，开发者可复用此量子线路，提高开发效率，本发明还具有可扩展性，在未来可以添加量子指令与控制节点的类型；
(4)本发明的数据结构可以装载多个测量值，并提供了一套该类型数据结构运算系统。该系统定义了多个测量值加、减、或、与等基础操作的运算机制；
(5)本发明能记录量子指令执行顺序，并添加了控制节点，该节点可根据判断条件跳转到指定的量子指令节点，量子逻辑门记录方式得到改进；
(6)本发明的数据结构同时可复用于量子虚拟机与量子计算机，实现了软硬件解耦，可减少开发人员的工作量。
附图说明
图1为本发明表达量子程序数据结构的类图示意图；
图2为本发明生成包含条件判断控制节点的量子程序的示意图；
图3为本发明生成包含循环控制节点的量子程序的示意图。
具体实施方式
为了更加清楚地描述本发明，下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
为了解决现有技术记录量子指令的数据结构无法记录执行流程，或者控制流程判断条件过于简单且没有体现出量子线路的概念的问题，本发明的一种表示量子程序的数据结构，用于装载量子比特测量值的数据结构，该数据结构可以装载多个测量值，并提供了一套该类型数据结构运算系统，该系统定义了多个测量值加、减、或、与等基础操作的运算机制。
参考图1，本数据结构具体包括量子线路类、量子程序类、节点类、量子逻辑门节点类、控制节点类、判断表达式节点类。其中，所述量子线路类用于使用容器保存一组量子逻辑门类，量子逻辑门队列的顺序表示量子线路的执行顺序，该量子线路可记录不同类型的量子指令的执行顺序，开发者可复用此量子线路，提高开发效率。
所述量子程序类用于使用容器保存一组节点类，在本实施例中，量子程序类用于保存一组量子逻辑门类、量子程序类、量子线路类、判断控制节点类、循环控制节点类的队列，队列的顺序表示量子程序的执行顺序。
所述节点类是量子线路类、量子程序类、量子逻辑门节点类、控制节点类的父类。所述量子逻辑门节点类用于保存量子逻辑门的操作的量子比特、量子逻辑门对应的酉矩阵。量子逻辑门类的在容器中的顺序就是量子逻辑门的执行时序。所述判断表达式节点类用于保存判断表达式的相关信息，保存一组量子逻辑门类、量子程序类、量子线路类、判断控制节点类、循环控制节点类的队列，队列的顺序表示量子程序的执行顺序。
建立包含量子线路的量子程序包含以下步骤：
(1)创建量子程序类；
(2)创建量子算法对应多个量子逻辑门类；
(3)创建量子线路类；
(4)把多个量子逻辑门按照执行顺序添加到量子线路类；
(5)把量子线路类添加到量子程序中。
通过上述方法，得到的量子线路类包含多个量子逻辑门，该量子线路可被复用到多个量子程序中。
该数据结构可记录量子指令的执行顺序，也设计了控制节点类型，该节点类型可记录开发者输入的条件判断表达式，并根据量子芯片的计算结果，获取条件判断表达式的最终结果，最后根据最终结果判断量子程序可执行的量子线路。
实施例2
参考图1，技术方案与实施例1基本相同，与实施例1所不同的是，所述控制节点类包括条件判断控制节点类、循环控制节点类，此设计可方便开发者在量子程序中使用条件判断语句和循环语句。
条件判断控制节点类用于保存条件判断表达式、跳转的正确分支的节点和跳转的失败分支的目标节点，判断正确后跳转的目标节点、判断失败后跳转的目标节点。
循环控制节点类用于保存条件判断表达式、跳转的正确分支的目标节点，判断正确后跳转的目标节点。其中，节点类的在容器中的顺序就是节点的执行时序。
在本实施例中，参考图2，建立只包含正确分支的条件判断节点类的量子程序包含以下步骤：
(1)创建量子程序类；
(2)创建多个经典寄存器类；
(3)向量子程序类添加量子逻辑门，其作用是改变目标量子比特状态的作用；
(4)向量子程序类添加多个测量类，输入参数为需要测量的量子比特和(2)中创建的经典寄存器类；
(5)创建一个量子线路类作为条件判断节点类的正确分支，并多个量子逻辑门类添加到量子线路类；
(6)把多个经典寄存器类组合成一个判断表达式，以创建条件判断节点类需要的判断表达式节点类；
(7)创建条件判断节点类，并把正确分支对应的量子线路类和判断表达式节点类作为输入参数，创建此节点后，量子芯片可把测量的目标比特的测量结果存储在指定位置，程序可根据测量结果判断判断表达式是否成立，如果成立执行正确分支，如果不成立跳出从节点；
(8)把条件判断节点类添加到量子程序类。
通过上述方法，得到的包含正确分支的条件判断节点类的量子程序，其中步骤(6)可放在(3)、(4)、(5)前，且可随机插入到步骤(3)、(4)、(5)中。步骤(5)可放在(3)、(4)前，并且可随机插入到(3)、(4)中。
参考图2，建立只包含正确分支和错误分支的条件判断节点类的量子程序包括以下步骤：
(1)创建量子程序类；
(2)创建多个经典寄存器类；
(3)向量子程序类添加量子逻辑门，其作用是改变目标量子比特状态的作用；
(4)向量子程序类添加多个测量类，输入参数为需要测量的量子比特和(2)中创建的经典寄存器类；
(5)创建一个量子线路类作为条件判断节点类的正确分支，并多个量子逻辑门类添加到量子线路类；
(6)创建一个量子线路类作为条件判断节点类的错误分支，并多个量子逻辑门类添加到量子线路类；
(7)把多个经典寄存器类组合成一个判断表达式，以创建条件判断节点类需要的判断表达式节点类；
(8)创建条件判断节点类，并把正确分支对应的量子线路类、错误分支对应的量子线路类、判断表达式节点类作为输入参数。创建此节点后，量子芯片可把测量的目标比特的测量结果存储在指定位置，程序可根据测量结果判断判断表达式是否成立，如果成立执行正确分支，如果不成立执行错误分支；
(9)把条件判断节点类添加到量子程序类。
通过上述方法，得到的包含正确分支和错误分支的条件判断节点类的量子程序，其中步骤(7)可放在步骤(3)、(4)、(5)、(6)前，并且可随机插入到步骤(3)、(4)、(5)、(6)中。步骤(5)、(6)可放在步骤(3)、(4)前且可随机插入到步骤(3)、(4)中，并且步骤(5)、(6)的顺序也可以调换。
参考图3，建立包含正确分支的循环控制节点类的量子程序需要以下步骤：
(1)创建量子程序类；
(2)创建多个经典寄存器类；
(3)向量子程序类添加量子逻辑门，其作用是改变目标量子比特状态的作用
(4)向量子程序类添加多个测量类，输入参数为需要测量的量子比特和(2)中创建的经典寄存器类
(5)创建一个量子线路类作为条件判断节点类的正确分支，并多个量子逻辑门类添加到量子线路类；
(6)把(4)中向量子程序中添加的测量类，同样添加到量子线路；
(7)把多个经典寄存器类组合成一个判断表达式，以创建条件判断节点类需要的判断表达式节点类；
(8)创建循环控制节点类，并把正确分支对应的量子线路类和判断表达式节点类作为输入参数，创建此节点后，量子芯片可把测量的目标比特的测量结果存储在指定位置，程序可循环根据测量结果判断判断表达式是否成立，如果成立执行正确分支，如果不成立跳出从节点；
(9)把条件判断节点类添加到量子程序类。
通过上述方法，得到的包含正确分支的循环控制节点类的量子程序，其中步骤(7)可放在(3)、(4)、(5)、(6)步骤前，且可随机插入到(3)、(4)、(5)、(6)步骤中。步骤(5)可放在(3)、(4)前，并且可随机插入到(3)、(4)步骤中。
例如，参考图2，生成包含条件判断控制节点的量子程序包括以下步骤：
(1)创建量子程序类，并命名为测试量子程序；
(2)创建3个量子比特对象量子比特0，量子比特1，量子比特2；
(3)创建3个经典寄存器对象经典寄存器0，经典寄存器1，经典寄存器2；
(4)创建目标量子比特为量子比特0的Hadamard门；创建目标量子比特为量子比特1的Hadamard门；创建目标量子比特为量子比特2的Hadamard门；
(5)创建目标量子比特为量子比特0的RX门；创建目标量子比特为量子比特1的RY门；创建目标量子比特为量子比特2的RZ门；
(6)创建目标量子比特为量子比特0，目标经典寄存器为经典寄存器0的Measure门；
(7)创建目标量子比特为量子比特1，目标经典寄存器为经典寄存器1的Measure门；
(8)把(4)～(7)创建的量子逻辑门添加到测试量子程序；
(9)创建量子线路类，并命名为测试量子线路；
(10)创建目标量子比特为量子比特0的RY门；
(11)创建目标量子比特为量子比特1的RY门；
(12)创建目标量子比特为量子比特2的RZ门；
(13)创建目标量子比特为量子比特0，目标经典寄存器为经典寄存器0的Measure门；
(14)创建目标量子比特为量子比特1，目标经典寄存器为经典寄存器1的Measure门；
(15)创建目标量子比特为量子比特2，目标经典寄存器为经典寄存器2的Measure门；
(16)把(10)～(14)创建的量子逻辑门添加到测试量子线路；
(17)创建判断表达式为经典寄存器0且经典寄存器1是否等于1的判断表达式节点类，并命名为测试判断表达式；
(18)创建判断条件为测试判断表达式，正确分支为测试量子线路的条件判断控制节点类，并命名为测试条件控制节点；
(19)把测试条件控制节点添加到测试量子程序。
例如，参考图3，生成包含循环控制节点的量子程序包括以下步骤：
(1)创建量子程序类，并命名为测试量子程序；
(2)创建2个量子比特对象量子比特0，量子比特1；
(3)创建2个经典寄存器对象经典寄存器0，经典寄存器1；
(4)创建目标量子比特为量子比特0的Hadamard门；创建目标量子比特为量子比特1的Hadamard门；
(5)创建目标量子比特为量子比特0的RX门，创建目标量子比特为量子比特1的RY门；
(6)创建目标量子比特为量子比特0，目标经典寄存器为经典寄存器0的Measure门；
(7)创建目标量子比特为量子比特1，目标经典寄存器为经典寄存器1的Measure门；
(8)把(4)～(7)创建的量子逻辑门添加到测试量子程序；
(9)创建量子线路类，并命名为测试量子线路；
(10)创建目标量子比特为量子比特1的RY门；
(11)创建目标量子比特为量子比特0，目标经典寄存器为经典寄存器0的Measure门；
(12)创建目标量子比特为量子比特1，目标经典寄存器为经典寄存器1的Measure门；
(13)把(12)～(14)创建的量子逻辑门添加到测试量子线路；
(14)创建判断表达式为经典寄存器0或经典寄存器1是否等于1的判断表达式节点类，并命名为测试判断表达式；
(15)创建判断条件为测试判断表达式，正确分支为测试量子线路的条件判断控制节点类，并命名为测试条件控制节点；
(16)创建目标量子比特为量子比特0，目标经典寄存器为经典寄存器0的Measure门；
(17)创建目标量子比特为量子比特1，目标经典寄存器为经典寄存器1的Measure门；
(18)把(15)～(17)创建的量子逻辑门添加到测试量子线路。
实施例3
本实施例的一种表示量子程序的数据结构，其数据结构与实施例1基本相同，更进一步的：
所述判断表达式节点类包括逻辑运算符节点类、经典寄存器节点类。
其中，所述逻辑运算符节点类用于保存判断表达式的逻辑运算符。经典寄存器节点类用于经典寄存器名，通过测量得到的目标量子比特的测量值。经典寄存器节点类的作用是获取通过测量得到的目标量子比特的测量值。量子比特的测量值在测量后被保存在经典计算机内存或者经典计算机外设部件(如FPGA)的内存中，经典寄存器节点类通过对外提供读取测量值接口，读取目标内存地址的数据或者向外设部件(如FPGA)请求数据，从而获得目标量子比特的测量值，其中外设部件不限定于FPGA。
实施例4
参考图1，为了保存量子逻辑门的操作的量子比特、量子逻辑门信息，本实施例的量子逻辑门节点类包括单门类、双门类、测量类。
所述单门类保存的是单比特量子逻辑门对应的种类、单比特量子逻辑门操作的量子比特、单比特量子逻辑门对应的酉矩阵、单比特量子逻辑门对应量子逻辑门Z-Y分解的4个参数。其中，酉矩阵2*2的酉矩阵，量子逻辑门Z-Y分解的公式为U＝eiαRz(β)Ry(γ)Rz(δ)，其中α为全局相位，β为RZ旋转门的旋转角度，γ为RY旋转门的旋转角度，δ为RZ旋转门的旋转角度。单比特量子逻辑门的分类有RX、RZ、RY、X、Y、Z、S、Hadamard门。
所述双门类保存的是单比特量子逻辑门对应的种类、双比特量子逻辑门操作的量子比特信息、双比特量子逻辑门对应的酉矩阵，本实施例中，酉矩阵为4*4的酉矩阵，双量子比特逻辑门的分类有iSWAP、CNOT、CZ、CU、SqiSWAP，双门类分类中的CU可理解为控制单门，故同样可保存量子逻辑门对应量子逻辑门Z-Y分解的4个参数。
测量类的作用是命令量子芯片或虚拟机测量指定的量子比特，从而并把测量值存放到指定的经典寄存器。
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，附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的方法并不局限于此。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方法及实施例，均应属于本专利的保护范围。
Claims (4)
1.一种表示量子程序的数据结构，其特征在于，包括：量子线路类、量子程序类、节点类、量子逻辑门节点类、控制节点类、判断表达式节点类；
所述量子线路类用于使用容器保存一组量子逻辑门类；
所述量子程序类用于使用容器保存一组节点类；
所述节点类是量子线路类、量子程序类、量子逻辑门节点类、控制节点类的父类；
所述量子逻辑门节点类用于保存量子逻辑门的操作的量子比特、量子逻辑门对应的酉矩阵；
所述判断表达式节点类用于保存判断表达式的相关信息。
2.根据权利要求1所述表示量子程序的数据结构，其特征在于，所述控制节点类包括条件判断控制节点类、循环控制节点类；
所述条件判断控制节点类用于保存判断表达式、跳转的正确分支的节点和跳转的失败分支的目标节点；
所述循环控制节点类用于保存判断表达式、跳转的正确分支的目标节点。
3.根据权利要求1所述表示量子程序的数据结构，其特征在于，所述判断表达式节点类包括逻辑运算符节点类、经典寄存器节点类；
所述逻辑运算符节点类用于保存判断表达式的逻辑运算符；
所述经典寄存器节点类用于经典寄存器名，通过测量得到的目标量子比特的测量值。
4.根据权利要求1所述表示量子程序的数据结构，其特征在于，所述量子逻辑门节点类包括单门类、双门类、测量类；
所述单门类用于表示单量子比特逻辑门，单门类保存的是单比特量子逻辑门对应的种类、单比特量子逻辑门操作的量子比特、单比特量子逻辑门对应的酉矩阵、单比特量子逻辑门对应量子逻辑门Z-Y分解的4个参数，所述量子逻辑门Z-Y分解的公式为U＝eiαRz(β)Ry(γ)Rz(δ)，其中α为全局相位，β为RZ旋转门的旋转角度，γ为RY旋转门的旋转角度，δ为RZ旋转门的旋转角度；
所述双门类用于表示双量子比特逻辑门，双门类保存的是单比特量子逻辑门对应的种类、双比特量子逻辑门操作的量子比特信息、双比特量子逻辑门对应的酉矩阵；
所述测量类用于命令量子芯片或虚拟机测量指定的量子比特。
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