CN113723612A - 对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的方法及装置，涉及量子计算领域。实现方案包括：获取包括多个操作命令的测量模式；在保持多个测量命令之间的测量操作顺序不变的情况下，对至少一个纠缠命令和多个测量命令的操作顺序进行排序；以及按照排序后的测量模式对量子系统进行操作，以获得多个量子比特的测量值。本公开的一个或多个实施例的方法对测量模式中的多个操作命令进行排序，从而在使用测量模式对量子系统进行操作的过程中有效地降低计算维度，减小计算机内存消耗和计算量。

Description

对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的方法及 装置

技术领域

本公开涉及量子计算领域，具体涉及一种对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的方法及装置、用于量子计算的方法及装置、电子设备、计算机存储介质和计算机程序产品。

背景技术

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。通用的量子计算机的理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从计算的效率上，由于量子力学叠加性的存在，某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

在现有技术中，主要通过搭建量子电路的方式实现量子计算中的量子演化。在相关技术中，可以根据单向量子计算机计算模型(1WQC)模型将上述量子电路转化为等价的测量模式，按照等价的测量模式对量子系统进行测量可以实现使得量子系统按照等价的量子电路进行演化。然而，测量模式中的多个纠缠命令和多个测量命令在操作顺序往往比较固定，这种固定的操作方式可能使得运算维度大幅度升高。

在此部分中描述的方法不一定是之前已经设想到或采用的方法。除非另有指明，否则不应假定此部分中描述的任何方法仅因其包括在此部分中就被认为是现有技术。类似地，除非另有指明，否则此部分中提及的问题不应认为在任何现有技术中已被公认。

发明内容

本公开提供了一种对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的方法，其中量子系统包括具有预设的测量顺序的多个量子比特，方法包括：获取包括多个操作命令的测量模式，其中多个操作命令包括至少一个纠缠命令和多个测量命令，其中，每个纠缠命令用于对多个量子比特中的两个量子比特进行纠缠操作，每个测量命令用于对多个量子比特中的一个量子比特进行测量操作，并且其中，多个测量命令具有已经按照测量顺序排列好的测量操作顺序；在保持多个测量命令之间的测量操作顺序不变的情况下，对至少一个纠缠命令和多个测量命令的操作顺序进行排序；以及按照排序后的测量模式对量子系统进行操作，以获得多个量子比特的测量值。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于量子计算的方法，包括：基于预期的量子计算生成等效的量子电路；基于单向量子计算机计算模型对量子电路进行模拟，得到与量子电路等价的测量模式；执行上述对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的方法；以及根据获得的多个量子比特的测量值确定预期的量子计算的计算结果。

根据本公开的另一方面，还提供了一种对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的装置，包括：获取单元，配置成获取包括多个操作命令的测量模式，其中多个操作命令包括至少一个纠缠命令和多个测量命令，其中每个纠缠命令用于对多个量子比特中的两个量子比特进行纠缠操作，每个测量命令用于对多个量子比特中的一个量子比特进行测量操作，并且其中多个测量命令具有已经按照测量顺序排列好的测量操作顺序；排序单元，在保持多个测量命令之间的测量操作顺序不变的情况下，对至少一个纠缠命令和多个测量命令的操作顺序进行排序；和操作单元，配置成按照排序后的测量模式对量子系统进行操作，以获得多个量子比特的测量值。

根据本公开的另一方面，还提供了一种用于量子计算的装置，包括：生成装置，配置成基于预期的量子计算生成等效的量子电路；模拟装置，配置成基于单向量子计算机计算模型对量子电路进行模拟，得到与量子电路等价的测量模式；上述对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的装置；以及确定装置，配置成根据获得的多个量子比特的测量值确定预期的量子计算的计算结果。

根据本公开的另一方面，提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述的方法。

根据本公开的另一方面，还提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，计算机指令用于使计算机执行上述方法。

根据本公开的另一方面，还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，其中，计算机程序在被处理器执行时实现上述方法。

根据本公开的一个或多个实施例的方法，对测量模式中的多个操作命令进行排序，特别是对多个测量命令和多个纠缠命令的操作顺序进行排序，使得测量命令尽可能多的排在纠缠命令之前，从而在使用测量模式对量子系统进行操作的过程中有效地降低计算维度，减小计算机内存消耗和计算量。

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

附图示例性地示出了实施例并且构成说明书的一部分，与说明书的文字描述一起用于讲解实施例的示例性实施方式。所示出的实施例仅出于例示的目的，并不限制权利要求的范围。在所有附图中，相同的附图标记指代类似但不一定相同的要素。

图1示出了相关技术中的用于将量子计算的量子电路转化为的等价的测量模式的方法的流程图；

图2示出了根据本公开一个实施例的对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的方法的流程图；

图3示出了根据本公开一个实施例的1WQC模型的示例；

图4示出了对操作顺序进行调整之前和调整之后的测量模式的表达式的对比图；

图5示出了根据本公开一个实施例的计算机程序的实现方法的流程图；

图6示出了根据本公开一个实施例的用于量子计算的方法的流程图；

图7示出了根据本公开一个实施例的对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的装置的示意图；

图8示出了根据本公开另一实施例的对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的装置的示意图；

图9示出了根据本公开一个实施例的用于量子计算的装置的示意图；和

图10示出了能够用于实现本公开的实施例的示例性电子设备的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开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，而不会背离本公开的范围。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。

在本公开中，除非另有说明，否则使用术语“第一”、“第二”等来描述各种要素不意图限定这些要素的位置关系、时序关系或重要性关系，这种术语只是用于将一个元件与另一元件区分开。在一些示例中，第一要素和第二要素可以指向该要素的同一实例，而在某些情况下，基于上下文的描述，它们也可以指代不同实例。

在本公开中对各种示例的描述中所使用的术语只是为了描述特定示例的目的，而并非旨在进行限制。除非上下文另外明确地表明，如果不特意限定要素的数量，则该要素可以是一个也可以是多个。此外，本公开中所使用的术语“和/或”涵盖所列出的项目中的任何一个以及全部可能的组合方式。

在本公开所有实施例中所提及的量子系统是量子计算机硬件的一部分，其可以是所有满足量子力学原理从而能够应用于量子计算机的物理系统。上述量子系统包括但不限于光量子系统、核磁共振(NMR)系统、光学共振系统、离子阱、超导等量子系统。量子系统在接收到外界输入的驱动脉冲之后，将按照量子力学原理从其初始态演化至终态，最终的量子计算结果可以通过对量子系统终态进行测量来获得。

在详细介绍本公开的多个实施例的方法之前，首先对1WQC模型中的测量模式进行简单的介绍。在相关技术中，存在将用于量子计算的量子电路转化为的等价的测量模式的方法，图1示出了相关技术中的用于将量子计算的量子电路转化为的等价的测量模式的方法100的流程图，使用该方法100可以避免对量子电路进行直接的模拟计算，从而大幅度减少模拟运算量。具体地，如图1所示，该方法100包括：

步骤101，获取待模拟的量子电路中的每个量子门的量子门参数；

步骤102，针对待模拟的量子电路中的每个量子门，基于该量子门的量子门参数生成与该量子门等价的子测量模式，子测量模式包括多个操作命令；

步骤103，将与每个量子门等价的子测量模式进行组合，得到与待模拟的量子电路整体等价的总测量模式；以及

步骤104，对总测量模式中的各个子测量模式的操作命令的操作顺序进行排序，得到排序后的总测量模式以作为对待模拟的量子电路的模拟结果。

在步骤101中，量子电路可以预先通过对期望进行的量子计算进行编译得到，该量子电路可以包括多个量子比特和对多个量子比特进行操作的多个量子门，这些量子门的类型包括但不限于Hadamard门、控制Z门、控制非门等。在步骤101中，首先获取每个量子门的参数，上述量子门参数包括但不限于量子门的类型、量子门在量子电路中的位置信息等参数。量子门参数是后续将量子门转化为等价的子测量模式的重要参照。

在步骤102，针对待模拟的量子电路中的每个量子门，基于步骤101中的量子门参数生成与该量子门等价的子测量模式，该生成过程将遵循量子力学原理。具体地，在单向量子计算机计算模型中(1WQC)，可以将量子门转化为与之等价的测量模式，其具体原理是：在对量子系统中的一个量子纠缠态的部分比特进行测量时，未被测量的量子系统将会实现相应的演化，因此可以通过对测量方式的控制，实现需要的量子演化。数学上，可以使用测量模式来描述上述对测量方式的控制。上述生成的子测量模式包含多个“操作命令”，操作命令表示对该1WQC模型中的量子系统中的量子比特进行相应的操作。上述多个操作命令包括但不限于：态制备命令、纠缠命令、测量命令和算符纠正命令。

如上所述，步骤102基于每个量子门生成一个等价的子测量模式。在步骤103中，将步骤102中生成的多个子测量模式进行组合得到与待模拟的量子电路整体等价的总测量模式。具体地，可以按照量子门的执行顺序或者每个量子门在量子电路中的顺序，将上述子测量模式串接起来，例如，量子电路中第一个量子门所对应的子测量模式位于总测量模式的前端，后面依次接续第二个量子门所对应的子测量模式以及第三个量子门所对应的子测量模式等。

在步骤103中得到的总测量模式中的多个操作命令是按照每个子测量模式生成时的初始顺序进行排列的，各个子测量模式之间的多个操作命令并没有进行排序。在步骤104中，按照每个操作命令的操作优先级对总测量模式中的多个操作命令进行操作顺序的排列。例如，多个操作命令可以按照其类型进行优先级排序，也就是说，可以指定先进行A类型的操作命令，待所有A类型的操作命令的执行完毕后，再进行B类型的操作命令。再例如，同一类型的操作命令之间也可以按照优先级进行排序，特别是在两个同类型的操作命令之间存在依赖关系(例如，在执行操作命令b时，需要应用到操作命令a的操作结果)的情况下，可以优先执行被依赖的操作命令(即，操作命令a)。需要补充说明的是，下文所称的“测量模式”一般情况下是指步骤104中生成的与整个量子电路等价且已按照优先级原则排序好的总测量模式。

下面将参照附图详细说明本公开的实施例。

本公开首先提供了一种对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的方法，图2示出了根据本公开一个实施例的对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的方法200的流程图，其中量子系统包括具有预设的测量顺序的多个量子比特。如图2所示，该方法200包括：

步骤201，获取包括多个操作命令的测量模式，其中多个操作命令包括至少一个纠缠命令和多个测量命令，其中，每个纠缠命令用于对多个量子比特中的两个量子比特进行纠缠操作，每个测量命令用于对多个量子比特中的一个量子比特进行测量操作，并且其中，多个测量命令具有已经按照测量顺序排列好的测量操作顺序；

步骤202，在保持多个测量命令之间的测量操作顺序不变的情况下，对至少一个纠缠命令和多个测量命令的操作顺序进行排序；以及

步骤203，按照排序后的测量模式对量子系统进行操作，以获得多个量子比特的测量值。

在使用测量模式对量子系统进行操作的过程中，纠缠操作会增加参与当前运算操作的量子比特数，从而增加用于量子计算模拟的计算机内存消耗和计算量；而测量命令被执行后，被测量的量子比特将会塌缩，从而无需进行存储，由此可以减小后续运算步骤的量子比特数。本公开实施例的方法对测量模式中的多个操作命令进行排序，特别是对多个测量命令和多个纠缠命令的操作顺序进行排序，使得测量命令尽可能多的排在纠缠命令之前，从而在使用测量模式对量子系统进行操作的过程中有效地降低计算维度，减小计算机内存消耗和计算量。

具体地，在步骤201中，所获取的测量模式可以是方法100的步骤104中得到的与整个量子电路等价的总测量模式。一般而言，在对资源态的每个比特依次做测量之前，需要先准备一个资源态，即一个高度纠缠的多比特量子态，因此可以理解，在步骤201中得到的测量模式中，多个纠缠命令E的操作顺序应该优先于多个测量命令M，或者说多个纠缠命令E和多个测量命令M的操作顺序完全是分隔开的，先执行所有的纠缠命令，再执行所有的测量命令。另外，多个测量命令也已经按照操作优先级的顺序排列好。具体地，假设m(m≥0)个比特构成的输入量子态为

准备好的资源态共由n(n≥m)个纠缠的量子比特组成，除了输入比特外，其余量子比特可以经由态制备命令初始化，以便于后续进行纠缠操作。例如：可以将量子比特初始化为

态，|+>是一种可以简单模拟量子比特初始状态的算符，在后续操作当中可以简化量子比特与测量命令和纠缠命令之间的计算。综上，测量模式对量子系统的操作可以表示为如下的计算过程：

在步骤202中，可以按照预先设定好的排序规则，对上式中的测量命令M和纠缠命令E的操作顺序的进行排序。上文中提到，在对资源态的每个比特依次做测量之前，需要先准备一个资源态，因此多个纠缠命令E的操作顺序应该优先于多个测量命令M。但是，在某些情况下，例如：对于分别操作两个无关联的量子比特的纠缠命令E和测量命令M时，测量命令M可以设置在纠缠命令E之前进行操作。因此，在步骤202中，可以对测量命令M和纠缠命令E的操作顺序的进行排序，从而使得测量命令M尽可能地提前执行，以减少计算机的运算量。

在步骤203中，按照步骤202中得到的排序后的测量模式对量子系统进行操作。在操作的过程中，每进行一次测量命令的操作都会获得一个1WQC模型下的量子比特的测量值。在后续的方法中，可以根据步骤203中得到的多个测量值确定预期的量子计算的计算结果。

下面讲具体说明如何对纠缠命令和测量命令进行排序。在一些实施例中，多个纠缠命令可以包括对第一量子比特和第二量子比特进行纠缠操作的第一纠缠命令。多个测量命令包括对第三量子比特进行测量操作的第一测量命令，第一量子比特与第二量子比特在测量顺序中均位于第三量子比特之后。对至少一个纠缠命令和多个测量命令的操作顺序进行排序包括：将第一纠缠命令的操作设置到第一测量命令的操作之后。

为便于理解，图3示出了根据本公开一个实施例的1WQC模型300的示例。如图3所示，图中的每个圆点代表1WQC模型300中的一个量子比特，第一个圆点(标号为1的圆点)节点为输入比特，其他的圆点为非输入比特，非输入比特初始化为|+>。各个量子比特之间的连线表示对相邻两个比特进行纠缠操作E_ij(即对应于量子电路模型中的控制Z门)，如量子比特1和量子比特2之间的连线，表示对这两个量子比特进行纠缠操作E₁₂，同理，E₂₃表示对量子比特2和量子比特3进行纠缠操作。参考公式(1)，由图3所示的1WQC模型300得到的测量模式可以表示为：

其中，输入量子态为

E_ij表示对第i和第j个比特进行纠缠操作且(i,j)∈{(1,2),(2,3),(3,4),(4,5)}，M_k表示对第k个比特进行测量操作且k∈{1,2,3,4,5}。从上式中可以看出，未经排序的测量模式中所有的纠缠命令均在测量命令之前执行，而且多个测量命令已经按照测量的先后顺序(从第一量子比特到第五量子比特排列好)。但是，可以理解，由于某个测量命令的执行可能并不依赖于一些纠缠命令的在先执行。例如，测量命令M₁并不依赖纠缠命令E₂₃的在先执行，也就是说，纠缠命令E₂₃可以在测量命令M₁之后执行。这是因为第二量子比特和第三量子比特在测量顺序上均为于第一量子比特之后，在对图3所示的第一量子比特进行测量时，无需获取第二量子比特和第三量子比特的纠缠状态，因此，E₂₃可以在M₁之后再执行。再例如，纠缠命令E₃₄也可以在测量命令M₂之后执行。需要注意的是，虽然纠缠命令和操作命令之间可以交换顺序，但是两个测量命令之间禁止交换操作顺序，这是因为每个测量命令已经按照测量的优先级顺序排列好，具体可以参考方法100的步骤103中的描述。

在本公开另外一些实施例中，多个纠缠命令包括对第四量子比特和第五量子比特进行纠缠操作的第二纠缠命令，并且，多个测量命令包括对第四量子比特进行测量操作的第二测量命令和对第五量子比特进行测量操作的第三测量命令。对至少一个纠缠命令和多个测量命令的操作顺序进行排序还包括：将第二纠缠命令的操作设置到第二测量命令和第三测量命令的操作之前。

虽然一些纠缠命令可以和测量命令交换操作顺序，但是这种顺序交换必须满足如下的限制条件，即，纠缠命令E_ij必须在测量命令M_i和M_j之前。仍然参考图3进行举例说明，例如，纠缠命令E₁₂必须在测量命令M₁和M₂之前，这是因为在测量第一量子比特和第二量子比特时，必须将第一量子比特和第二量子比特的纠缠操作执行完毕。同理，纠缠命令E₂₃必须在测量命令M₂和M₃之前，纠缠命令E₃₄必须在测量命令M₃和M₄之前。

将图3所示的1WQC模型的测量模式中多个纠缠命令E和测量命令M按照上述方法排序后得到如下的测量模式：

从上式中可以看出，与公式(2)不同的是，多个纠缠命令E和测量命令M的测量顺序存在相互交叉，而不再是先执行完所有的纠缠命令之后，再执行所有的测量命令。

图4示出了对操作顺序进行调整之前和调整之后的测量模式的表达式的对比图400，如图4所示，表达式下方的多个数字表示在进行到虚线所指的操作命令(纠缠命令E或测量命令M)时，用于量子计算的当前计算机内存所要存储的最大比特数。如上文所述，纠缠操作会增加参与当前运算操作的量子比特数，使量子比特数增加1，从而使用于存储量子比特的内存空间翻倍；而测量命令被执行后，被测量的量子比特将会塌缩，因此执行测量命令可以使得量子比特数减1，从而使用于存储量子比特的内存空间减半。

由图4左侧可以看出，若一开始执行5个纠缠命令，将五个量子比特纠缠起来生成一个大的资源态，那么整个计算过程中计算机内存需要存储的量子态向量维数(即对应的计算机内存的消耗)的变化为：

2²×1→2³×1→2⁴×1→2⁵×1→2⁴×1→2³×1→2²×1→2¹×1→2⁰×1

其中2的指数部分代表量子比特数，从上式可以看出，运算过程中出现的最大运算和存储空间为2⁵×1。

而由图4右侧可以看出，在对1WQC模型的测量模式进行排序之后，整个计算过程中计算机内存需要存储的量子态向量维数的变化为：

2²×1→2¹×1→2²×1→2¹×1→2²×1→2¹×1→2²×1→2¹×1→2⁰×1

从上式可以看出，运算过程中出现的最大计算和存储空间仅为2²×1，比未排序的情况好很多。

图5示出了根据本公开一个实施例的计算机程序的实现方法500的流程图，按照方法500执行可以实现上述对操作命令的排序。如图5所示，该方法500包括：

步骤501，初始化三个空列表，V_pending,V_active,V_measured，分别用于记录没有被纠缠也没有被测量的量子比特、被纠缠但没有被测量的量子比特和已经被测量的量子比特，在整个方法流程中，三个列表始终满足如下正交性和完备性：

且

V_total＝V_pending+V_active+V_measured

将初始量子态对应的输入量子比特{i₁,i₂,...,i_m}写入V_active中，相当于V_active中获取了至少一个输入量子比特的初始量子态。其余所有量子比特写入V_pending中，并在计算机内存存储量子态向量

对于k选取{1,2,...,n}中的每个数值，执行如下步骤：

步骤502，响应于k∈V_active，则不进行任何操作；响应于k∈V_pending，则将节点k写入V_active中，并将k从V_pending删除。

步骤503，找到所有包含k的纠缠操作E_k,j

步骤504，响应于j∈V_measured或j∈V_active，则不进行任何操作；响应于j∈V_pending，则将节点j写入V_active中，并将j从V_pending删除。

步骤505，初始化新加入V_active中的节点为加态并与内存中的量子态向量做张量积，再对量子态执行E_k,j操作。

步骤506，对节点k进行测量操作M_k，进行测量操作并记录测量结果o_k。

步骤507，将节点k写入V_measured，并将k从V_active中删除。

之后针对k选取{1,2,...,n}中的每个数值，重复步骤502至步骤507，直到执行完所有的测量命令，然后输出所有量子比特的测量结果o₁,o₂,...,o_n。

由于1WQC模型是通过测量模式来模拟量子电路的，因此这里生成的多个量子比特的测量值决定了量子系统演化的方向，因此该测量结果o₁,o₂,...,o_n可以直接应用于后续最终确定量子计算的期望值的方法中，提高了后续量子计算的效率。

根据本公开的另一方面，还提供了一种用于量子计算的方法，图6示出了根据本公开的一个实施例的用于量子计算的方法600的流程图。如图6所示，该方法600包括：

步骤601，基于预期的量子计算生成等效的量子电路；

步骤602基于单向量子计算机计算模型对量子电路进行模拟，得到与量子电路等价的测量模式；

步骤603，对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的方法；以及

步骤604，根据获得的多个量子比特的测量值确定预期的量子计算的计算结果。

在步骤602中，利用如图1所示的方法100对步骤601生成的等效的量子电路进行模拟得到总测量模式，具体步骤请参见对图1的描述，这里不再赘述。在步骤603中，根据得到的总测量模式对量子系统进行对应操作，由上文可知，总测量模式包括多个测量命令，每个测量命令表示对1WQC模型下的量子比特进行测量操作。每进行一次测量操作将会获得一个1WQC模型下的量子比特的测量值。在后续的步骤604中，可以根据步骤603中得到的多个测量值确定预期的量子计算的计算结果。

本实施例的用于量子计算的方法可以避免对量子计算的量子电路进行直接模拟，而是可以通过对等效的量子电路进行模拟实现与量子电路等价的功能，从而大幅度降低了经典计算机的模拟运算量。

根据本公开的另一方面，本公开还提供了一种对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的装置，图7示出了根据本公开一个实施例的对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的装置700的示意图。如图7所示，该装置700包括：获取单元710，配置成获取包括多个操作命令的测量模式，其中多个操作命令包括至少一个纠缠命令和多个测量命令，其中每个纠缠命令用于对多个量子比特中的两个量子比特进行纠缠操作，每个测量命令用于对多个量子比特中的一个量子比特进行测量操作，并且其中多个测量命令具有已经按照测量顺序排列好的测量操作顺序；排序单元720，在保持多个测量命令之间的测量操作顺序不变的情况下，对至少一个纠缠命令和多个测量命令的操作顺序进行排序；和操作单元730，配置成按照排序后的测量模式对量子系统进行操作，以获得多个量子比特的测量值。

图8示出了根据本公开另一实施例的对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的装置800的示意图。如图8所示，排序单元820包括第一排序模块821和第二排序模块822。多个纠缠命令包括对第一量子比特和第二量子比特进行纠缠操作的第一纠缠命令，并且，多个测量命令包括对第三量子比特进行测量操作的第一测量命令，第一量子比特与第二量子比特在测量顺序中均位于第三量子比特之后。第一排序模块821，配置成将第一纠缠命令的操作设置到第一测量命令的操作之后。

多个纠缠命令包括对第四量子比特和第五量子比特进行纠缠操作的第二纠缠命令，并且，多个测量命令包括对第四量子比特进行测量操作的第二测量命令和对第五量子比特进行测量操作的第三测量命令。第二排序模块822，配置成将第二纠缠命令的操作设置到第二测量命令和第三测量命令的操作之前。

在一些实施例中，操作单元830还包括：第一获取模块831，配置成获取至少一个输入比特的初始量子态；计算模块832，配置成使排序后的测量模式中的多个操作命令依照排序作用于初始量子态；和第二获取模块833，配置成分别获取在执行完每个测量命令之后的测量结果，以作为多个量子比特的测量值。

根据本公开的另一方面，还提供了一种用于量子计算的装置。图9示出了根据本公开一个实施例的用于量子计算的装置900的示意图，该装置900包括：生成装置910，配置成基于预期的量子计算生成等效的量子电路；模拟装置920，配置成基于单向量子计算机计算模型对量子电路进行模拟，得到与量子电路等价的测量模式；上述对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的装置930，上述操作装置930可以是例如图7或图8所示的装置700或装置800；以及确定装置940，配置成根据获得的多个量子比特的测量值确定预期的量子计算的计算结果。

应当理解，图7中所示装置700的各个单元可以与参考图2描述的方法200中的各个步骤相对应，并且图9中所示装置900的各个模块/装置可以与参考图6描述的方法600中的各个步骤相对应。由此，上面针对方法600描述的操作、特征和优点同样适用于装置900及其包括的单元，并且上面针对方法200描述的操作、特征和优点同样适用于装置700及其包括的模块/装置。为了简洁起见，某些操作、特征和优点在此不再赘述。

根据本公开的实施例，还提供了一种电子设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。

参考图10，现将描述可以作为本公开的服务器或客户端的电子设备1000的结构框图，其是可以应用于本公开的各方面的硬件设备的示例。电子设备旨在表示各种形式的数字电子的计算机设备，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/或者要求的本公开的实现。

如图10所示，设备1000包括计算单元1001，其可以根据存储在只读存储器(ROM)1002中的计算机程序或者从存储单元1008加载到随机访问存储器(RAM)1003中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 1003中，还可存储设备1000操作所需的各种程序和数据。计算单元1001、ROM 1002以及RAM 1003通过总线1004彼此相连。输入/输出(I/O)接口1005也连接至总线1004。

设备1000中的多个部件连接至I/O接口1005，包括：输入单元1006、输出单元1007、存储单元1008以及通信单元1009。输入单元1006可以是能向设备1000输入信息的任何类型的设备，输入单元1006可以接收输入的数字或字符信息，以及产生与电子设备的用户设置和/或功能控制有关的键信号输入，并且可以包括但不限于鼠标、键盘、触摸屏、轨迹板、轨迹球、操作杆、麦克风和/或遥控器。输出单元1007可以是能呈现信息的任何类型的设备，并且可以包括但不限于显示器、扬声器、视频/音频输出终端、振动器和/或打印机。存储单元1008可以包括但不限于磁盘、光盘。通信单元1009允许设备1000通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据，并且可以包括但不限于调制解调器、网卡、红外通信设备、无线通信收发机和/或芯片组，例如蓝牙TM设备、802.11设备、WiFi设备、WiMax设备、蜂窝通信设备和/或类似物。

计算单元1001可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元1001的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元1001执行上文所描述的各个方法和处理，例如上述对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的方法和用于量子计算的方法。例如，在一些实施例中，对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的方法和用于量子计算的方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元1008。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 1002和/或通信单元1009而被载入和/或安装到设备1000上。当计算机程序加载到RAM 1003并由计算单元1001执行时，可以执行上文描述的用于量子计算的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元1001可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的方法和用于量子计算的方法。

本文中以上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、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)、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。

用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

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)和互联网。

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。

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，本公开中记载的各步骤可以并行地执行、也可以顺序地或以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

虽然已经参照附图描述了本公开的实施例或示例，但应理解，上述的方法、系统和设备仅仅是示例性的实施例或示例，本公开的范围并不由这些实施例或示例限制，而是仅由授权后的权利要求书及其等同范围来限定。实施例或示例中的各种要素可以被省略或者可由其等同要素替代。此外，可以通过不同于本公开中描述的次序来执行各步骤。进一步地，可以以各种方式组合实施例或示例中的各种要素。重要的是随着技术的演进，在此描述的很多要素可以由本公开之后出现的等同要素进行替换。

Claims (15)

1.一种对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的方法，其中所述量子系统包括具有预设的测量顺序的多个量子比特，所述方法包括：

获取包括多个操作命令的测量模式，其中所述多个操作命令包括至少一个纠缠命令和多个测量命令，其中，每个纠缠命令用于对所述多个量子比特中的两个量子比特进行纠缠操作，每个测量命令用于对所述多个量子比特中的一个量子比特进行测量操作，并且其中，所述多个测量命令具有已经按照所述测量顺序排列好的测量操作顺序；

在保持所述多个测量命令之间的所述测量操作顺序不变的情况下，对所述至少一个纠缠命令和多个测量命令的操作顺序进行排序；以及

按照排序后的所述测量模式对所述量子系统进行操作，以获得所述多个量子比特的测量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个纠缠命令包括对第一量子比特和第二量子比特进行纠缠操作的第一纠缠命令，并且，所述多个测量命令包括对第三量子比特进行测量操作的第一测量命令，所述第一量子比特与所述第二量子比特在所述测量顺序中均位于所述第三量子比特之后，

其中，在保持所述多个测量命令之间的所述测量操作顺序不变的情况下，对所述至少一个纠缠命令和多个测量命令的操作顺序进行排序包括：

将所述第一纠缠命令的操作设置到所述第一测量命令的操作之后。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述多个纠缠命令包括对第四量子比特和第五量子比特进行纠缠操作的第二纠缠命令，并且，所述多个测量命令包括对所述第四量子比特进行测量操作的第二测量命令和对所述第五量子比特进行测量操作的第三测量命令，

其中，在保持所述多个测量命令之间的所述测量操作顺序不变的情况下，对所述至少一个纠缠命令和多个测量命令的操作顺序进行排序包括：

将所述第二纠缠命令的操作设置到所述第二测量命令和所述第三测量命令的操作之前。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述多个操作命令还包括至少一个态制备命令，其中，所述至少一个态制备命令中的每个态制备命令用于对所述多个量子比特中的一个量子比特进行态制备。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述态制备操作包括将对应的量子比特初始化为加态。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述多个量子比特包括至少一个输入比特，其中

按照排序后的所述测量模式对所述量子系统进行操作，以获得所述多个量子比特的测量值包括：

获取所述至少一个输入比特的初始量子态；

使所述排序后的测量模式中的多个操作命令依照排序作用于所述初始量子态；以及

分别获取在执行完每个测量命令之后的测量结果，以作为所述多个量子比特的测量值。

7.一种用于量子计算的方法，包括：

基于预期的量子计算生成等效的量子电路；

基于单向量子计算机计算模型对所述量子电路进行模拟，得到与所述量子电路等价的测量模式；

执行根据权利要求1至6中任一项所述的对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的方法；以及

根据获得的多个量子比特的测量值确定所述预期的量子计算的计算结果。

8.一种对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的装置，包括：

获取单元，配置成获取包括多个操作命令的测量模式，其中所述多个操作命令包括至少一个纠缠命令和多个测量命令，其中每个纠缠命令用于对所述多个量子比特中的两个量子比特进行纠缠操作，每个测量命令用于对所述多个量子比特中的一个量子比特进行测量操作，并且其中所述多个测量命令具有已经按照所述测量顺序排列好的测量操作顺序；

排序单元，在保持所述多个测量命令之间的所述测量操作顺序不变的情况下，对所述至少一个纠缠命令和多个测量命令的操作顺序进行排序；以及

操作单元，配置成按照排序后的所述测量模式对所述量子系统进行操作，以获得所述多个量子比特的测量值。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述多个纠缠命令包括对第一量子比特和第二量子比特进行纠缠操作的第一纠缠命令，并且，所述多个测量命令包括对第三量子比特进行测量操作的第一测量命令，所述第一量子比特与所述第二量子比特在所述测量顺序中均位于所述第三量子比特之后，所述排序单元包括：

第一排序模块，配置成将所述第一纠缠命令的操作设置到所述第一测量命令的操作之后。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述多个纠缠命令包括对第四量子比特和第五量子比特进行纠缠操作的第二纠缠命令，并且，所述多个测量命令包括对所述第四量子比特进行测量操作的第二测量命令和对所述第五量子比特进行测量操作的第三测量命令，所述排序单元还包括：

第二排序模块，配置成将所述第二纠缠命令的操作设置到所述第二测量命令和所述第三测量命令的操作之前。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的装置，其中，所述多个量子比特包括至少一个输入比特，其中，所述操作单元还包括：

第一获取模块，配置成获取所述至少一个输入比特的初始量子态；

计算模块，配置成使所述排序后的测量模式中的多个操作命令依照排序作用于所述初始量子态；以及

第二获取模块，配置成分别获取在执行完每个测量命令之后的测量结果，以作为所述多个量子比特的测量值。

12.一种用于量子计算的装置，包括：

生成装置，配置成基于预期的量子计算生成等效的量子电路；

模拟装置，配置成基于单向量子计算机计算模型对所述量子电路进行模拟，得到与所述量子电路等价的测量模式；

根据权利要求8至11中任一项所述的对单向量子计算机计算模型的量子系统进行操作的装置；以及

确定装置，配置成根据获得的多个量子比特的测量值确定所述预期的量子计算的计算结果。

13.一种电子设备，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1-7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，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行根据权利要求1-7中任一项所述的方法。

15.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其中，所述计算机程序在被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的方法。

Images