CN113723613B - 对量子电路进行模拟的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种对量子电路进行模拟的方法及装置，涉及量子计算领域。实现方案包括：获取待模拟的量子电路中的每个量子门的量子门参数；基于该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；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。该方案将用于量子计算的量子电路根据单向量子计算机计算模型转化为等价的测量模式，可以避免对用于量子电路进行直接模拟计算，从而大幅度降低了经典计算机的模拟运算量。

Description

对量子电路进行模拟的方法及装置

技术领域

本公开涉及量子计算领域，具体涉及一种对量子电路进行模拟的方法及其装置、用于量子计算的方法及其装置、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。然后利用经典计算机对量子电路直接进行模拟计算。由于描述量子态的列向量的长度随对应的比特数呈指数增长，因此，经典计算机很难模拟具有多个比特的大规模的量子电路。现有的量子电路模拟器最多只能模拟几十个量子比特的计算。因此，目前急需一种能够替代量子电路进行量子计算的方法。

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量子电路进行模拟的方法，包括：获取待模拟的量子电路中的每个量子门的量子门参数；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；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；以及根据预设的优先级排序规则，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。

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；执行上述对量子电路进行模拟的方法；以及根据得到的总测量模式对量子系统进行对应操作得到多个测量值；根据多个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，提供了一种对量子电路进行模拟的装置，包括：获取单元，配置成获取待模拟的量子电路中的每个量子门的量子门参数；生成单元，配置成针对待模拟的量子电路中的每个量子门，根据遵循量子力学原理的生成规则，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，子测量模式包括至少一个操作命令；组合单元，配置成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；和排序单元，配置成根据预设的优先级排序规则，对总测量模式中的各个子测量模式的操作命令进行排序，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。

根据本公开的另一方面，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；上述对量子电路进行模拟的装置；执行装置，配置成根据得到的总测量模式对量子系统进行对应操作得到多个测量值；和确定装置，配置成根据多个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，该方法将用于量子计算的量子电路根据单向量子计算机计算模型转化为等价的测量模式。按照上述等价的测量模式对量子计算机的量子系统进行操作可以使得量子系统按照等价的量子电路进行演化。因此，在使用经典计算机进行量子计算的情况下，使用本实施例的方法可以避免对用于量子计算的量子电路进行直接模拟，而是可以通过对量子系统中的量子比特进行相应操作来实现等效的量子电路的功能，从而大幅度降低了经典计算机的模拟运算量。另外，该方法还根据预设的优先级排序规则对测量模式的操作命令进行排序，优化了多个操作命令的操作顺序，从而提高了对测量模式进行模拟的效率。

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示出了根据本公开一个实施例的对量子电路进行模拟的方法的流程图；

图2示出了根据本公开一个实施例的量子电路的示意图；

图3示出了根据本公开一个实施例的生成与量子门等价的子测量模式的方法的流程图；

图4示出了根据本公开一个实施例的对总测量模式中的多个测量命令进行排序方法的流程图；

图5示出了根据本公开一个实施例的根据操作优先级对测量命令进行排序的方法的流程图；

图6示出了根据本公开一个实施例的利用计算机程序实现图4和图5所示方法的流程图；

图7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8示出了根据本公开一个实施例的对量子电路进行模拟的装置的示意图；

图9示出了根据本公开另一个实施例的对量子电路进行模拟的装置的示意图；

图10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11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。例如：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。上述量子系统还可以是由经典计算机按照量子力学原理模拟出的物理系统。

下面将参照附图详细说明本公开的实施例。

根据本公开的一个方面，本公开首先提供了一种对量子电路进行模拟的方法，图1示出了根据本公开一个实施例的对量子电路进行模拟的方法100的流程图。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，根据遵循量子力学原理的生成规则，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，根据预设的优先级排序规则，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。

本公开的实施例提供了一种新的模拟量子电路的方法，该方法将用于量子计算的量子电路根据单向量子计算机计算模型转化为等价的测量模式。按照上述等价的测量模式对量子计算机的量子系统进行操作可以使得量子系统按照等价的量子电路进行演化。因此，在使用经典计算机进行量子计算的情况下，使用本实施例的方法可以避免对用于量子计算的量子电路直接进行模拟计算，而是可以通过对量子系统中的量子比特进行相应操作来实现等效的量子电路的功能，从而大幅度降低了经典计算机的模拟运算量。另外，该方法还根据预设的优先级排序规则对测量模式的操作命令进行排序，优化了多个操作命令的操作顺序，从而保证了测量模式中的操作命令对量子比特操作的准确性。

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，该量子电路的结构如图2所示，图2示出了根据本公开的一个实施例的量子电路200的示意图。如图2所示，量子电路200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(在图2中使用H表示)、控制Z门(在图2中使用CZ表示)、控制非门(在图2中使用CNOT表示)等。在每个量子比特的量子电路线的末端设置量子测量，用于利用测量设备测量该量子比特的期望值。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。另外，上述量子电路还包括相邻量子门之间、量子门和量子测量之间、量子门和初始态量子比特之间的多个节点。为了后续便于在测量模式中使用这些节点，可以预先在量子电路中对这些节点进行标记。

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。在步骤102中得到的每个测量模式由四个部分组成：计算空间、输入节点、输出节点、操作命令，即：

测量模式＝(计算空间，输入节点，输出节点，操作命令)。

其中“计算空间”为所有1WQC模型所涉及到的节点集合，“输入节点”为获取作为输入的初始化量子态的节点，“输出节点”为对量子态或经典测量结果进行输出的节点，“操作命令”表示对该测量模式中的计算空间中的节点进行相应的操作。这里需要注意的是，量子电路模型中的量子比特和1WQC模型中的量子比特并不相同。在量子电路模型中，量子比特是指如图2所示的具有初始量子态且后续将接受量子门操作的量子比特，而在1WQC模型中，量子比特将对应于如图2中所示的节点，因此，上述对节点的输入和/或输出进行操作的“操作命令”实际上可以理解为对1WQC模型中的量子比特进行操作。

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)。下文将详细描述操作命令的排序方法，这里不再赘述。步骤104优化了总测量模式中的多个操作命令的操作顺序，从而提高了操作命令对量子比特操作的准确性和计算效率。

图3示出了根据本公开的一个实施例的生成与量子门等价的子测量模式的方法300的流程图。如图3所示，该方法300包括：

步骤301，获取量子门的位置信息；

步骤302，获取量子门的类型；

步骤303，基于该量子门的位置信息，确定等价的子测量模式的输入节点和输出节点；

步骤304，基于该量子门的类型，确定与该量子门等价的子测量模式中的多个操作命令的类型、数量和组合方式。

如上文所述，量子电路200还包括多个节点，这些节点可以用于表示每个量子门的位置信息。为了后续便于在测量模式中使用这些节点，可以预先在量子电路中对这些节点进行标记。继续参考图2，每个节点被标记为一个二元数组。二元数组的第一个元素为当前的量子比特位，第二个元素从零开始，按照量子门的作用顺序(在图2中为自左向右的顺序)，每经过一个量子门则增加1。其中，二元数组的第二个元素在经过控制非门的控制位时，不进行加1操作，在经过控制Z的控制位和目标位时，均不进行加1操作。利用上述规则可以对量子电路中的每个节点进行标记。在步骤301中，可以分别获取每个量子门周围的邻近节点以作为该量子门的位置信息。

在步骤302中，继续获取每个量子门的类型，这些量子门的类型包括但不限于如图2所示的Hadamard门、控制Z门、控制非门等。在本公开另外一些实施例中，量子门的类型还可以包括其他满足量子力学原理的逻辑门(例如泡利X门、泡利Y门、泡利Z门、Toffoli门等)，这里不再一一列举。

在步骤303中，基于步骤301中获得的位置信息确定与该量子门等价的子测量模式的输入节点和输出节点，并且在步骤304中，基于步骤302中获得的量子门类型确定等价的子测量模式中的多个操作命令的类型、数量和组合方式。以图2中所示的Hadamard门(以下简称为H门)为例，该量子门的数学表达为：

因此，根据量子力学原理，与该类型的量子门等价的子测量模式可以表示为：

其中，i表示输入节点，j表示输出节点，并且该子测量模式还包括4种类型的操作命令，其分别是态制备命令N_j、纠缠命令E_ij、测量命令

算符纠正命令

中的s_i表示对输入节点i执行完测量命令后的测量结果。根据量子力学原理，需从右往左执行操作命令，即首先执行态制备命令，在输出节点j上制备一个加态；然后执行纠缠命令，在节点i、j上作用控制Z算符；接下来执行测量命令，对输入节点i进行测量，测量角度为0；最后执行算符纠正命令，如果节点i的测量结果s_i＝1，则对节点j上的量子比特作用Pauli X算符，否则，不作用Pauli X算符。

在确定完该子测量模式的输入节点和输出节点之后，可以将这两个节点带入到公式(2)中，得到最终的子测量模式的表达式。以图2左上所示的第一个H门为例，其输入节点为(0,0)输出节点为(0,1)，将上述两个节点带入公式(2)中，可以得到最终的等价子测量模式的表达式，即：

按照公式(3)中的顺序经过所有的操作命令后，处于输出节点的量子系统的量子态就等价于输入节点上的量子态

作用了H门后所处的量子态

同理，类型为控制Z门的等价的子测量模式为：

CZ＝({i,j},{i,j},{i,j},E_ij) (4)

继续参考图2中所示的Z门，跟据量子电路图中的节点标记，其输入节点i为(1,2)，输出节点j为(2,1)，则最终生成的子测量模式表示为：

CZ＝({(1,2),(2,1)},{(1,2),(2,1)},{(1,2),(2,1)},E_(1,2)(2,1)) (5)

同理，类型为控制非门的等价的子测量模式为：

与上述H门和控制Z门不同的是，控制非门包含两个输出节点j、l，而且还额外包括一个辅助节点k。辅助节点(即计算空间中除了输入节点和输出节点以外的节点)的二元数组标号的第一个元素与输入节点或输出节点相同，第二个元素跟据辅助节点个数均匀地取值于输入节点和输出节点的数值之间。

继续参考图2中所示的控制非门，跟据量子电路图中的节点标记，其输入节点i为(0,1)，第一输出节点j为(1,1)，第二输出节点l为(1,2)，辅助节点k为(1,1.5)，则最终生成的子测量模式表示为：

在本公开的一些实施例中，在组合完多个子测量模式得到总测量模式之后，还需要对总测量模式中的多个操作命令进行优先级排序。一般而言，该优先级排序包含两个步骤，首先按照操作命令的类型对其进行排序，然后对于同一类型的操作命令执行同类型间的多个操作命令的排序。

在一些实施例中，多个操作命令的类型可以包括态制备命令N、纠缠命令E、测量命令M和算符纠正命令X和Z。根据预设的排序规则，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还包括：按照依次执行态制备命令、纠缠命令、测量命令和算符纠正命令的顺序对多个操作命令的操作顺序进行排序。

具体地，在获得总测量模式的操作命令之后，可以按照符合量子力学原理的交换规则，将操作命令的顺序进行“标准化”操作，即通过相邻的两个操作命令之间的交换，使得所有的态制备命令在操作顺序的最前端，其次是所有的纠缠命令，再次是所有的测量命令，最后是所有的算符纠正命令。在省略角标的情况下，“标准化”操作之后获得的总测量模式的操作命令将形如{X…XZ…ZM…ME…EN…N}的形式。

进行上述排序的原因在于：在1WQC模型理论中，需要首先对该模型下的量子比特进行态制备操作和纠缠操作，这样才能够创建出可以对量子比特进行测量的资源态，因此，可以理解，态制备命令和纠缠命令应该在测量命令之前。另外，参考上述公式(2)、(6)可以理解，子测量模式的算符纠正命令的操作方式可能依赖于测量命令的测量结果，因此，需要将测量命令设置在算符纠正命令之前。

在本公开的一些实施例中，还可以单独对多个测量命令进行排序，图4是根据本公开的一个实施例的对总测量模式中的多个测量命令进行排序方法400的流程图，如图4所示，该方法400包括以下步骤：

步骤401，分别确定总测量模式中的每个测量命令与其他测量命令之间的依赖关系；

步骤402，基于各个测量命令之间的依赖关系，分别确定每个测量命令的操作优先级；

步骤403，根据操作优先级对总测量模式中的测量命令进行排序。

在完成上述对操作命令的“标准化”排序之后，得到的每一个测量命令将会表示为：

其中j为待测量节点的标号，α₀为进行测量时的测量角度，r和t分别为与节点j存在依赖关系的其他节点。例如：r的集合可以存在三个与j有依赖关系的节点，即r＝{u,v,w}，t的集合可以存在两个与j有依赖关系的节点，即t＝{x,y}，那么测量命令

表示对节点j进行测量，其测量角度α为：

其中α₀为预设的初始角度，s_k表示节点k的测量结果。从上式可以看出，对节点j进行测量操作时，测量角度α依赖节点u,v,w,x,y的测量结果。因此，可以理解，在测量j之前，需要先测量节点u,v,w,x,y并获得测量结果。

如果两个测量命令之间无相互依赖关系，可以任意交换其测量顺序，而具有相互依赖关系的测量命令，必须先执行被依赖的节点的测量，这样才能够确保测量命令被正确执行。按照这个原则，在步骤402中，可以基于各个测量命令之间的依赖关系，分别确定每个测量命令的操作优先级。一般而言，被依赖的测量命令具有比依赖该命令的测量命令更高的操作优先级。

在步骤403中，根据步骤402中得到的操作优先级，对总测量模式中的测量命令进行排序，从而确保具有高依赖性的测量命令先被执行，得到相应的测量结果，从而为后续的测量操作提供测量角度α的计算依据。

图5示出了根据本公开的一个实施例的根据操作优先级对测量命令进行排序的方法500的流程图，如图5所示，该方法500包括：

步骤501，按照预先确定的最佳排列顺序对总测量模式中的测量命令进行排序，

步骤502，根据操作优先级，对最佳排列顺序进行调整

在步骤501中，最佳排列顺序是指在测量命令的执行过程中，理论上可以实现最小计算量的排列顺序。最佳排列顺序可以按照下述规则生成：对每两个测量命令的测量节点的标记进行比较，具体地优先比较标记的第一个元素，数字小的节点排在前面，如果两个节点标号的第一个元素相同，则比较第二个元素，数字小的节点排在前面。

在步骤502中，可以基于方法400中步骤402获得的操作优先级对步骤501中的最佳排列顺序进行调整。具体地，可以将最佳排列顺序中违背操作优先级顺序的两个或多个测量命令交换操作顺序，从而使得每个测量命令均满足操作优先级顺序。

本实施例的方法先确定一个最佳排列顺序，该最佳排列顺序是使得计算机运算量最少的测量顺序，在最佳排列顺序的基础上调整测量命令的操作顺序，可以在一定程度上减少模拟量子计算的计算机的运算量。

图6示出了根据本公开一个实施例的利用计算机程序实现图4和图5所示方法的流程图，其中，列表M表示按照最佳排列顺序排列的测量节点的集合，其包含m个元素(即m个测量节点)，该方法600包括：

针对j取{1,2,…,m}中的每一个数值，执行：

步骤601，生成三个节点列表M₁、M₂、M₃，其中，M₁包含M中的第1到第j-1个元素，M₂为M中的第j个元素，M₃包含M中的第j+1到第m个元素；

步骤602，进行集合运算：

P＝r∪t\M₁ (9)

其中r和t表示与节点j的测量命令具有依赖关系的第一节点集合和第二节点集合，r∪t表示集合r和t的并集，“\M₁”表示去除集合M₁中的元素。其中P是一个有序列表，其中的元素优选按照最佳排列顺序进行排列。

步骤603，判断P是否为空集；

步骤604，若步骤603的判断结果为“否”，则从列表M₃中移除P中包含的元素并将列表M的顺序更新为{M₁,P,M₂,M₃}；

步骤605，若步骤603的判断结果为“是”，则不对M中元素顺序进行调整。

使j依次取{1,2,…,m}中的每一个数值，并重复执行上述步骤601至步骤604，以完成对M中的所有元素的顺序的调整。

本实施例的方法从元素1到元素m逐一调整每个元素在M中的位置，可以理解，上述M₁表示M中已经调整完顺序的前j个元素，M₂表示当前接受调整的第j个元素，而M₃表示未被调整的元素。在步骤602中，根据公式得到的集合P是与节点j的测量命令有依赖关系且还未被调整顺序位置的节点，因此，根据上述的操作优先级原则，应该将P中的元素置于M₂之前，从而得到上述表示为{M₁,P,M₂,M₃}的更新后的顺序。

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7示出了根据本公开的一个实施例的用于量子计算的方法700的流程图。如图7所示，该方法700包括：

步骤701，基于预期的量子计算生成等效的量子电路；

步骤702，对量子电路进行翻译得到等价的测量模式；

步骤703，根据得到的总测量模式对量子系统进行对应操作得到多个测量值；

步骤704，根据多个测量值确定预期的量子计算的计算结果。

在步骤702中，利用如图1所示的方法100对步骤701生成的等效的量子电路进行翻译并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703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量子电路中的节点(或者说，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704中，可以根据步骤703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测量模式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，还提供了一种对量子电路进行模拟的装置，图8示出了根据本公开一个实施例的对量子电路进行模拟的装置800的示意图。如图8所示，该装置800包括：获取单元810，配置成获取待模拟的量子电路中的每个量子门的量子门参数；生成单元820，配置成针对待模拟的量子电路中的每个量子门，根据遵循量子力学原理的生成规则，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，子测量模式包括至少一个操作命令；组合单元830，配置成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；排序单元840，配置成根据预设的优先级排序规则，对总测量模式中的各个子测量模式的操作命令进行排序，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。

图9示出了根据本公开另一个实施例的对量子电路进行模拟的装置900的示意图，其中，量子门参数包括量子门的类型和量子门在待模拟的量子电路中的位置信息。如图9所示，生成单元920包括：第一确定模块921和第二确定模块922，第一确定模块921配置成基于该量子门的类型，确定与该量子门等价的子测量模式中的多个操作命令的类型、数量和组合方式。第二确定模块922，配置成基于该量子门的位置信息，确定等价的子测量模式的输入节点和输出节点。

在一些实施例中，排序单元940包括：第一排序模块941，配置成根据总测量模式中的每个测量命令的操作优先级，对多个测量命令进行单独排序。

第一排序模块941包括：第一确定子模块943，配置成分别确定总测量模式中的每个测量命令与其他测量命令之间的依赖关系；第二确定子模块944，配置成基于各个测量命令之间的依赖关系，分别确定每个测量命令的操作优先级；和排序子模块945，配置成根据操作优先级对总测量模式中的测量命令进行排序。

在一些实施例中，排序子模块945还配置成：按照预先确定的最佳排列顺序对总测量模式中的测量命令进行排序；以及根据操作优先级，对最佳排列顺序进行调整。

在一些实施例中，多个操作命令的类型还包括态制备命令、纠缠命令和算符纠正命令，其中，排序单元940还包括：第二排序模块942，配置成按照依次执行态制备命令、纠缠命令、测量命令和算符纠正命令的顺序对多个操作命令的操作顺序进行排序。

根据本公开的另一方，还提供了一种用于量子计算的装置，图10示出了根据本公开的一个实施例的用于量子计算的装置1000的示意图。如图10所示，该装置1000包括：生成装置1010，配置成基于预期的量子计算生成等效的量子电路；对量子电路进行模拟的装置1020，装置1020可以是诸如图8和图9所示的装置800、900；执行装置1030，配置成根据得到的总测量模式对量子系统进行对应操作得到多个测量值；确定装置1040，配置成根据多个测量值确定预期的量子计算的计算结果。

应当理解，图8中所示装置800的各个单元可以与参考图1描述的方法100中的各个步骤相对应，并且图10中所示装置1000的各个模块/装置可以与参考图7描述的方法700中的各个步骤相对应。由此，上面针对方法100描述的操作、特征和优点同样适用于装置800及其包括的单元，并且上面针对方法700描述的操作、特征和优点同样适用于装置1000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11，现将描述可以作为本公开的服务器或客户端的电子设备1100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11所示，设备1100包括计算单元1101，其可以根据存储在只读存储器(ROM)1102中的计算机程序或者从存储单元1108加载到随机访问存储器(RAM)1103中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 1103中，还可存储设备1100操作所需的各种程序和数据。计算单元1101、ROM 1102以及RAM 1103通过总线1104彼此相连。输入/输出(I/O)接口1105也连接至总线1104。

设备1100中的多个部件连接至I/O接口1105，包括：输入单元1106、输出单元1107、存储单元1108以及通信单元1109。输入单元1106可以是能向设备1100输入信息的任何类型的设备，输入单元1106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1107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1108可以包括但不限于磁盘、光盘。通信单元1109允许设备1100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1101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1101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1101执行上文所描述的各个方法和处理，例如上述对量子电路进行模拟的方法或用于量子计算的方法。例如，在一些实施例中，对量子电路进行模拟的方法以及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1108。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 1102和/或通信单元1109而被载入和/或安装到设备1100上。当计算机程序加载到RAM 1103并由计算单元1101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1101可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行对量子电路进行模拟的方法以及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 (19)

1.一种对量子电路进行模拟的方法，包括：

获取待模拟的量子电路中的每个量子门的量子门参数；

针对所述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，所述子测量模式包括多个操作命令；

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

根据预设的优先级排序规则，对所述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所述待模拟的量子电路的模拟结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述量子门参数包括量子门的类型，并且其中，

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包括：

基于该量子门的类型，确定与该量子门等价的子测量模式中的所述多个操作命令的类型、数量和组合方式。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述量子门参数还包括量子门在所述待模拟的量子电路中的位置信息，并且所述子测量模式还包括输入节点和输出节点，并且，其中

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还包括：

基于该量子门的位置信息，确定等价的子测量模式的所述输入节点和所述输出节点。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述多个操作命令的类型包括测量命令，并且其中，根据预设的优先级排序规则，对所述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包括：

根据所述总测量模式中的每个测量命令的操作优先级，对多个测量命令进行单独排序。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，根据所述总测量模式中的每个测量命令的操作优先级，对多个测量命令进行单独排序包括：

分别确定总测量模式中的每个测量命令与其他测量命令之间的依赖关系；

基于各个测量命令之间的依赖关系，分别确定每个测量命令的操作优先级；以及

根据所述操作优先级对所述总测量模式中的测量命令进行排序。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，根据所述操作优先级对所述总测量模式中的测量命令进行排序还包括：

按照预先确定的最佳排列顺序对所述总测量模式中的测量命令进行排序；以及

根据所述操作优先级，对所述最佳排列顺序进行调整。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述多个操作命令的类型还包括态制备命令、纠缠命令和算符纠正命令；其中

根据预设的排序规则，对所述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还包括：

按照依次执行所述态制备命令、所述纠缠命令、所述测量命令和所述算符纠正命令的顺序对多个操作命令的操作顺序进行排序。

8.一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；

执行根据权利要求1至7中任一项所述的对量子电路进行模拟的方法；以及

根据得到的总测量模式对量子系统进行对应操作得到多个测量值；

根据所述多个测量值确定所述预期的量子计算的计算结果。

9.一种对量子电路进行模拟的装置，包括：

获取单元，配置成获取待模拟的量子电路中的每个量子门的量子门参数；

生成单元，配置成针对所述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，所述子测量模式包括多个操作命令；

组合单元，配置成将与每个量子门等价的子测量模式进行组合，得到与所述待模拟的量子电路整体等价的总测量模式；和

排序单元，配置成根据预设的优先级排序规则，对所述总测量模式中的各个子测量模式的操作命令进行排序，得到排序后的总测量模式以作为对所述待模拟的量子电路的模拟结果。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述量子门参数包括量子门的类型，其中，所述生成单元包括：

第一确定模块，配置成基于该量子门的类型，确定与该量子门等价的子测量模式中的所述多个操作命令的类型、数量和组合方式。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述量子门参数还包括量子门在所述待模拟的量子电路中的位置信息，并且所述子测量模式还包括输入节点和输出节点，其中，所述生成单元还包括：

第二确定模块，配置成基于该量子门的位置信息，确定等价的子测量模式的所述输入节点和所述输出节点。

12.根据权利要求10或11所述的装置，其中，所述多个操作命令的类型包括测量命令，其中，所述排序单元包括：

第一排序模块，配置成根据所述总测量模式中的每个测量命令的操作优先级，对多个测量命令进行单独排序。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，第一排序模块包括：

第一确定子模块，配置成分别确定总测量模式中的每个测量命令与其他测量命令之间的依赖关系；

第二确定子模块，配置成基于各个测量命令之间的依赖关系，分别确定每个测量命令的操作优先级；和

排序子模块，配置成根据所述操作优先级对所述总测量模式中的测量命令进行排序。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述排序子模块还配置成：

按照预先确定的最佳排列顺序对所述总测量模式中的测量命令进行排序；以及根据所述操作优先级，对所述最佳排列顺序进行调整。

15.根据权利要求12所述的装置，其中，所述多个操作命令的类型还包括态制备命令、纠缠命令和算符纠正命令，其中，所述排序单元还包括：

第二排序模块，配置成按照依次执行所述态制备命令、所述纠缠命令、所述测量命令和所述算符纠正命令的顺序对多个操作命令的操作顺序进行排序。

16.一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；

执行根据权利要求9至15中任一项所述的对量子电路进行模拟的装置；

执行装置，配置成根据得到的总测量模式对量子系统进行对应操作得到多个测量值；和

确定装置，配置成根据所述多个测量值确定所述预期的量子计算的计算结果。

17.一种电子设备，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1-8中任一项所述的方法。

18.一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1-8中任一项所述的方法。

19.一种计算机程序产品，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1-8中任一项所述的方法。

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