CN115775028A - 量子线路优化方法、装置、介质及电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子线路优化方法、装置、介质及电子装置，本发明通过在原始线路的总开销大于预设阈值时，从模式库中获取模式文件，所述模式文件包括第一cost子模块和第二cost子模块，所述第一cost子模块用于说明运行模式线路产生的第一开销，所述第二cost子模块用于说明运行替换线路产生的第二开销，所述第一开销大于所述第二开销，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路，得到目标线路，从而实现对量子线路进行优化，降低量子线路的开销。

Description

量子线路优化方法、装置、介质及电子装置

技术领域

本发明属于量子计算技术领域，特别是量子线路优化方法、装置、介质及电子装置。

背景技术

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。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。

目前，量子计算仍处于嘈杂中型量子(NISQ，NoisyIntermediateScaleQuantum)时代下。该时代量子计算机所具有的特点是：量子计算机只有50至上百量子比特，而这不足以支持量子纠错技术。量子比特、量子逻辑门以及测量的物理实现是含噪的，而且每个量子比特在维持叠加态上存在退相干的约束。当前量子计算领域用代价或者开销(cost)去衡量这些因素，超出一定开销将使得量子计算的结果不可靠。

发明内容

本发明的目的是提供一种量子线路优化方法、装置、介质及电子装置，旨在对量子线路进行优化，降低量子线路的开销。

本申请的一个实施例提供了一种量子线路优化方法，所述方法包括：

在原始线路的总开销大于预设阈值时，从模式库中获取模式文件，所述模式文件包括第一cost子模块和第二cost子模块，所述第一cost子模块用于说明运行模式线路产生的第一开销，所述第二cost子模块用于说明运行替换线路产生的第二开销，所述第一开销大于所述第二开销，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路，得到目标线路。

可选的，单量子逻辑门的单位开销为第一数值，两量子逻辑门的单位开销为第二数值，所述方法还包括：

确定所述原始线路中单量子逻辑门的第一数量和两量子逻辑门的第二数量；

确定所述第一数值与所述第一数量的第一乘积，以及确定所述第二数值与所述第二数量的第二乘积；

将所述第一乘积与所述第二乘积之和确定为所述原始线路的总开销。

可选的，所述方法还包括：

确定所述原始线路的第一线路深度和第一线路宽度，线路深度用于表示量子线路的层数，每一层量子线路中的每个量子比特至多仅被一个量子逻辑门作用，线路宽度用于表示量子线路中量子逻辑门的第三数量；

基于所述第一线路深度和所述第一线路宽度确定所述原始线路的总开销。

可选的，在所述将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路之前，所述方法还包括：

确定所述原始线路的第一有向无环图和所述模式线路的第二有向无环图；

确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配。

可选的，在所述确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配之前，所述方法还包括：

建立有向无环图i与有向无环图j的映射规则，所述映射规则包括结构映射规则和语义映射规则，所述结构映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j节点之间的同构关系，所述语义映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j有向边之间的同构关系。

可选的，在所述确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配方面，包括：

基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立、所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

可选的，在所述将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路，得到目标线路方面，包括：

确定所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路以及实例化所述替换线路；

将实例化后的所述替换线路的第三有向无环图替换所述子线路的第四有向无环图，得到第五有向无环图；

基于所述第五有向无环图生成目标线路。

本申请的又一实施例提供了一种量子线路优化装置，所述装置包括：

获取单元，用于在原始线路的总开销大于预设阈值时，从模式库中获取模式文件，所述模式文件包括第一cost子模块和第二cost子模块，所述第一cost子模块用于说明运行模式线路产生的第一开销，所述第二cost子模块用于说明运行替换线路产生的第二开销，所述第一开销大于所述第二开销，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

替换单元，用于将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路，得到目标线路。

可选的，单量子逻辑门的单位开销为第一数值，两量子逻辑门的单位开销为第二数值，所述装置还包括：

确定单元，用于确定所述原始线路中单量子逻辑门的第一数量和两量子逻辑门的第二数量；确定所述第一数值与所述第一数量的第一乘积，以及确定所述第二数值与所述第二数量的第二乘积；将所述第一乘积与所述第二乘积之和确定为所述原始线路的总开销。

可选的，所述装置还包括：

确定单元，用于确定所述原始线路的第一线路深度和第一线路宽度，线路深度用于表示量子线路的层数，每一层量子线路中的每个量子比特至多仅被一个量子逻辑门作用，线路宽度用于表示量子线路中量子逻辑门的第三数量；基于所述第一线路深度和所述第一线路宽度确定所述原始线路的总开销。

可选的，在所述将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路之前，所述确定单元还用于：

确定所述原始线路的第一有向无环图和所述模式线路的第二有向无环图；

确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配。

可选的，在所述确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配之前，所述确定单元还用于：

建立有向无环图i与有向无环图j的映射规则，所述映射规则包括结构映射规则和语义映射规则，所述结构映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j节点之间的同构关系，所述语义映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j有向边之间的同构关系。

可选的，在所述确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配方面，所述确定单元具体用于：

基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立、所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

可选的，在所述将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路，得到目标线路方面，所述替换单元具体用于：

确定所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路以及实例化所述替换线路；

将实例化后的所述替换线路的第三有向无环图替换所述子线路的第四有向无环图，得到第五有向无环图；

基于所述第五有向无环图生成目标线路。

本申请的又一实施例提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项中所述的方法。

本申请的又一实施例提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一项中所述的方法。

与现有技术相比，本发明提供的一种量子线路优化方法，在原始线路的总开销大于预设阈值时，从模式库中获取模式文件，将原始线路中与模式文件中存储的模式线路匹配的子线路替换为模式线路对应的替换线路，得到目标线路；由于替换线路的第二开销小于模式线路的第一开销，亦即小于原始线路中子线路的开销，从而使得生成的目标线路的总开销较于原始线路的总开销较小，实现了量子线路的优化。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种量子线路优化方法的计算机终端的硬件结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种量子线路优化方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种原始线路的DAG图；

图4为本发明实施例提供的一种模式线路的DAG图；

图5为本发明实施例提供的一种替换线路的DAG图；

图6为本发明实施例提供的一种原始线路中子线路的替换过程图；

图7为本发明实施例提供的一种量子线路优化装置的结构示意图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明实施例首先提供了一种量子线路优化方法，该方法可以应用于电子设备，如计算机终端，具体如普通电脑、量子计算机等。

下面以运行在计算机终端上为例对其进行详细说明。图1为本发明实施例提供的一种量子线路优化方法的计算机终端的硬件结构框图。如图1所示，计算机终端可以包括一个或多个(图1中仅示出一个)处理器102(处理器102可以包括但不限于微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置)和用于存储基于量子线路的量子线路优化方法的存储器104，可选地，上述计算机终端还可以包括用于通信功能的传输装置106以及输入输出设备108。本领域普通技术人员可以理解，图1所示的结构仅为示意，其并不对上述计算机终端的结构造成限定。例如，计算机终端还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。

存储器104可用于存储应用软件的软件程序以及模块，如本发明实施例中的量子线路优化方法对应的程序指令/模块，处理器102通过运行存储在存储器104内的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的方法。存储器104可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器104可进一步包括相对于处理器102远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至计算机终端。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。

传输装置106用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括计算机终端的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输装置106包括一个网络适配器(Network Interface Controller，NIC)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输装置106可以为射频(Radio Frequency，RF)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。

需要说明的是，真正的量子计算机是混合结构的，它包含两大部分：一部分是经典计算机，负责执行经典计算与控制；另一部分是量子设备，负责运行量子程序进而实现量子计算。而量子程序是由量子语言如QRunes语言编写的一串能够在量子计算机上运行的指令序列，实现了对量子逻辑门操作的支持，并最终实现量子计算。具体的说，量子程序就是一系列按照一定时序操作量子逻辑门的指令序列。

在实际应用中，因受限于量子设备硬件的发展，通常需要进行量子计算模拟以验证量子算法、量子应用等等。量子计算模拟即借助普通计算机的资源搭建的虚拟架构(即量子虚拟机)实现特定问题对应的量子程序的模拟运行的过程。通常，需要构建特定问题对应的量子程序。本发明实施例所指量子程序，即是经典语言编写的表征量子比特及其演化的程序，其中与量子计算相关的量子比特、量子逻辑门等等均有相应的经典代码表示。

量子线路作为量子程序的一种体现方式，也称量子逻辑电路，是最常用的通用量子计算模型，表示在抽象概念下对于量子比特进行操作的线路，其组成包括量子比特、线路(时间线)、以及各种量子逻辑门，最后常需要通过量子测量操作将结果读取出来。

不同于传统电路是用金属线所连接以传递电压信号或电流信号，在量子线路中，线路可看成是由时间所连接，亦即量子比特的状态随着时间自然演化，在这过程中按照哈密顿运算符的指示，一直到遇上逻辑门而被操作。

一个量子程序整体上对应有一条总的量子线路，本发明所述量子程序即指该条总的量子线路，其中，该总的量子线路中的量子比特总数与量子程序的量子比特总数相同。可以理解为：一个量子程序可以由量子线路、针对量子线路中量子比特的测量操作、保存测量结果的寄存器及控制流节点(跳转指令)组成，一条量子线路可以包含几十上百个甚至成千上万个量子逻辑门操作。量子程序的执行过程，就是对所有的量子逻辑门按照一定时序执行的过程。需要说明的是，时序即单个量子逻辑门被执行的时间顺序。

需要说明的是，经典计算中，最基本的单元是比特，而最基本的控制模式是逻辑门，可以通过逻辑门的组合来达到控制电路的目的。类似地，处理量子比特的方式就是量子逻辑门。使用量子逻辑门，能够使量子态发生演化，量子逻辑门是构成量子线路的基础，量子逻辑门包括单比特量子逻辑门，如Hadamard门(H门，阿达马门)、泡利-X门(X门)、泡利-Y门(Y门)、泡利-Z门(Z门)、RX门、RY门、RZ门等等；多比特量子逻辑门，如CNOT门、CR门、iSWAP门、Toffoli门等等。量子逻辑门一般使用酉矩阵表示，而酉矩阵不仅是矩阵形式，也是一种操作和变换。一般量子逻辑门在量子态上的作用是通过酉矩阵左乘以量子态右矢对应的矩阵进行计算。

参见图2，图2为本发明实施例提供的一种量子线路优化方法的流程示意图。所述方法包括：

步骤201：在原始线路的总开销大于预设阈值时，从模式库中获取模式文件，所述模式文件包括第一cost子模块和第二cost子模块，所述第一cost子模块用于说明运行模式线路产生的第一开销，所述第二cost子模块用于说明运行替换线路产生的第二开销，所述第一开销大于所述第二开销，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

在本发明的一具体实施例中，单量子逻辑门的单位开销为第一数值，两量子逻辑门的单位开销为第二数值，所述方法还包括：

确定所述原始线路中单量子逻辑门的第一数量和两量子逻辑门的第二数量；

确定所述第一数值与所述第一数量的第一乘积，以及确定所述第二数值与所述第二数量的第二乘积；

将所述第一乘积与所述第二乘积之和确定为所述原始线路的总开销。

举例说明，单量子逻辑门的单位开销为1，两量子逻辑门的单位开销为2。对于Bridge门的模式线路：H[q₀]，H[q₁]，CNOT[q₀,q₁]，H[q₀]，H[q₁]，其包括四个单量子逻辑门(H门)和一个两量子逻辑门(CNOT门)，故Bridge门的模式线路的总开销为6。

在本发明的另一具体实施例中，所述方法还包括：

确定所述原始线路的第一线路深度和第一线路宽度，线路深度用于表示量子线路的层数，每一层量子线路中的每个量子比特至多仅被一个量子逻辑门作用，线路宽度用于表示量子线路中量子逻辑门的第三数量；

基于所述第一线路深度和所述第一线路宽度确定所述原始线路的总开销。

还是以上述的Bridge门的模式线路为例，其包括五个量子逻辑门，所以模式线路的第一线路宽度为5。根据前两个量子逻辑门(H[q₀]，H[q₁])可知，这两个量子逻辑门作用不同的两个量子比特，因此，这两个量子逻辑门为模式线路的第一层；根据第三个量子逻辑门(CNOT[q₀,q₁])可知，其作用的两个量子逻辑门与前两个量子逻辑门相同，因此只能在前两个量子逻辑门的后面执行，该量子逻辑门为模式线路的第二层；同样，由最后两个量子逻辑门的逻辑门(H[q₀]，H[q₁])可知，这两个量子逻辑门作用不同的两个量子比特，同时其作用的两个不同量子比特与上一个量子逻辑门相同，只能在上一个量子逻辑门的后面执行，因此，这两个量子逻辑门为模式线路的第三层；假定线路宽度和线路深度的单位开销均为1，则模式线路的总开销为8。

进一步地，在所述将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路之前，所述方法还包括：

确定所述原始线路的第一有向无环图和所述模式线路的第二有向无环图；

确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配。

其中，所述原始线路的第一有向无环图可以根据原始线路确定，所述模式线路的第二有向无环图可以根据模式线路确定。模式线路的相关信息存储在模式文件中。

如下所示，是本实施例提供的一种Bridge门的模式描述格式文件：

其中，qubits模块用于描述模式线路所使用的比特个数，src模块用于描述模式线路的线路参数，dst模块用于描述模式线路对应的替换线路的线路参数。src模块或dst模块包括cost单元与circuit单元，cost单元用于描述运行线路的代价，circuit模块用于描述线路的逻辑门参数。

因此，所述确定模式线路的第二有向无环图的具体实现方式为：从模式库中获取模式文件，所述模式文件包括src模块，所述src模块用于记录所述模式线路的线路参数；读取所述src模块，得到所述模式线路的线路参数；基于所述模式线路的线路参数构造所述模式线路的第二有向无环图。

需要说明的是，模式线路和其对应的替换线路以预设的格式存储于模式库中。模式线路包括两种，一种为通用线路的模式线路，另一种为特定门的模式线路。通用线路的模式线路例如包括基本模式线路、H门消除模式线路、对易模式线路、基于经验的模式线路、算法模块优化模式线路、Bridge门模式线路；特定门的模式线路例如包括基于浮动R_z门的优化模式，量子化学中针对CNOT线路的优化模式。

进一步地，在所述确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配之前，所述方法还包括：

建立有向无环图i与有向无环图j的映射规则，所述映射规则包括结构映射规则和语义映射规则，所述结构映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j节点之间的同构关系，所述语义映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j有向边之间的同构关系。

其中，有向无环图DAG用三元组G＝<Q,V,E>定义，所述G表示DAG，所述Q＝{0，1，2，3···}表示量子线路作用的量子比特序号，所述V和所述E表示DAG中的节点集和有向边集。所述节点集V中的任意一个节点v＝(op，qlist，angle)对应于量子线路中的一个量子逻辑门，所述op用于表示量子逻辑门的操作类型参数，所述qlist用于表示量子逻辑门的量子比特参数，所述angle用于表示量子逻辑门的旋转角度参数。所述有向边集E中的任意一条有向边e＝(<v_i，v_j>，q)用于表示量子逻辑门v_i和v_j之间的量子比特依赖关系。这意味着v_j依赖于在v_i。

具体的，在所述确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配方面，包括：

基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立、所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

进一步地，所述子有向无环图的节点对应第一量子逻辑门，所述第二有向无环图的节点对应第二量子逻辑门；在所述基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立方面，包括：

在所述第一量子逻辑门的操作类型参数与所述第二量子逻辑门的操作类型参数、所述第一量子逻辑门的量子比特参数与所述第二量子逻辑门的量子比特参数且所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均匹配时，确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立。

其中，所述第一量子逻辑门的操作类型参数与所述第二量子逻辑门的操作类型参数匹配是指两者的操作类型相同，所述第一量子逻辑门的量子比特参数与所述第二量子逻辑门的量子比特参数匹配是指两者具有一一对应关系。

其中，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数匹配包括以下其中一种：

所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均不存在，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均为常数且相等，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数为常数且所述第二量子逻辑门的旋转角度参数为变量。

例如对于某些量子逻辑门X门、H门、CNOT门等，都不包括旋转角度参数，那么第一量子逻辑门如果是这些不包括旋转角度参数的量子逻辑门，其对应的第二量子逻辑门也应该是这些不包括旋转角度参数的量子逻辑门；又例如第一量子逻辑门和第二量子逻辑门都是含旋转角度参数的量子逻辑门，如R门等，那么第一量子逻辑门和第二量子逻辑门的旋转角度参数相等；还例如第一量子逻辑门和第二量子逻辑门都是含旋转角度参数的量子逻辑门，第一量子逻辑门是在具体的线路中，其旋转角度参数是固定值，而为了增加模式线路的普适性，将其旋转角度参数用变量代替，后续可以依据不同的子线路令旋转角度参数取不同的值，在这种情况下，两者也是匹配的。

进一步地，所述子有向无环图的有向边对应第一量子比特，所述第二有向无环图的有向边对应第二量子比特，在所述基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立方面，包括：

在所述第一量子比特的类型与所述第二量子比特的类型、所述第一量子比特的前向依赖节点与所述第二量子比特的前向依赖节点、所述第一量子比特的后向依赖节点与所述第二量子比特的后向依赖节点均匹配时，确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

其中，量子比特的类型例如又控制比特和目标比特，第一量子比特的类型为控制比特，则第二量子比特的类型也应该为控制比特；第一量子比特的类型为目标比特，则第二量子比特的类型也应该为目标比特。所述第一量子比特的前向依赖节点对应的量子逻辑门与所述第二量子比特的前向依赖节点对应的量子逻辑门是匹配的，所述第一量子比特的后向依赖节点对应的量子逻辑门与所述第二量子比特的后向依赖节点对应的量子逻辑门是匹配的，量子逻辑门的匹配可以参照前述实施例。

举例说明，如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种原始线路的DAG图。图中每一个节点包括序号和量子逻辑门。如序号为0的节点的量子逻辑门为H[q₀]，序号为3的节点的量子逻辑门为CNOT[q₁，q₂]。有向线段表示量子比特q₀、q₁或q₂，图中虚线框所示为匹配的子线路的DAG图。

如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种模式线路的DAG图，该模式线路与图3中虚线框所示的子线路的DAG图相匹配。节点之间的映射关系为：子线路DAG节点1<—>模式线路DAG节点0，子线路DAG节点2<—>模式线路DAG节点1，子线路DAG节点3<—>模式线路DAG节点2，子线路DAG节点4<—>模式线路DAG节点3。有向边之间的映射关系为：子线路DAG有向边q₁<—>原始线路DAG有向边q₀，子线路DAG有向边q₂<—>原始线路DAG有向边q₁。

步骤202：将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路，得到目标线路。

具体的，在所述将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路，得到目标线路方面，包括：

确定所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路以及实例化所述替换线路；

将实例化后的所述替换线路的第三有向无环图替换所述子线路的第四有向无环图，得到第五有向无环图；

基于所述第五有向无环图生成目标线路。

其中，所述第四有向无环图可以与上述实施例中的子有向无环图相同。

进一步地，在所述实例化替换线路方面，包括：

基于所述映射规则更新所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数；基于所述第三量子逻辑门的操作类型参数、更新后的所所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数确定实例化后的所述替换线路。

如图5所示，图5为本发明实施例提供的一种替换线路的DAG图，该替换线路与图4所示的模式线路相对应。根据上述子线路与原始线路的节点之间和有向边之间的映射关系，将替换线路DAG中的节点0序号修改为7，将量子比特参数q₁修改为q₂，将量子比特参数q₀修改为q₁，由于图7中的量子逻辑门不包括旋转角度参数，因此不需要对旋转参数进行实例化。将量子逻辑门的三个参数均实例化后即可得到实例化后的替换线路。

进一步地，在所述将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路，得到目标线路方面，包括：

确定所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路以及实例化所述替换线路；

将实例化后的所述替换线路的第三有向无环图替换所述子线路的第四有向无环图，得到第五有向无环图；

基于所述第五有向无环图生成目标线路。

具体地，在所述将实例化后的所述替换线路的第三有向无环图替换所述子线路的第四有向无环图，得到第五有向无环图方面，包括：

确定实例化后的所述替换线路的第三有向无环图；

确定所述第三有向无环图入度为0的节点和出度为0的节点；

确定所述入度为0的节点在所述第一有向无环图中的前向依赖节点，以及确定所述出度为0的节点在所述第一有向无环图中的后向依赖节点；

删去所述第四有向无环图，将所述入度为0的节点与所述入度为0的节点在所述第一有向无环图中的前向依赖节点连接，以及将所述出度为0的节点与所述出度为0的节点在所述第一有向无环图中的后向依赖节点连接，得到第五有向无环图。

进一步地，在得到第五有向无环图之后，所述方法还包括：

确定所述第五有向无环图中每个节点的入度与出度是否与该节点对应的量子逻辑门的量子比特参数是否一致，若不一致，则确定基于该节点的前向依赖节点和后向依赖节点，以及将该节点与前向依赖节点和/或后向依赖节点连接，得到新的第五有向无环图。

举例说明，如图6所示，图6为本发明实施例提供的一种原始线路中子线路的替换过程图。首先确定该替换线路的DAG的入度为0的节点和出度为0的节点，这里替换线路的DAG只有一个节点，入度为0的节点和出度为0的节点都为序号为7的节点。序号为7的节点没有前向依赖节点，后向依赖节点为序号为6的节点。

删除序号为1、2、3、4和5的节点，以及将序号为7的节点与序号为6的节点通过有向线段连接，得到第五DAG。

与现有技术相比，本发明提供的一种量子线路优化方法，在原始线路的总开销大于预设阈值时，从模式库中获取模式文件，将原始线路中与模式文件中存储的模式线路匹配的子线路替换为模式线路对应的替换线路，得到目标线路；由于替换线路的第二开销小于模式线路的第一开销，亦即小于原始线路中子线路的开销，从而使得生成的目标线路的总开销较于原始线路的总开销较小，实现了量子线路的优化。

参见图7，图7为本发明实施例提供的一种量子线路优化装置的结构示意图，与图2所述的方法流程相对应，所述装置包括：

获取单元701，用于在原始线路的总开销大于预设阈值时，从模式库中获取模式文件，所述模式文件包括第一cost子模块和第二cost子模块，所述第一cost子模块用于说明运行模式线路产生的第一开销，所述第二cost子模块用于说明运行替换线路产生的第二开销，所述第一开销大于所述第二开销，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

替换单元702，用于将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路，得到目标线路。

可选的，单量子逻辑门的单位开销为第一数值，两量子逻辑门的单位开销为第二数值，所述装置还包括：

确定单元703，用于确定所述原始线路中单量子逻辑门的第一数量和两量子逻辑门的第二数量；确定所述第一数值与所述第一数量的第一乘积，以及确定所述第二数值与所述第二数量的第二乘积；将所述第一乘积与所述第二乘积之和确定为所述原始线路的总开销。

可选的，所述装置还包括：

确定单元703，用于确定所述原始线路的第一线路深度和第一线路宽度，线路深度用于表示量子线路的层数，每一层量子线路中的每个量子比特至多仅被一个量子逻辑门作用，线路宽度用于表示量子线路中量子逻辑门的第三数量；基于所述第一线路深度和所述第一线路宽度确定所述原始线路的总开销。

可选的，在所述将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路之前，所述确定单元703还用于：

确定所述原始线路的第一有向无环图和所述模式线路的第二有向无环图；

确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配。

可选的，在所述确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配之前，所述确定单元703还用于：

建立有向无环图i与有向无环图j的映射规则，所述映射规则包括结构映射规则和语义映射规则，所述结构映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j节点之间的同构关系，所述语义映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j有向边之间的同构关系。

可选的，在所述确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配方面，所述确定单元703具体用于：

基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立、所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

可选的，在所述将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路，得到目标线路方面，所述替换单元702具体用于：

确定所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路以及实例化所述替换线路；

将实例化后的所述替换线路的第三有向无环图替换所述子线路的第四有向无环图，得到第五有向无环图；

基于所述第五有向无环图生成目标线路。

本发明的再一实施例提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项中方法实施例中的步骤。

具体的，在本实施例中，上述存储介质可以被设置为存储用于执行以下步骤的计算机程序：

在原始线路的总开销大于预设阈值时，从模式库中获取模式文件，所述模式文件包括第一cost子模块和第二cost子模块，所述第一cost子模块用于说明运行模式线路产生的第一开销，所述第二cost子模块用于说明运行替换线路产生的第二开销，所述第一开销大于所述第二开销，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路，得到目标线路。

具体的，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。

本发明的再一实施例还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一项中方法实施例中的步骤。

具体的，上述电子装置还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。

具体的，在本实施例中，上述处理器可以被设置为通过计算机程序执行以下步骤：

在原始线路的总开销大于预设阈值时，从模式库中获取模式文件，所述模式文件包括第一cost子模块和第二cost子模块，所述第一cost子模块用于说明运行模式线路产生的第一开销，所述第二cost子模块用于说明运行替换线路产生的第二开销，所述第一开销大于所述第二开销，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路，得到目标线路。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种量子线路优化方法，其特征在于，所述方法包括：

在原始线路的总开销大于预设阈值时，从模式库中获取模式文件，所述模式文件包括第一cost子模块和第二cost子模块，所述第一cost子模块用于说明运行模式线路产生的第一开销，所述第二cost子模块用于说明运行替换线路产生的第二开销，所述第一开销大于所述第二开销，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路，得到目标线路。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，单量子逻辑门的单位开销为第一数值，两量子逻辑门的单位开销为第二数值，所述方法还包括：

确定所述原始线路中单量子逻辑门的第一数量和两量子逻辑门的第二数量；

确定所述第一数值与所述第一数量的第一乘积，以及确定所述第二数值与所述第二数量的第二乘积；

将所述第一乘积与所述第二乘积之和确定为所述原始线路的总开销。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

确定所述原始线路的第一线路深度和第一线路宽度，线路深度用于表示量子线路的层数，每一层量子线路中的每个量子比特至多仅被一个量子逻辑门作用，线路宽度用于表示量子线路中量子逻辑门的第三数量；

基于所述第一线路深度和所述第一线路宽度确定所述原始线路的总开销。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路之前，所述方法还包括：

确定所述原始线路的第一有向无环图和所述模式线路的第二有向无环图；

确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配之前，所述方法还包括：

建立有向无环图i与有向无环图j的映射规则，所述映射规则包括结构映射规则和语义映射规则，所述结构映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j节点之间的同构关系，所述语义映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j有向边之间的同构关系。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配，包括：

基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立、所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路，得到目标线路，包括：

确定所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路以及实例化所述替换线路；

将实例化后的所述替换线路的第三有向无环图替换所述子线路的第四有向无环图，得到第五有向无环图；

基于所述第五有向无环图生成目标线路。

8.一种量子线路优化装置，其特征在于，所述装置包括：

获取单元，用于在原始线路的总开销大于预设阈值时，从模式库中获取模式文件，所述模式文件包括第一cost子模块和第二cost子模块，所述第一cost子模块用于说明运行模式线路产生的第一开销，所述第二cost子模块用于说明运行替换线路产生的第二开销，所述第一开销大于所述第二开销，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

替换单元，用于将所述原始线路中与所述模式线路匹配的子线路替换为所述替换线路，得到目标线路。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1至7任一项中所述的方法。

10.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行所述权利要求1至7任一项中所述的方法。

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