CN111882068A - 一种消除qaoa量子电路噪声影响的方法、装置、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种消除QAOA量子电路噪声影响的方法、装置、设备及存储介质，涉及量子计算技术领域。具体方案为：基于预先设定的QAOA量子电路的噪声模型，和预先设定的量子比特的噪声模型，计算出QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数；控制所述QAOA量子电路的噪声强度，通过所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到所述QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标；使用错误缓除法计算出QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。本申请实施例能够在有限资源内消除噪声对于QAOA量子电路的影响，使得QAOA量子电路在有噪声环境下仍然能够有效地解决离散优化问题。

Description

一种消除QAOA量子电路噪声影响的方法、装置、设备及介质

技术领域

本申请涉及量子计算技术领域，进一步涉及量子电路技术，尤其是一种消除量子近似优化算法量子电路噪声影响的方法、装置、设备及介质。

背景技术

量子近似优化算法(Quantum Approximate Optimization Algorithm，简称QAOA)是可在含噪中等规模量子(Noise Intermediate-Scale Quantum，简称NISQ)设备上运行的量子算法。QAOA旨在解决计算机、物理和运筹等领域广泛存在的一大类离散优化问题，而对于这类问题，普遍认为不存在通过消耗多项式资源确定性地输出目标的经典算法。因此，QAOA不仅是一个有望在近期制造的量子处理器上验证量子优势的算法，而且还是在组合优化、多体物理和运筹规划等方向具有实际应用前景的算法。

QAOA是量子计算机在近期的一项非常重要的应用，然而制约QAOA应用的一个重要因素是在运行量子算法过程中会受到外界环境噪声的影响，从而导致所谓的退相干(decoherence)现象或者量子门错误(quantum gate error)，从而致使QAOA优势丧失殆尽，甚至给出错误答案。由于现实操作中无法彻底根除或者避免这些错误，所以亟需设计出一个降低噪声对于QAOA量子电路的影响的方案，可以使得量子计算机尽可能更准确地输出结果。

发明内容

本申请提供了一种消除QAOA量子电路噪声影响的方法、装置、设备及介质，能够在有限资源内消除噪声对于QAOA量子电路的影响，使得QAOA量子电路在有噪声环境下仍然能够有效地解决离散优化问题。

第一方面，本申请提供了一种消除QAOA量子电路噪声影响的方法，所述方法包括：

基于预先设定的QAOA量子电路的噪声模型，和预先设定的量子比特的噪声模型，计算出所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数；

控制所述QAOA量子电路的噪声强度，通过所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到所述QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标；

使用错误缓除法计算出所述QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。

第二方面，本申请提供了一种消除QAOA量子电路噪声影响的装置，所述装置包括：第一计算模块、噪声控制模块和第二计算模块；其中，

所述第一计算模块，用于基于预先设定的QAOA量子电路的噪声模型，和预先设定的量子比特的噪声模型，计算出所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数；

所述噪声控制模块，用于控制所述QAOA量子电路的噪声强度，通过所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到所述QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标；

所述第二计算模块，用于使用错误缓除法计算出所述QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。

第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本申请任意实施例所述的消除QAOA量子电路噪声影响的方法。

第四方面，本申请实施例提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本申请任意实施例所述的消除QAOA量子电路噪声影响的方法。

根据本申请的技术解决了在运行量子算法过程中会受到外界环境噪声影响，从而导致所谓的退相干现象或者量子门错误，致使QAOA量子算法优势丧失殆尽，甚至给出错误答案的技术问题，本申请提供的技术方案，能够在有限资源内消除噪声对于QAOA量子电路的影响，使得QAOA量子电路在有噪声环境下仍然能够有效地解决离散优化问题。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

附图用于更好地理解本方案，不构成对本申请的限定。其中：

图1是现有技术中QAOA量子电路的结构示意图；

图2是现有技术中QAOA量子电路在噪声环境下的结构示意图；

图3是本申请实施例一提供的消除QAOA量子电路噪声影响的方法的流程示意图；

图4是本申请实施例二提供的消除QAOA量子电路噪声影响的方法的流程示意图；

图5是本申请实施例三提供的消除QAOA量子电路噪声影响的装置的结构示意图；

图6是用来实现本申请实施例的消除QAOA量子电路噪声影响的方法的电子设备的框图。

具体实施方式

以下结合附图对本申请的示范性实施例做出说明，其中包括本申请实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本申请的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

图1是现有技术中QAOA量子电路的结构示意图。QAOA量子电路具体可以包括两个部分：一个是量子部分，该部分利用参数化量子电路进行计算；另一个是经典部分，该部分利用经典处理器来处理电路结果，并更新QAOA量子电路的参数；因此，QAOA是一个量子经典混合算法。

下面通过求解无约束二次离散优化问题来介绍QAOA的工作原理和技术实现方案。在压缩图信号和二次化方向存在无约束的二次离散优化问题，该离散优化问题可以表示为以下目标函数：

其中，x_i和x_j是预先确定的变量，x_i和x_j的取值为-1或者1；n为大于1的自然数；q_ij是预先确定的变量x_ix_j在目标函数里占据的比重。对于这类问题的求解，普遍认为不存在通过消耗多项式资源确定性地输出目标的经典算法，而QAOA则在解决此类问题时具有潜在计算速度优势的量子算法。

首先，QAOA把经典的离散优化问题等价地转化为量子优化问题，即求解一个物理系统哈密顿量(Hamiltonian)的基态能量和相应的基态；其中，基态能量对应离散优化问题的最优值；基态对应离散优化问题的最优解。QAOA的工作原理是通过参数代换，即x_i代换为Z_i：

将上述离散优化问题中的目标函数转化为求解哈密顿量的最小特征值及其对应的特征向量；其中，哈密顿量可以表示为：

H_c＝∑q_ijZ_iZ_j (公式二)；

此时，量子优化问题转化为寻找归一化的量子态|ψ>的问题，使得以下函数成立：

F＝min_|ψ><ψ|H_c|ψ> (公式三)；

上述公式三可以划分为三部分，分别为：<ψ|、H_c、|ψ>；其中，<ψ|表示向量|ψ>的共轭转置；H_c表示矩阵；|ψ>表示向量。此时，当经典可行解x_i＝-1时，编码为量子比特态|1>，对应的泡利矩阵Z_i的本征值为-1的本征态|1>＝-Z_i|1>；当经典可行解x_i＝1时，编码为量子比特态|0>，对应的泡利矩阵Z_i本征值为1的本征态|0>＝Z_i|1>。另外，哈密顿量中的张量乘积(tensor product)Z_iZ_j指在量子比特i和j上作用泡利算符Z，而在其余的量子比特上无作用。

然后，QAOA量子部分规定了如何制备离散量子优化问题的最优解。如图1所示，QAOA量子电路由交叉放置的两个含参模块构成，所以QAOA的一大优点是物理层面容易实现。QAOA量子电路可以包括d层参数模块；其中，d为大于等于1的自然数；在每一层参数模块中，可以包括：第一参数模块和第二参数模块；进一步的，第一参数模块可以表示为：

其中，可调参数γ∈[0，π]；

表示复数矩阵-iγH_c的矩阵指数；第二参数模块可以表示为：

其中，调和哈密顿量：

X_i是作用在量子比特上的泡利X门；n为预先设置的量子比特的数量；β是可以调节的参数；β∈[0，π]。

经过预设的QAOA量子电路中的d层参数模块，QAOA量子电路的输出状态可以表示为：

|ψ(β,γ,d)>＝U_x(β_d)U_c(γ_d)...U_x(β₁)U_c(γ₁)|+>₁...|+>_n (公式六)；

其中，每一个量子比特的初态处于叠加态：

参数向量β＝(β₁,...,β_d)；参数向量γ＝(γ₁,...,γ_d)；|0>表示预先确定的第一类型的量子态；|1>表示预先确定的第二类型的量子态；|+>表示第一种类型和第二种类型相结合的量子态。将QAOA量子电路的输出状态(公式六)代入量子优化问题(公式三)，可以得到量子优化问题的损失函数(loss function)：

F_d＝min_β,γ<ψ(β,γ,d)|H_c|ψ(β,γ,d)> (公式七)。

QAOA量子电路的经典部分则利用变分法或者基于梯度的算法(例如，随机梯度算法或者Adam)来优化迭代损失函数(公式七)里面的参数向量β＝(β₁,...,β_d)和参数向量γ＝(γ₁,...,γ_d)，并将优化后的参向量反馈输入到QAOA量子电路。通过最优化方法进行QAOA量子经典两个步骤的迭代，直到满足最优条件或者达到预设的参数阈值，并且将优化后的参数向量记为β^*和γ^*。最终QAOA量子电路输出接近量子优化问题(公式三)的最优解的状态|ψ(β^*,γ^*,d)>以及相应的近似目标值(公式七)。对于经典优化问题(公式一)，则需要对末态|ψ(β^*,γ^*,d)>在进行测量来提取经典解的信息。

在运行QAOA量子电路的过程中，QAOA量子电路会遭受外界环境噪声干扰，或者在放置电路的参数模块时，量子逻辑门发生错误的影响。这些噪声和误差有可能让QAOA失去效果。对于上述噪声或者错误，通常用一个完全正且保迹(Completely Positive andTrace-Preserving，简称CPTP)的量子操作来建模，该模型可以表示为：

其中，Choi-Kraus算符K_i满足完全性条件，该完全性条件可以表示为：

其中，参数ρ表示QAOA量子电路的状态；m为大于1的自然数。例如，QAOA量子电路中常见的退极化(depolarizing)噪声可以表示为：

其中，X、Y、Z是单比特的Pauli-X、Pauli-Y、Pauli-Z逻辑门，参数p表示噪声或者错误对量子态的影响程度。

图2是现有技术中QAOA量子电路在噪声环境下的结构示意图。如图2所示，量子比特在放置第一参数模块和第二参数模块的间隔期间会受到噪声模型的影响。例如，该噪声模型可以是环境退相干的模型。具体地，如果环境退相干的模型是退极化噪声模型(公式九)，此时QAOA量子电路的输出末态不再具有标准的QAOA量子电路的输出形式(公式六)，而是一个混合量子态。由于在有噪声的环境下，QAOA量子电路输出的状态与理想环境下的纯态发生偏离，进一步计算损失函数(公式七)时也会发生偏离，从而有可能影响QAOA的效果，甚至使QAOA完全失效。

实施例一

图3是本申请实施例一提供的消除QAOA量子电路噪声影响的方法的流程示意图，该方法可以由消除QAOA量子电路噪声影响的装置或者电子设备来执行，该装置或者电子设备可以由软件和/或硬件的方式实现，该装置或者电子设备可以集成在任何具有网络通信功能的智能设备中。如图3所示，消除QAOA量子电路噪声影响的方法可以包括以下步骤：

S301、基于预先设定的QAOA量子电路的噪声模型，和预先设定的量子比特的噪声模型，计算出QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数。

在本申请的具体实施例中，电子设备可以基于预先设定的QAOA量子电路的噪声模型，和预先设定的量子比特的噪声模型，计算出QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数。具体地，QAOA量子电路的噪声模型可以由图2所示，该QAOA量子电路可以包括n个量子比特和d层参数模块；量子比特的噪声模型可以由公式八所示。以退极化噪声模型(公式九)为例，当QAOA量子电路包括n个量子比特和d层参数模块时，QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数可以表示为：

S302、控制QAOA量子电路的噪声强度，通过QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标。

在本申请的具体实施例中，电子设备可以控制QAOA量子电路的噪声强度，通过QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标。在一个实施例中，电子设备可以依据预先设定的噪声公式计算出i+1个噪声强度；其中，噪声公式为：p_i＝c_ip₀；其中，c₀＝1，c_i＞1，i为大于等于0的自然数；p₀为预先确定的初始噪声数值；然后根据i+1个噪声强度，基于QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到QAOA量子电路在i+1个噪声强度下的性能指标。

S303、使用错误缓除法计算出QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。

在本申请的具体实施例中，电子设备可以使用错误缓除法计算出QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。在一个实施例中，电子设备根据QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标，通过QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数，得到QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数；然后基于QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数，得到待求参数向量，使得QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数与QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数相同；再根据待求参数向量，基于QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数计算出QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。

本申请实施例提出的消除QAOA量子电路噪声影响的方法，先基于预先设定的QAOA量子电路的噪声模型，和预先设定的量子比特的噪声模型，计算出QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数；然后控制QAOA量子电路的噪声强度，通过QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标；再使用错误缓除法计算出QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。也就是说，本申请将错误缓除技术应用在QAOA量子电路，具体使用错误缓除法将在有噪声环境下QAOA的解还原为理想的无噪声环境下的效果。本申请在理论层面上论证了QAOA量子电路在有噪环境下依旧能够有效解决离散优化问题，从而使得QAOA量子电路能够在有噪声的环境下实际处理离散优化问题。而在现有技术中，在运行量子算法过程中会受到外界环境噪声影响，从而导致所谓的退相干现象或者量子门错误，致使量子算法优势丧失殆尽，甚至给出错误答案的技术问题。因为本申请采用了将错误缓除法应用在QAOA量子电路的技术手段，克服了现有技术中在运行量子算法过程中会受到外界环境噪声影响，从而导致所谓的退相干现象或者量子门错误，致使量子算法优势丧失殆尽，甚至给出错误答案的技术问题，本申请提供的技术方案，能够在有限资源内消除噪声对于QAOA量子电路的影响，使得QAOA量子电路在有噪声环境下仍然能够有效地解决离散优化问题；并且，本申请实施例的技术方案实现简单方便、便于普及，适用范围更广。

实施例二

图4是本申请实施例二提供的消除QAOA量子电路噪声影响的方法的流程示意图。如图4所示，消除QAOA量子电路噪声影响的方法可以包括以下步骤：

S401、基于QAOA量子电路的噪声模型获取QAOA量子电路中的量子比特之间的最大连接数，QAOA量子电路中的参数模块的层数以及各层参数模块对应的参数取值。

在本申请的具体实施例中，电子设备可以基于QAOA量子电路的噪声模型获取QAOA量子电路中的量子比特之间的最大连接数，QAOA量子电路中的参数模块的层数以及各层参数模块对应的参数取值。具体地，量子比特之间的最大连接数的取值范围为1至n之间的自然数，最小可取值为1，最大可取值为n。量子比特之间的最大连接数是指在QAOA量子电路的参数模块中存在连接关系的M组量子比特中，量子比特数量最大的一组量子比特中所包含的量子比特数量；其中，M为大于等于1的自然数。例如，QAOA量子电路包括三组量子比特，分别为：第一组量子比特、第二组量子比特和第三组量子比特；其中，第一组量子比特包括：量子比特1和量子比特2，即量子比特1和量子比特2之间存在连接关系；第二组量子比特包括：量子比特3、量子比特4和量子比特5，即量子比特3、量子比特4和量子比特5之间存在连接关系；第三组量子比特包括：量子比特6和量子比特7，即量子比特6和量子比特7之间存在连接关系。则电子设备可以将量子比特之间的最大连接数确定为3。此外，各层参数模块对应的参数取值可以表示为参数向量β和参数向量γ；参数向量β＝(β₁,...,β_d)；参数向量γ＝(γ₁,...,γ_d)。β₁和γ₁分别表示第一层参数模块中的第一参数模块和第二参数模块对应的参数取值；β₂和γ₂分别表示第二层参数模块中的第一参数模块和第二参数模块对应的参数取值；…；β_d和γ_d分别表示第d层参数模块中的第一参数模块和第二参数模块对应的参数取值。

S402、根据QAOA量子电路中的量子比特之间的最大连接数，QAOA量子电路中的参数模块的层数以及各层参数模块对应的参数取值，基于量子比特的噪声模型，计算出QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数。

在本申请的具体实施例中，电子设备可以根据QAOA量子电路中的量子比特之间的最大连接数，QAOA量子电路中的参数模块的层数以及各层参数模块对应的参数取值，基于量子比特的噪声模型，计算出QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数。以QAOA量子电路中常见的退极化噪声为例，QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数可以表示为：

由上述性能指标函数最右边的表达式可以看出，该性能指标函数是一个依赖于噪声强度p的函数，而且f_j(β,γ)和

是未知的。假设离散量子优化问题(公式三)中的量子比特之间的最大连接数为v，那么，量子优化问题(公式三)中的每一个观测量Z_iZ_j经过第一参数模块处理后，有效的量子比特数目最多会增加v-1倍。因此，对于d层的QAOA量子电路，该QAOA量子电路涉及到的V为大于等于1的自然数，并且V的取值仅依赖于参数模块的层数d和量子比特之间的最大连接数v，它不依赖于QAOA量子电路的量子比特数n，因此，上述分析也适用于大规模的QAOA量子电路。此外，从上述性能指标函数可以看出，当p＝0时，可以得到QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。

S403、控制QAOA量子电路的噪声强度，通过QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标。

在本申请的具体实施例中，电子设备可以控制QAOA量子电路的噪声强度，通过QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标。在一个实施例中，电子设备可以通过控制手段使噪声强度满足p_i＝c_ip₀；其中，c₀＝1，c_i＞1，i为大于等于0的自然数；即i＝0,1,2，...V；其中，V为大于等于1的自然数，并且V的取值仅依赖于参数模块的层数d和量子比特之间的最大连接数v。通过QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数，可以得到一组在不同噪声强度p_i下的性能指标F_d(p₁)，F_d(p₂)，....，F_d(p_V)。

S404、根据QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标，通过QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数，得到QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数。

S405、基于QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数，得到待求参数向量，使得QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数与QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数相同。

在本申请的具体实施例中，电子设备可以基于QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数，得到待求参数向量，使得QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数与QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数相同。

S406、根据待求参数向量，基于QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数，计算出QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。

在本申请的具体实施例中，电子设备可以根据待求参数向量，基于QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数，计算出QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。在一个实施例中，电子设备可以先根据QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标，通过QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数，得到QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数；然后基于QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数，得到待求参数向量，使得QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数与QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数相同；再根据待求参数向量，基于QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数计算出QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。具体地，电子设备在基于QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数求解待求参数向量时，可以先基于QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数，得到待求参数向量的第一待求参数向量方程和第二待求参数向量方程；然后根据第一待求参数向量方程和第二待求参数向量方程，计算出待求参数向量。具体地，电子设备在根据第一待求参数向量方程和第二待求参数向量方程，计算待求参数向量时，可以先根据第一待求参数向量方程和第二待求参数向量方程，得到待求参数向量对应的范德蒙方阵；然后根据待求参数向量对应的范德蒙方阵计算出待求参数向量。以QAOA量子电路中常见的退极化噪声为例，电子设备可以使用Richardson外推法，在不知道公式十中的函数f_j(β,γ)和

的具体形式的情况下，准确地恢复出性能指标的理想结果F_d(p＝0)。其工作原理是：本申请引入一组待求参数x_i，该组待求参数可以组成一个待求参数向量，根据公式十的最右边的表达式可以得到：

由上式最右边的表达式可以看出：当待求参数向量满足以下方程：

由上述公式十二和公式十三，便可得到QAOA量子电路在无噪环境下的性能指标F_d(p＝0)。求解上述方程等价于求解一个以范德蒙方阵(Vandermonde matrix)为系数矩阵的线性方程组，该范德蒙方阵可以表示为：

因为该系数矩阵是非奇异并且具有特殊结构，所以可以快速地得到公式十二和公式十三的解：

因此，通过操控手段调节噪声强度p，运行V次在不同噪声强度下的QAOA量子电路，然后利用将QAOA量子电路输出的结果进行后处理，例如对数据进行线性组合。当该线性组合里面的系数

时，满足公式十二和公式十三，此时公式十一为：

于是，通过选取适当的系数来线性组合出QAOA量子电路在有噪声环境下的输出结果，恢复出QAOA量子电路在无噪环境下的效果。

需要说明的是，本申请可以不限于退极化噪声的特例，针对任意给定类型的量子电路均可以采用本申请提供的方法消除噪声对于QAOA量子电路的影响。

本申请实施例提出的消除QAOA量子电路噪声影响的方法，先基于预先设定的QAOA量子电路的噪声模型，和预先设定的量子比特的噪声模型，计算出QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数；然后控制QAOA量子电路的噪声强度，通过QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标；再使用错误缓除法计算出QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。也就是说，本申请将错误缓除技术应用在QAOA量子电路，具体使用错误缓除法将在有噪声环境下QAOA的解还原为理想的无噪声环境下的效果。本申请在理论层面上论证了QAOA量子电路在有噪环境下依旧能够有效解决离散优化问题，从而使得QAOA量子电路能够在有噪声的环境下实际处理离散优化问题。而在现有技术中，在运行量子算法过程中会受到外界环境噪声影响，从而导致所谓的退相干现象或者量子门错误，致使量子算法优势丧失殆尽，甚至给出错误答案的技术问题。因为本申请采用了将错误缓除法应用在QAOA量子电路的技术手段，克服了现有技术中在运行量子算法过程中会受到外界环境噪声影响，从而导致所谓的退相干现象或者量子门错误，致使量子算法优势丧失殆尽，甚至给出错误答案的技术问题，本申请提供的技术方案，能够在有限资源内消除噪声对于QAOA量子电路的影响，使得QAOA量子电路在有噪声环境下仍然能够有效地解决离散优化问题；并且，本申请实施例的技术方案实现简单方便、便于普及，适用范围更广。

实施例三

图5是本申请实施例三提供的消除QAOA量子电路噪声影响的装置的结构示意图。如图5所示，所述装置500包括：第一计算模块501、噪声控制模块502和第二计算模块503；其中，

所述第一计算模块501，用于基于预先设定的QAOA量子电路的噪声模型，和预先设定的量子比特的噪声模型，计算出所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数；

所述噪声控制模块502，用于控制所述量子电路的噪声强度，通过所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到所述QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标；

所述第二计算模块503，用于使用错误缓除法计算出所述QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。

进一步的，第一计算模块501，具体用于基于所述QAOA量子电路的噪声模型获取所述量子电路中的量子比特之间的最大连接数，所述QAOA量子电路中的参数模块的层数以及各层参数模块对应的参数取值；根据所述QAOA量子电路中的量子比特之间的最大连接数，所述量子电路中的参数模块的层数以及各层参数模块对应的参数取值，基于所述量子比特的噪声模型，计算出所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数。

进一步的，所述噪声控制模块502，具体用于依据预先设定的噪声公式计算出i+1个噪声强度；其中，所述噪声公式为：p_i＝c_ip₀；其中，c₀＝1，c_i＞1，i为大于等于0的自然数；p₀为预先确定的初始噪声数值；根据所述i+1个噪声强度，基于所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到所述QAOA量子电路在i+1个噪声强度下的性能指标。

进一步的，所述第二计算模块503，用于根据所述QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标，通过所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数，得到所述QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数；基于所述QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数，得到所述待求参数向量，使得所述QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数与所述QAOA量子近似优化算法在有噪声环境下的性能指标函数相同；根据所述待求参数向量，基于所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数计算出所述QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。

进一步的，所述第二计算模块503，具体用于基于所述QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数，得到所述待求参数向量的第一待求参数向量方程和第二待求参数向量方程；根据所述第一待求参数向量方程和所述第二待求参数向量方程，计算出所述待求参数向量。

进一步的，所述第二计算模块503，具体用于根据所述第一待求参数向量方程和所述第二待求参数向量方程，得到所述待求参数向量对应的范德蒙方阵；根据所述待求参数向量对应的范德蒙方阵计算出所述待求参数向量。

上述消除QAOA量子电路噪声影响的装置可执行本申请任意实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本申请任意实施例提供的消除QAOA量子电路噪声影响的方法。

实施例四

根据本申请的实施例，本申请还提供了一种电子设备和一种可读存储介质。

如图6所示，是根据本申请实施例的消除QAOA量子电路噪声影响的方法的电子设备的框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本申请的实现。

如图6所示，该电子设备包括：一个或多个处理器601、存储器602，以及用于连接各部件的接口，包括高速接口和低速接口。各个部件利用不同的总线互相连接，并且可以被安装在公共主板上或者根据需要以其它方式安装。处理器可以对在电子设备内执行的指令进行处理，包括存储在存储器中或者存储器上以在外部输入/输出装置(诸如，耦合至接口的显示设备)上显示GUI的图形信息的指令。在其它实施方式中，若需要，可以将多个处理器和/或多条总线与多个存储器和多个存储器一起使用。同样，可以连接多个电子设备，各个设备提供部分必要的操作(例如，作为服务器阵列、一组刀片式服务器、或者多处理器系统)。图6中以一个处理器601为例。

存储器602即为本申请所提供的非瞬时计算机可读存储介质。其中，所述存储器存储有可由至少一个处理器执行的指令，以使所述至少一个处理器执行本申请所提供的消除QAOA量子电路噪声影响的方法。本申请的非瞬时计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使计算机执行本申请所提供的消除QAOA量子电路噪声影响的方法。

存储器602作为一种非瞬时计算机可读存储介质，可用于存储非瞬时软件程序、非瞬时计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的消除QAOA量子电路噪声影响的方法对应的程序指令/模块(例如，附图5所示的第一计算模块501、噪声控制模块502和第二计算模块503)。处理器601通过运行存储在存储器602中的非瞬时软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的消除QAOA量子电路噪声影响的方法。

存储器602可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据消除QAOA量子电路噪声影响的方法的电子设备的使用所创建的数据等。此外，存储器602可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非瞬时存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非瞬时固态存储器件。在一些实施例中，存储器602可选包括相对于处理器601远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至消除QAOA量子电路噪声影响的方法的电子设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

消除QAOA量子电路噪声影响的方法的电子设备还可以包括：输入装置603和输出装置604。处理器601、存储器602、输入装置603和输出装置604可以通过总线或者其他方式连接，图6中以通过总线连接为例。

输入装置603可接收输入的数字或字符信息，以及产生与消除QAOA量子电路噪声影响的方法的电子设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入，例如触摸屏、小键盘、鼠标、轨迹板、触摸板、指示杆、一个或者多个鼠标按钮、轨迹球、操纵杆等输入装置。输出装置604可以包括显示设备、辅助照明装置(例如，LED)和触觉反馈装置(例如，振动电机)等。该显示设备可以包括但不限于，液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器和等离子体显示器。在一些实施方式中，显示设备可以是触摸屏。

此处描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、专用ASIC(专用集成电路)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

这些计算程序(也称作程序、软件、软件应用、或者代码)包括可编程处理器的机器指令，并且可以利用高级过程和/或面向对象的编程语言、和/或汇编/机器语言来实施这些计算程序。如本文使用的，术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”指的是用于将机器指令和/或数据提供给可编程处理器的任何计算机程序产品、设备、和/或装置(例如，磁盘、光盘、存储器、可编程逻辑装置(PLD))，包括，接收作为机器可读信号的机器指令的机器可读介质。术语“机器可读信号”指的是用于将机器指令和/或数据提供给可编程处理器的任何信号。

为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。

可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)、互联网和区块链网络。

计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。

根据本申请实施例的技术方案，先基于预先设定的QAOA量子电路的噪声模型，和预先设定的量子比特的噪声模型，计算出QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数；然后控制QAOA量子电路的噪声强度，通过QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标；再使用错误缓除法计算出QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。也就是说，本申请将错误缓除技术应用在QAOA量子电路，具体使用错误缓除法将在有噪声环境下QAOA的解还原为理想的无噪声环境下的效果。本申请在理论层面上论证了QAOA量子电路在有噪环境下依旧能够有效解决离散优化问题，从而使得QAOA量子电路能够在有噪声的环境下实际处理离散优化问题。而在现有技术中，在运行量子算法过程中会受到外界环境噪声影响，从而导致所谓的退相干现象或者量子门错误，致使量子算法优势丧失殆尽，甚至给出错误答案的技术问题。因为本申请采用了将错误缓除法应用在QAOA量子电路的技术手段，克服了现有技术中在运行量子算法过程中会受到外界环境噪声影响，从而导致所谓的退相干现象或者量子门错误，致使量子算法优势丧失殆尽，甚至给出错误答案的技术问题，本申请提供的技术方案，能够在有限资源内消除噪声对于QAOA量子电路的影响，使得QAOA量子电路在有噪声环境下仍然能够有效地解决离散优化问题；并且，本申请实施例的技术方案实现简单方便、便于普及，适用范围更广。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本申请中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本申请公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本申请保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本申请的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请保护范围之内。

Claims (14)

1.一种消除量子近似优化算法QAOA量子电路噪声影响的方法，其特征在于，所述方法包括：

基于预先设定的QAOA量子电路的噪声模型，和预先设定的量子比特的噪声模型，计算出所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数；

控制所述QAOA量子电路的噪声强度，通过所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到所述QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标；

使用错误缓除法计算出所述QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于预先设定的QAOA量子电路的噪声模型，和预先设定的量子比特的噪声模型，计算出所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数，包括：

基于所述QAOA量子电路的噪声模型获取所述QAOA量子电路中的量子比特之间的最大连接数，所述QAOA量子电路中的参数模块的层数以及各层参数模块对应的参数取值；

根据所述QAOA量子电路中的量子比特之间的最大连接数，所述QAOA量子电路中的参数模块的层数以及各层参数模块对应的参数取值，基于所述量子比特的噪声模型，计算出所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述QAOA量子电路的噪声强度，通过所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到所述QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标，包括：

依据预先设定的噪声公式计算出i+1个噪声强度；其中，所述噪声公式为：p_i＝c_ip₀；其中，c₀＝1，c_i＞1，i为大于等于0的自然数；p₀为预先确定的初始噪声数值；

根据所述i+1个噪声强度，基于所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到所述QAOA量子电路在i+1个噪声强度下的性能指标。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用错误缓除法计算出所述QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标，包括：

根据所述QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标，通过所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数，得到所述QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数；

基于所述QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数，得到所述待求参数向量，使得所述QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数与所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数相同；

根据所述待求参数向量，基于所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数计算出所述QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数，得到所述待求参数向量，包括：

基于所述QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数，得到所述待求参数向量的第一待求参数向量方程和第二待求参数向量方程；

根据所述第一待求参数向量方程和所述第二待求参数向量方程，计算出所述待求参数向量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一待求参数向量方程和所述第二待求参数向量方程，计算出所述待求参数向量，包括：

根据所述第一待求参数向量方程和所述第二待求参数向量方程，得到所述待求参数向量对应的范德蒙方阵；

根据所述待求参数向量对应的范德蒙方阵计算出所述待求参数向量。

7.一种消除量子近似优化算法QAOA量子电路噪声影响的装置，其特征在于，所述装置包括：第一计算模块、噪声控制模块和第二计算模块；其中，

所述第一计算模块，用于基于预先设定的QAOA量子电路的噪声模型，和预先设定的量子比特的噪声模型，计算出所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数；

所述噪声控制模块，用于控制所述QAOA量子电路的噪声强度，通过所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数得到所述QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标；

所述第二计算模块，用于使用错误缓除法计算出所述QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：

第一计算模块，具体用于基于所述QAOA量子电路的噪声模型获取所述QAOA量子电路中的量子比特之间的最大连接数，所述QAOA量子电路中的参数模块的层数以及各层参数模块对应的参数取值；根据所述QAOA量子电路中的量子比特之间的最大连接数，所述QAOA量子电路中的参数模块的层数以及各层参数模块对应的参数取值，基于所述量子比特的噪声模型，计算出所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：

所述噪声控制模块，具体用于依据预先设定的噪声公式计算出i+1个噪声强度；其中，所述噪声公式为：p_i＝c_ip₀；其中，c₀＝1，c_i＞1，i为大于等于0的自然数；p₀为预先确定的初始噪声数值；根据所述i+1个噪声强度，基于所述QAOA量子电路有噪声环境下的性能指标函数得到所述QAOA量子电路在i+1个噪声强度下的性能指标。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：

所述第二计算模块，用于根据所述QAOA量子电路在不同噪声强度下的性能指标，通过所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数，得到所述QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数；基于所述QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数，得到所述待求参数向量，使得所述QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数与所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数相同；根据所述待求参数向量，基于所述QAOA量子电路在有噪声环境下的性能指标函数计算出所述QAOA量子电路在无噪声环境下的性能指标。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：

所述第二计算模块，具体用于基于所述QAOA量子电路在有噪声环境下包含待求参数向量的性能指标函数，得到所述待求参数向量的第一待求参数向量方程和第二待求参数向量方程；根据所述第一待求参数向量方程和所述第二待求参数向量方程，计算出所述待求参数向量。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：

所述第二计算模块，具体用于根据所述第一待求参数向量方程和所述第二待求参数向量方程，得到所述待求参数向量对应的范德蒙方阵；根据所述待求参数向量对应的范德蒙方阵计算出所述待求参数向量。

13.一种电子设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-6中任一项所述的方法。

14.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-6中任一项所述的方法。

Images