CN115907025B - 量子网络协议仿真方法、装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种量子网络协议仿真方法、装置及电子设备，涉及量子技术领域，具体涉及量子通信技术领域。具体实现方案为：获取量子网络协议的操作信息；基于操作信息，确定N个节点一一对应的N个量子寄存器中寄存单元的目标数量；基于目标数量，分配每个节点对应量子寄存器中寄存单元的第一量子位；基于操作信息，对量子网络协议进行转换，得到第一信息，第一信息包括第一操作指令，操作信息指示的寄存单元与量子电路中的量子比特一一对应，且操作信息指示的寄存单元中第一量子位与第一操作指令指示的第二量子位一一对应，第一信息包括量子交换门的第一操作指令；基于第一信息运行第一信息对应的量子电路，得到仿真结果。

Description

量子网络协议仿真方法、装置及电子设备

技术领域

本公开涉及量子计算技术领域，尤其涉及量子通信技术领域，具体涉及一种量子网络协议仿真方法、装置及电子设备。

背景技术

量子网络是通过量子技术赋能经典网络的一种方式，通过对量子资源以及量子通信技术的使用，来提升经典网络的信息处理能力，加强信息传输的安全性，提供全新的互联网服务。

区别于通常的量子算法，量子网络协议的操作中除了不同节点对其本地寄存器中的经典信息和量子信息进行操作外，还存在节点之间的经典信息与量子信息的交互。

目前，量子网络协议的逻辑仿真在节点之间的信息交互过程中，其信息传递通常是将量子比特进行时间上的全局操作权限的转换完成的。

发明内容

本公开提供了一种量子网络协议仿真方法、装置及电子设备。

根据本公开的第一方面，提供了一种量子网络协议仿真方法，包括：

获取量子网络协议的操作信息，所述量子网络协议用于在N个节点之间进行信息处理，N为大于1的整数；

基于所述操作信息，确定所述N个节点一一对应的N个量子寄存器中寄存单元的目标数量，所述N个量子寄存器用于所述N个节点之间进行信息处理；

基于所述目标数量，分配每个节点对应量子寄存器中寄存单元的第一量子位；

基于所述操作信息，对所述量子网络协议进行转换，得到第一信息，所述第一信息包括第一操作指令，所述第一操作指令指示与所述量子网络协议等效的量子电路的量子操作，所述操作信息指示的寄存单元与所述量子电路中的量子比特一一对应，且所述操作信息指示的寄存单元中所述第一量子位与所述第一操作指令指示的第二量子位一一对应，所述第一信息包括量子交换门的第一操作指令，所述量子交换门的第一操作指令是对所述操作信息中第一操作信息进行转换得到的，所述第一操作信息用于指示所述N个节点中不同节点之间的信息交互；

基于所述第一信息运行所述第一信息对应的量子电路，得到仿真结果，所述仿真结果用于表征基于所述量子网络协议进行信息处理后得到的结果。

根据本公开的第二方面，提供了一种量子网络协议仿真装置，包括：

第一获取模块，用于获取量子网络协议的操作信息，所述量子网络协议用于在N个节点之间进行信息处理，N为大于1的整数；

确定模块，用于基于所述操作信息，确定所述N个节点一一对应的N个量子寄存器中寄存单元的目标数量，所述N个量子寄存器用于所述N个节点之间进行信息处理；

分配模块，用于基于所述目标数量，分配每个节点对应量子寄存器中寄存单元的第一量子位；

转换模块，用于基于所述操作信息，对所述量子网络协议进行转换，得到第一信息，所述第一信息包括第一操作指令，所述第一操作指令指示与所述量子网络协议等效的量子电路的量子操作，所述操作信息指示的寄存单元与所述量子电路中的量子比特一一对应，且所述操作信息指示的寄存单元中所述第一量子位与所述第一操作指令指示的第二量子位一一对应，所述第一信息包括量子交换门的第一操作指令，所述量子交换门的第一操作指令是对所述操作信息中第一操作信息进行转换得到的，所述第一操作信息用于指示所述N个节点中不同节点之间的信息交互；

运行模块，用于基于所述第一信息运行所述第一信息对应的量子电路，得到仿真结果，所述仿真结果用于表征基于所述量子网络协议进行信息处理后得到的结果。

根据本公开的第三方面，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，该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第一方面中的任一项方法。

根据本公开的第四方面，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，该计算机指令用于使计算机执行第一方面中的任一项方法。

根据本公开的第五方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序在被处理器执行时实现第一方面中的任一项方法。

根据本公开的技术解决了相关技术中基于量子网络协议编译出的量子电路的宽度较大的问题，能够更加接近真实情况中信息在不同节点之间的空间传输，从而可以简化量子网络协议的逻辑仿真。

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，不构成对本公开的限定。其中：

图1是根据本公开第一实施例的量子网络协议仿真方法的流程示意图；

图2是一示例的量子寄存器的结构示意图；

图3是一示例的量子电路图的结构示意图；

图4是SWAP门在量子电路中的表示示意图；

图5是通过重置操作可减少量子电路所需的量子比特数的比较示意图；

图6-图11是量子隐形传态协议仿真过程中量子寄存器的状态示意图；

图12是量子隐形传态协议等效的广义量子电路的结构示意图；

图13是根据本公开第二实施例的量子网络协议仿真装置的结构示意图；

图14是用来实施本公开的实施例的示例电子设备的示意性框图。

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。

第一实施例

如图1所示，本公开提供一种量子网络协议仿真方法，包括如下步骤：

步骤S101：获取量子网络协议的操作信息，所述量子网络协议用于在N个节点之间进行信息处理。

其中，N为大于1的整数。

本实施例中，量子网络协议仿真方法涉及量子计算技术领域，尤其涉及量子网络技术领域，其可以广泛应用于量子网络协议的设计场景下。本公开实施例的量子网络协议仿真方法，可以由本公开实施例的量子网络协议仿真装置执行。本公开实施例的量子网络协议仿真装置可以配置在电子设备中，以执行本公开实施例的量子网络协议仿真方法。该电子设备可以为量子计算机。

量子网络协议可以为进行量子通信的各方为完成通信遵循的事先约定的一组规则。区别于通常的量子算法，量子网络协议的操作中除了不同节点对其本地寄存器中的经典信息和量子信息进行操作外，还存在节点之间的经典信息与量子信息的交互。

比如，量子网络协议为量子隐形传态协议，在量子通信中，存在这样一个应用场景：Alice想要将其所持有的一份未知的单比特量子态|ψ>发送给与其相距很远的Bob。然而，Alice和Bob之间并没有直接相连的量子信道，因此，无法完成对量子态的直接传输。同时由于量子力学的性质，Alice也无法像复制经典消息那样复制多份量子态，并通过统计分析的方式获得量子态的相关准确信息，从而通过经典信道告知Bob相关参数来还原这个量子态。量子隐形传态协议的提出，成功解决了上述量子信息远距离传输的问题，其可以包括：由纠缠源C制备量子纠缠，并分发给节点A和节点B，且通过在节点A和节点B的本地操作，其结果是节点B可以恢复节点A想要传输的量子态|ψ>。

这种信息的交互方式一方面给量子网络带来了前所未有的计算性能(例如，分布式量子算法指数提升量子计算机算力)和安全性(例如，盲量子计算保护用户计算隐私)；另一方面，也为其量子网络协议设计及其模拟带来了难点。

目前，当前量子计算机的具体实现并不能直接满足量子网络协议中某些理论上的操作需求，比如将一个量子比特从一个寄存单元传输到另一个寄存单元，将部分量子比特进行测量并通过测量结果调控其余量子比特等，这些量子网络协议中常用的操作均无法直接在当前量子计算机上实现。因此，如何在一台量子计算机上模拟量子网络协议中的常用操作，进而运行整个量子网络协议，是一个业界广泛关注的难题。

通常一个量子网络协议的演化包含从初始的想法设计、软件层面上的功能模拟、软硬件结合的逻辑仿真、小规模的实际测试、大规模的标准化部署等五个阶段。由于量子网络协议常用的操作难以直接在当前量子计算机上实现，因此，具有软硬件结合的逻辑仿真难以完成，阻碍了量子网络协议后期的实际测试和标准化部署。一方面，量子网络协议中通常涉及多方纠缠量子态的操作，完全靠软件层面上的功能模拟，会很快碰到计算瓶颈(当前大规模超级计算机集群最多模拟50-100个量子比特，而量子网络往往涉及成千上万个量子节点的模拟)，另一方面，如果跳过逻辑仿真，直接从功能模拟到实际测试，则会增加实验测试的时间和经费代价。

基于此，本实施例提供了一种量子网络协议的逻辑仿真方法，通过将量子网络协议的操作信息等效编译成量子计算机能够实现的量子电路的操作指令，这样可以将量子网络协议部署到量子计算机上运行，从而实现量子网络协议的真机部署，实现量子网络协议的逻辑仿真，克服功能模拟的计算瓶颈。

另外，相关技术中，量子网络协议的逻辑仿真过程中，信息的传递方式通常是通过量子比特的全局操作权限的转换完成的。例如，Charlie持有一个存储在本地量子寄存器的量子比特想要传输给Alice，于是Charlie将本地量子寄存器存储的量子比特在全局量子电路对应量子位的操作权限交给Alice。此后，Alice可以在该量子位上进行本地操作，而Charlie则不能再对该量子比特进行操作，因此，相当于将量子比特进行了时间上的操作权转换。

相关技术中，发送方不再具有所传输的量子比特的操作权限，如果需要进行多轮量子网络协议时，则需要重新分配寄存单元(即重新分配量子比特)，导致编译出的量子电路的宽度较大(即所需的量子比特的数目较多，且量子电路的宽度与量子网络协议运行的轮数可以呈正比)。

基于此，本实施例提供了一种新的量子网络协议的逻辑仿真方法，可以通过量子交换门(SWAP门)进行两个节点之间的量子比特交换，以达到两个节点之间量子信息传输的目的，这样可以更加接近真实情况中量子信息的空间传输。

量子网络协议用于在N个节点之间进行信息处理，其可以通过操作信息如操作指令，来实现在N个节点之间进行信息处理，该信息处理可以包括在节点内的信息处理和节点间的信息交互。即基于量子网络协议在N个节点之间进行信息处理时，不仅可以通过在任一节点上执行经典操作和/或量子操作，来进行信息处理，还可以通过在不同节点上执行量子比特传输操作，来进行信息交互。操作信息可以包括用于实现本地的经典操作和/或量子操作的操作指令，以及用于实现不同节点之间的量子比特传输操作的操作指令。

在一可选实施方式中，可以通过量子寄存器，来存储和操作量子比特，每个节点可以对应一个量子寄存器，如节点A对应量子寄存器A，节点B对应量子寄存器B。

量子寄存器的一示例结构可以如图2所示，一个量子寄存器可以包含多个寄存单元(unit)，每个寄存单元可以对应一个量子比特，其可以包含五部分内容，分别是量子比特(qubit)，量子比特测量结果(outcome)，标识符(identifier)、单元地址(address)和单元状态标识(status)。

相应的，节点的本地量子操作可以对应于该节点对应量子寄存器上的操作，如节点A的本地量子操作对应于量子寄存器A上的操作，节点B的本地量子操作对应于量子寄存器B上的操作。

量子寄存器上的操作可以通过操作指令来实现，一个量子寄存器上的操作指令可以表示为[name，address，parameters，condition]，其中，name表示量子操作的类型，address表示待操作的量子寄存器中寄存单元的单元地址，parameters表示量子操作涉及的相关参数，condition表示量子操作的受控条件。

例如：量子寄存器A上的操作指令[X，1，None，0]表示在量子寄存器A中的寄存单元1上作用泡利Pauli X门，受控条件为0，即受控条件为对应量子电路的量子位0上的测量结果。

需要说明的是，如果操作指令对应的是双比特量子门的操作，则address为一个列表，列表中的第一个元素为控制位的单元地址，第二个元素为受控位的单元地址。量子网络协议的操作信息中还可以包括量子比特的测量操作和重置操作。

另外，作用于量子寄存器上的操作指令可以表示对该量子寄存器对应节点上的本地量子比特进行操作，因此，对于address参数可以是指节点上的本地单元地址，即对应单元地址的量子比特只有该节点具有操作权限。

量子网络协议的操作信息可以通过一个有序列表来表征，可以根据量子网络协议的逻辑，将对应于量子网络协议的各量子寄存器上的操作指令以及量子比特传输操作的操作指令，按照其逻辑顺序添加到该有序列表中。

不同的量子网络协议会存在不同的操作信息，可以获取预先设计的量子网络协议的操作信息，其获取方式包括但不限于本地获取、其他电子设备发送等。相应的，可以基于该操作信息检测量子网络协议的稳定性、运行效率等相关指标，并可以基于检测出的相关指标调整该操作信息，以对量子网络协议进行优化调整，或者进一步推进量子网络协议的真实实验测试。

步骤S102：基于所述操作信息，确定所述N个节点一一对应的N个量子寄存器中寄存单元的目标数量，所述N个量子寄存器用于所述N个节点之间进行信息处理。

该步骤中，操作信息中可以包括各节点上的量子寄存器的操作指令，且操作指令中可以包括寄存单元的单元地址，每个寄存单元对应全局量子电路(即量子网络协议等效的量子电路)中的一个量子比特。相应的，可以基于操作信息中所需要用到的量子比特的数量，来确定N个节点一一对应的N个量子寄存器中寄存单元的数量，即确定N个节点之间进行信息处理的量子比特的目标数量，也即确定全局量子电路中量子比特的数量。

步骤S103：基于所述目标数量，分配每个节点对应量子寄存器中寄存单元的第一量子位。

量子寄存器初始化时，N个节点进行信息处理的量子寄存器中寄存单元的总数目不能少于该目标数量。

在一可选实施方式中，可以基于目标数量，确定用于表征所述量子电路中量子比特的第一量子位，比如，目标数量为5，则第一量子位分别标识为0、1、2、3、4。

按照各节点请求的先后顺序，依次将第一量子位写入各节点对应量子寄存器中各寄存单元的qubit值中。比如，N为3，节点请求的先后顺序分别为节点A、节点B和节点C。节点A需要用到两个量子比特，节点B需要用到两个量子比特，节点C需要用到一个量子比特，则节点A分配量子位0和量子位1，节点B分配量子位2和量子位3，节点C分配量子位4。

在另一可选实施方式中，可以基于目标数量，按照其他顺序分配寄存单元对应量子比特的量子位，只要写入至每个寄存单元的量子位(即第一量子位)标号唯一即可。

需要指出的是，上述第一量子位的分配方式并不唯一，但编译出的量子电路是等效的，只是各量子位的顺序有一定差别，但这并不影响整个量子网络协议的运行。

步骤S104：基于所述操作信息，对所述量子网络协议进行转换，得到第一信息，所述第一信息包括第一操作指令，所述第一操作指令指示与所述量子网络协议等效的量子电路的量子操作，所述操作信息指示的寄存单元与所述量子电路中的量子比特一一对应，且所述操作信息指示的寄存单元中所述第一量子位与所述第一操作指令指示的第二量子位一一对应，所述第一信息包括量子交换门的第一操作指令，所述量子交换门的第一操作指令是对所述操作信息中第一操作信息进行转换得到的，所述第一操作信息用于指示所述N个节点中不同节点之间的信息交互。

为了更好地阐述该步骤的过程，首先对量子电路模型进行说明。

量子电路模型是一种常用的量子计算模型。通过对初始量子态进行量子门操作完成量子态的演化，并通过量子测量提取计算结果。而量子电路图则表示了量子电路模型计算的全部过程。

图3是一示例的量子电路图的结构示意图，如图3所示，可以用一根水平线表示一个量子比特系统，从上至下依次对量子比特位进行标号，其中，量子位的标号往往从零开始，量子位的总个数定义为量子电路的宽度。

通常约定量子电路图从左往右读取，最左端为初始的量子态，其中，通常每个量子比特初始化为零态，之后对初始态依次作用不同的量子门操作以完成量子态的演化。在量子电路图的右端，可以对每个量子比特系统进行量子测量，得到测量结果。

更为一般地，量子电路的操作中可能出现对一部分量子比特进行量子测量，并根据量子测量的测量结果来调控其余的量子比特的演化，此类操作称为经典控制量子操作(如图3的虚线框部分301)；而经过量子测量后的量子比特则可以被重置(如图3的虚线框部分302)，以供后续计算继续使用。可以将包含经典控制量子操作与重置操作的量子电路称为广义量子电路，如图3所示。

量子电路图中除了初始量子态以外的其余部分，通常可以按照量子门的作用顺序用一个有序的指令列表进行表示，指令列表中每个元素代表一个操作指令，该操作指令可以为量子门、经典控制量子门、量子测量或重置操作指令。

每一个单比特量子门(如H，X，Y，Z，S，T，Rx，Ry，Rz等)表示为一个包含四个元素的操作指令[name,which_qubit,parameters,condition]，其中name为量子门的名称，which_qubit为量子门作用的量子位，parameters为量子门的参数(如没有参数则默认为None)，condition表示该量子门的操作受哪一个量子位测量结果的控制(如果没有参数则默认为None)。

例如，[Rx，2，pi，None]表示对量子位2上的量子比特作用一个Rx旋转门，旋转角度为pi。

又例如，图3中虚线框部分301的经典受控量子X门可以表示为[X，2，None，1]，即作用在量子比特的量子位2上的Pauli X门，受控条件为量子位1上量子比特的测量结果，测量结果为0则不作用量子门，测量结果为1则作用量子门。

每一个双比特量子门(如控制非门CNOT，SWAP门)表示为一个包含四个元素的指令[name,which_qubit,parameters,condition]。其中，name为量子门的名称，which_qubit为控制位和受控位构成的列表，parameters为量子门的参数(如没有参数则默认为None)，condition表示该量子门的操作受哪一个量子位测量结果的控制(如果没有参数则默认为None)。

例如，[SWAP，[1,2]，None，None]表示在量子位1和量子位2之间作用SWAP门；而[CNOT，[1,3]，None，None]表示对量子位1和量子位3作用控制非门，其中，量子位1为控制位，量子位3为受控位。

每一个计算基下的测量表示为一个包含四个元素的指令[measure，which_qubit，None，None]。例如，[measure，2，None，None]表示对量子位2进行计算基下的测量。

每一个重置操作指令可以表示为一个包含四个元素的指令[reset，which_qubit，None，None]，其中，which_qubit为需要重置的量子比特的量子位，经过重置操作后的量子比特可供后续计算继续使用。

按照如上给出的表示规则，图3中的量子电路可以表示为一个有序的指令列表：[[H,0,None,None],[H,1,None,None],[H,2,None,None],[CNOT,[0,1],None,None],[SWAP,[1,2],None,None],[H,0,None,None],[H,1,None,None],[H,2,None,None],[measure,1,None,None],[X,2,None,1],[reset,1,None,None],[measure,2,None,None],[CNOT,[0,1],None,None],[measure,0,None,None],[measure,1,None,None]]。

该步骤中，可以基于量子网络协议的操作信息，通过对量子网络协议中的操作进行编译，以将量子网络协议转换成与该量子网络协议等效的量子电路，得到第一信息。

在一可选实施方式中，可以将量子网络协议的各量子寄存器上的操作指令等效编译成量子电路的操作指令，以将量子网络协议转换成与该量子网络协议等效的量子电路。

量子电路可以为广义量子电路，也可以为标准量子电路，在一可选实施方式中，在量子网络协议使用经典控制量子门、测量操作和重置操作的情况下，对量子网络协议转换得到的量子电路可以为广义量子电路。

量子网络协议包含多个不同节点的本地操作，以及节点之间的交互通信。由于每个节点只关心本地的局部操作，如何通过这些局部操作以及通信交互，构建一个与整个量子网络协议等效的量子电路。本实施例中，在等效编译过程中，通过将操作信息指示的寄存单元与量子电路中的量子比特一一对应起来，且将操作信息指示的寄存单元中第一量子位与第一操作指令指示的第二量子位一一对应，这样可以通过在每个节点对应量子寄存器的寄存单元中存储其对应全局量子电路的量子位信息，从而将不同节点中量子寄存器的操作相互关联。

另外，量子网络协议涉及到不同节点之间的交互通信，即一个节点将经典信息或者量子比特传输给另一个节点，对于此种操作的操作指令(即第一操作信息)的等效编译，可以将其编译为量子交换门的操作指令，即利用SWAP门等效替代量子网络协议中量子比特的空间传输(即第一操作信息)。

SWAP门是一个常用的双量子比特门，如图4所示是SWAP门在量子电路中的表示示意图，其作用效果是将两个量子比特进行互换。SWAP门是一个对量子信道非常直观的模拟，例如图4所示，Alice想要将其持有的量子比特传送给Bob，只需在二者分别持有的量子比特之间执行一个SWAP操作，则Alice所持有的量子态即可传送到Bob处。如此，可以模拟在不同节点之间进行量子信息的传输。

而对于经典信息的传输，可以直接将其编译为广义量子电路中的经典控制量子操作。

量子网络协议到量子电路的具体转换过程可以为：针对量子网络协议的操作指令的有序列表，可以按照该有序列表中操作指令的排列顺序，分别等效编译成量子电路的第一操作指令，将第一操作指令顺序排列得到另一有序列表，得到第一信息。

步骤S105：基于所述第一信息运行所述第一信息对应的量子电路，得到仿真结果，所述仿真结果用于表征基于所述量子网络协议进行信息处理后得到的结果。

获得第一信息后，就可以将第一信息对应的量子电路交付给量子计算机运行，量子计算机可以按照第一信息中第一操作指令的排列顺序运行量子电路，得到仿真结果。比如，在量子隐形传态协议中，其仿真结果可以为Alice想要传输的量子态。

其中，量子计算机可以为可运行广义量子电路的计算机，或者也可以将广义量子电路进行标准化后，再交付给量子计算机运行。

另外，量子计算机在得到仿真结果后，可以将该仿真结果存储至相应量子寄存器中，如此可以结合量子电路的运行情况和量子寄存器，确定量子网络协议的稳定性、运行效率等相关指标，以针对这些相关指标对量子网络协议进行优化调整，或者进一步推进量子网络协议的真实实验测试。

需要说明的是，若量子网络协议中涉及多个不同的量子电路或者对同一个量子电路进行多次采样，可以在统一收集后一并交付量子计算机运行，以节省反复提交量子电路的时间，提高运行效率。

本实施例中，通过在量子寄存器的初始化及量子网络协议的等效编译过程中，将操作信息指示的寄存单元与量子电路中的量子比特一一对应起来，且将操作信息指示的寄存单元中第一量子位与第一操作指令指示的第二量子位一一对应，并利用SWAP门的特性，将通信双方持有的量子比特进行互换，即相当于将量子网络协议中量子比特的空间传输等效编译为量子电路中SWAP门的指令操作。如此，可以将量子网络协议部署到量子计算机上运行，从而实现量子网络协议的真机部署，实现量子网络协议的逻辑仿真。且更加接近量子网络中真正意义上的量子信息传输，即量子比特的空间传输，简化量子网络协议的逻辑仿真，从而提高量子网络协议的仿真效果。另外，将操作信息指示的寄存单元与量子电路中的量子比特一一对应起来，且将操作信息指示的寄存单元中第一量子位与第一操作指令指示的第二量子位一一对应，这样可以大幅减少全局量子电路所需的量子比特数，简化量子网络协议的仿真。

并且，能够加速量子网络协议从设计到标准化部署的流程，促进量子网络协议的实用化落地，降低实际实验测试的成本。另外，量子网络协议中通常涉及多方纠缠量子态的操作，完全靠软件层面上的功能模拟，会很快碰到计算瓶颈，本实施例可以利用量子计算机来运行量子网络协议，从而有效克服其计算瓶颈。

可选的，所述操作信息还包括第二操作信息，所述第二操作信息包括第一节点对应量子寄存器中寄存单元的第一单元地址，所述第一节点为所述N个节点中的一节点，所述第二操作信息用于对所述第一节点的量子比特进行信息处理，所述寄存单元存储有第一参数，所述第一参数用于指示所述寄存单元对应量子比特的所述第一量子位；所述步骤S104具体包括：

获取所述第一单元地址对应寄存单元存储的所述第一参数的第一目标值；

将所述第一目标值确定为量子操作的量子位，得到所述第一操作指令；

将所述第一操作指令添加至操作指令列表中，得到所述第一信息，所述操作指令列表包括：转换时间在所述第一操作指令之前，且指示所述第一量子电路的量子操作的操作指令。

本实施方式中，第二操作信息表示对节点本地的量子比特进行操作(即信息处理)，该节点可以为N个节点中任一节点，如第一节点。第二操作信息可以为单量子比特的操作指令，也可以为双量子比特的操作指令。单量子比特的操作指令可以指示为单量子门的操作、测量操作或重置操作。

第二操作信息可以包括第一节点对应量子寄存器中所需要进行操作的量子比特的寄存单元的第一单元地址(即address)，如图2所示，量子寄存器中每个寄存单元均可以包括第一参数(即qubit)，对量子寄存器进行初始化时，可以将分配给节点的第一量子位的标识存储至寄存单元中第一参数的位置中，即第一参数用于指示寄存单元对应量子比特的该第一量子位。

量子寄存器中的操作指令表示对该节点本地的量子比特进行操作，即address是指本地量子寄存器中寄存单元的单元地址，单元地址对应量子比特只有该节点具有操作权限；而量子电路中的which_qubit指的是全局量子电路的量子位，这两种操作指令具有完全不同的意义。

在进行等效编译时，可以获取第一节点中第一单元地址对应寄存单元存储的第一参数的第一目标值，第一目标值即为第一单元地址对应量子比特的量子位的标识。相应的，可以将第一目标值确定为第一操作指令中量子操作的量子位，而第二操作信息中其他参数可以保持不变，得到第一操作指令。这样可以很容易地将第二操作信息指示的寄存单元中第一量子位与第一操作指令指示的第二量子位一一对应起来，从而实现量子网络协议中第二操作信息与量子电路中第一操作指令的等效编译。

之后，可以将第一操作指令添加到操作指令列表中，具体可以将第一操作指令添加至操作列表指令的最后，并返回更新后的操作指令列表，得到第一信息。

如此，可以实现对第二操作信息的等效编译。

可选的，所述寄存单元还存储有第二参数，所述第二参数用于指示所述寄存单元在所述第一节点与第二节点之间的信息交互过程中的可操作状态，所述第二节点为所述N个节点中与所述第一节点不同的节点，所述方法还包括：

获取所述第一单元地址对应寄存单元存储的所述第二参数的值；

在所述第二参数的值指示所述寄存单元在信息交互过程中可操作的情况下，将所述第二参数的值更新为第二目标值；

其中，所述第二目标值指示所述寄存单元在信息交互过程中不可操作。

本实施方式中，寄存单元还可以存储有第二参数(即status)，该第二参数用于指示该寄存单元在两个节点之间的量子比特传输中的可操作状态。默认状态为Available，表示两个节点之间的量子比特传输中该寄存单元对应量子比特可操作，即可以将该量子比特与其他节点的量子比特进行量子态的互换，操作过程中状态可变更为Occupied，表示两个节点之间的量子比特传输中该寄存单元对应量子比特不可操作，即不可以将该量子比特与其他节点的量子比特进行量子态的互换。

在执行节点的本地操作过程中，为了避免量子比特被传输，可以获取第一单元地址对应寄存单元存储的第二参数的值，若第二参数的值指示寄存单元(即寄存单元对应量子比特)在信息交互过程中可操作，即第二参数的值可以为Available，则可以将第二参数的值更新为第二目标值，第二目标值指示寄存单元在信息交互过程中不可操作，第二目标值可以为Occupied。

若第二参数的值指示寄存单元(即寄存单元对应量子比特)在信息交互过程中不可操作，即第二参数的值可以为Occupied，则可以不对该第二参数的值进行更新操作。

如此，在执行节点的本地操作过程中，可以避免本地操作的量子比特被传输，保证量子网络协议的准确仿真。

可选的，所述第二操作信息还包括操作类型，所述将所述第二参数的值更新为第二目标值之后，所述方法还包括以下至少一项：

在所述操作类型指示所述第二操作信息对应量子操作为测量操作的情况下，将所述第一目标值存储至所述第一单元地址对应寄存单元中用于存储第三参数的位置中，所述第三参数用于指示所述寄存单元对应量子比特的测量结果；

在所述操作类型指示所述第二操作信息对应量子操作为重置操作的情况下，将所述第一单元地址对应寄存单元中第四参数的值更新为第三目标值，将所述第二参数的值更新为第四目标值，将所述第三参数的值更新为第五目标值，所述第四参数用于指示量子比特的来源，所述第三目标值指示所述量子比特的来源为所述第一节点，所述第四目标值指示所述寄存单元在信息交互过程中可操作，所述第五目标值指示所述寄存单元对应量子比特的测量结果已清空。

本实施方式中，第二操作信息还包括操作类型，即操作指令中的name。可以根据操作类型执行相应的操作，以保证量子网络协议的等效编译。

具体的，在操作类型指示量子操作为量子门操作的情况下，可直接将第一操作指令[name，which_qubit，parameters，condition]添加到量子电路的操作指令列表的最后，并返回更新后的量子电路的操作指令列表。

而若操作类型指示量子操作为测量操作，在将第一操作指令添加到操作指令列表的同时，还需要针对寄存单元执行额外的操作。具体可以将第一目标值存储至第一单元地址对应寄存单元中用于存储第三参数(即outcome)的位置中，第三参数用于指示所述寄存单元对应量子比特的测量结果。

对于测量操作，由于等效编译时并未真正运行量子电路和量子测量，因此，outcome存储地不是真正的测量结果，而是量子电路中待测量的量子比特的量子位。

若操作类型指示量子操作为重置操作，可以将第一单元地址对应寄存单元中第四参数(即标识符identifier)的值更新为第三目标值，第三目标值可以指示量子比特的来源为第一节点即节点本身，如第三目标值可以为第一节点的节点标识。同时，可以将第二参数的值更新为第四目标值，第四目标值可以为Available，并将第三参数的值更新为第五目标值，第五目标值可以为None。

如此，可以实现量子网络协议中节点本地操作的等效编译。

并且，由于引入量子电路的中间测量和寄存单元的重置操作，因此可以进一步减少全局量子电路所需的量子比特数，可以使得所编译出的量子电路不存在动态的宽度增减，即使进行多轮量子网络协议时，也不会编译出宽度很大的量子电路，从而可以支持量子网络协议的连续多轮执行。

具体地，如图5所示为通过重置操作可减少量子电路所需的量子比特数的比较示意图，图5中上半部分的图表示一个包含两个量子比特的量子电路，经过一些列演化后，对量子比特q1的值进行量子测量，并将测量结果保存。而量子比特q1在经过重置操作后，status更新为Available，即表征寄存单元为空的寄存单元，即量子比特q1的量子态被归为初始量子态|0＞态，从而可以继续用于后续计算中。而如果未引入重置操作，则需要分配一个全新的量子比特q2(如图5中下半部分的图所示)，才能达到与之前相同的计算效果。

以下给出如何将节点的本地量子寄存器上的操作转化为量子网络协议对应的全局量子电路中的第一操作指令。

情况1：第二操作信息指示为单量子比特的操作。

输入：本地单量子比特操作指令[name，address，parameters，condition]；操作指令列表circuit；

输出：加入本地单量子比特操作指令后量子电路的操作指令列表。

步骤1：获取输入值address对应寄存单元中status的值；如果status的值为Available，将其改写为Occupied；如果status的值为Occupied，则不做操作；

步骤2：获取address对应寄存单元中qubit的值，并记录为which_qubit；

步骤3：获取输入值name；如果name＝measure，该操作是测量操作，则将which_qubit写入address所指定寄存单元的outcome位置中，随后将第一操作指令[measure，which_qubit，parameters，condition]添加到量子电路的操作指令列表circuit的最后，并返回更新后量子电路的操作指令列表；

如果name＝reset，该操作为重置操作，可以将第一操作指令[reset，which_qubit，parameters，condition]添加到量子电路的操作指令列表circuit的最后，并返回更新后的量子电路的操作指令列表；之后可以将address对应寄存单元的标识符identifier改写为节点本身，单元状态status改写为Available，同时将outcome的值改写为None；

如果为其他操作，则直接将第一操作指令[name，which_qubit，parameters，condition]添加到量子电路的操作指令列表circuit的最后，并返回更新后的量子电路的操作指令列表。

需要说明的是，在设计量子网络协议时，可以规定所有重置操作均位于测量操作之后。这是由于重置操作会将寄存单元的outcome值清空，因此需要在测量之后、重置之前将测量结果进行本地保存或者发送给相应的接收方。

情况2：第二操作信息指示为双量子比特的操作。

输入：本地双量子比特操作指令[name，address，parameters，condition]；操作指令列表circuit；

输出：加入本地双量子比特操作指令后量子电路的操作指令列表。

步骤1：记address列表的第一个元素为address0，第二个元素为address1，分别获取address0和address1对应的寄存单元中status的值；如果为Available，将其改写为Occupied；如果为Occupied，则不做操作；

步骤2：分别获取address0和address1对应寄存单元中qubit的值，并记录为ctrl和targ；

步骤3：将第一操作指令[name，[ctrl,targ]，parameters，condition]添加到量子电路的操作指令列表circuit的最后，并返回更新后的量子电路的操作指令列表。

可选的，所述第一操作信息用于指示第三节点至第四节点的信息交互，所述第三节点和所述第四节点为所述N个节点中的不同节点，所述第一操作信息包括第三节点对应量子寄存器中寄存单元的第二单元地址；

所述步骤S104具体包括：

获取所述第二单元地址对应寄存单元存储的第一参数的第六目标值，并将所述第二单元地址对应寄存单元存储的第二参数设置为第四目标值；

在查询到所述第四节点对应量子寄存器中存在目标寄存单元的情况下，获取所述目标寄存单元存储的所述第一参数的第七目标值，所述目标寄存单元为存储的所述第二参数的值为所述第四目标值的寄存单元；

基于所述第六目标值和所述第七目标值，生成量子交换门的所述第一操作指令，所述量子交换门用于交换所述第六目标值对应量子比特与所述第七目标值对应量子比特的量子态；

将量子交换门的所述第一操作指令添加至操作指令列表中，得到所述第一信息。

本实施方式中，如图4所示，Alice想要将其持有的量子比特传送给Bob，只需在二者分别持有的量子比特之间执行一个SWAP操作，则Alice所持有的量子态即可传送到Bob处。但同时，Bob也将其持有的量子态传送给了Alice。换句话说，在量子比特的交换过程中，产生了非必要的量子信息传输。如果接收方Bob所持有量子比特是一个空的寄存单元(即量子态处于初始量子态|0＞)，则上述非必要信息传输的问题就可以得到解决。同时，由于发送方Alice在量子比特的互换过程中获得了来自Bob的|0＞态，因此，Alice可以继续在该量子比特上执行后续运算操作。如此，可模拟在不同节点之间进行量子信息传输。

具体的，第一操作信息可以指示两个节点之间的量子比特传输操作，第一操作信息中可以包括第三节点(即发送节点)对应量子寄存器中寄存单元的第二单元地址。

可以获取第二单元地址对应寄存单元存储的第一参数的第六目标值，第六目标值可以为发送节点所需要交换的量子比特的量子位，用qubit0表示。并将第二单元地址对应寄存单元存储的第二参数设置为第四目标值，第四目标值可以为Available。

在查询到第四节点对应量子寄存器中存在目标寄存单元(即空的寄存单元)的情况下，获取目标寄存单元存储的第一参数的第七目标值，第七目标值可以为第四节点(即接收节点)所需要交换的量子比特的量子位，用qubit1表示。

基于第六目标值和第七目标值，可以生成量子交换门的第一操作指令，为[SWAP，which_qubit，None，None]。其中，which_qubit＝[qubit0，qubit1]。相应的，将量子交换门的第一操作指令添加至量子电路的操作指令列表最后，并返回更新后的量子电路的操作指令列表。

如此，可以实现量子网络协议中不同节点之间进行量子信息传输的第一操作信息的等效编译，从而实现量子网络协议至量子电路的转换。

可选的，所述获取所述目标寄存单元存储的所述第一参数的第七目标值之后，还包括：

将所述目标寄存单元中存储的第四参数的值更新为第八目标值，所述第八目标值用于指示所述目标寄存单元对应的量子比特由所述第三节点发送得到；

将所述目标寄存单元中存储的第二参数的值更新为第二目标值。

本实施方式中，可以将目标寄存单元的第四参数(即标识符identifier)的值更新为第八目标值，可以为量子比特的发送节点(即第三节点)的标识，单元状态status设置为第二目标值(即Occupied)。

如此，可以保证第一操作信息的等效编译的正常进行。

可选的，所述目标寄存单元为存储的所述第二参数的值为所述第四目标值的寄存单元中单元地址最小的寄存单元。

本实施方式中，通过在第四节点接收量子比特时，将第三节点的量子比特互换至第四节点对应的量子寄存器中地址最小的空闲存储单元，这样可以保证所有量子比特的互换逻辑一致，保证等效编译的准确性和效率。

以下详细介绍通过SWAP门等效实现量子信息在两个节点间的传输。

输入：源节点src及目的节点dst，待传输的量子比特所在寄存单元的单元地址address，操作指令列表circuit；

输出：加入SWAP操作指令后量子电路的操作指令列表。

步骤1：搜索输入的单元地址address对应寄存单元，将该寄存单元的qubit值记为qubit0，并将该寄存单元的单元状态status设置为Available；

步骤2：查询目的节点dst对应量子寄存器中address值最小的空闲寄存单元(即单元状态status＝Available的寄存单元)；若存在空闲寄存单元，则将该寄存单元的qubit值记录为qubit1，将该寄存单元的标识符identifier改写为源节点src，单元状态status设置为Occupied；若不存在空闲寄存单元，则说明目的节点dst无法接受当前的量子比特传输，需要拒绝当前的量子比特传输操作并返回错误提示；

步骤3：生成交换双方的量子位信息列表which_qubit＝[qubit0,qubit1]；

步骤4：创建一个SWAP门的第一操作指令[SWAP，which_qubit，None，None]，将其添加至量子电路的操作指令列表circuit的最后，并返回更新后的量子电路的操作指令列表。

需要说明的是，单元状态status用于标识寄存单元的可操作状态：对于量子比特的接收方，只有status＝Available的寄存单元才可以接受量子信息。每次传输量子信息前，需查询并选取目的节点的空闲寄存单元(status＝Available的寄存单元)来进行量子比特的接收，而无需引入额外辅助比特作为通讯单元，这样可以尽可能减少量子电路宽度。

可选的，所述步骤S103具体包括：

基于所述目标数量，确定用于表征所述量子电路中量子比特的所述第一量子位；

按照所述量子网络协议中所述N个节点对于信息处理的先后顺序，依次将所述第一量子位写入至各节点对应量子寄存器的寄存单元中。

本实施方式中，通过按照量子网络协议中N个节点对于信息处理的先后顺序，依次将第一量子位写入至各节点对应量子寄存器的寄存单元中(如写入至寄存单元的qubit值中)，如此，可以实现在每个节点的量子寄存器中存储其对应全局量子电路的量子位信息，进而将不同节点中量子寄存器的操作相互关联。

量子网络协议至广义量子电路的具体转换过程如下：

输入：量子网络协议。

输出：广义量子电路。

步骤1：初始化各节点本地量子寄存器，具体可以获取所有节点本地寄存单元的总数，记录为width，按照各节点创建的先后顺序，依次将0至width-1分别写入各节点的寄存单元的qubit值中，以构建本地量子寄存器和全局量子电路的量子位之间的关联；

步骤2：创建一个空的操作指令列表circuit；

步骤3：调用量子寄存器上的操作指令至量子电路的操作指令的等效编译，将量子网络协议的操作指令依次逐步映射成量子电路的操作指令并更新操作指令列表circuit；

步骤4：返回完整的操作指令列表。

以下以量子隐形传态协议的具体示例，详细介绍本实施例中的量子网络协议仿真方法。

具体的协议流程如下：

1.Alice制备其想要传输给Bob的量子态|ψ>＝α|0>+β|1>；

2.Alice与Bob共享一对纠缠的Bell态

3.Alice对其持有的两个粒子(想要传输的粒子与Bell state中的第一个粒子)进行联合测量；

4.Alice根据测量结果，通过经典信道发送两个比特的经典信息(00，01，10，11)给Bob；

5.Bob根据所收到的经典信息，对所持有的粒子(Bell state中的第二个粒子)进行相应的泡利门操作(I，X，Z，XZ)，从而恢复Alice想要传输的量子态。

将上述协议转化为广义量子电路的流程如下：

步骤1：根据协议需求，初始化各节点本地的量子寄存器。如图6所示，在量子隐形传态协议中，Alice需要用到两个寄存单元，纠缠源Charlie需要两个寄存单元，Bob需要一个寄存单元，按照此顺序，依次为其分配全局量子比特位0-4。

同时初始化量子电路的操作指令列表，为circuit＝[]。

步骤2：Alice在本地制备想要传输的量子态|ψ>，并向Charlie发起纠缠分发请求。调用单比特量子操作映射算法(即第二操作信息至第一操作指令的等效编译，第二操作信息指示单量子比特的操作)，在Alice的本地寄存单元Unit0上作用单量子比特U3门(设可以使用该量子门进行Alice的量子态制备)，此时，量子寄存器的状态如图7所示。

量子电路的操作指令列表更新为circuit＝[[U3,0,[α,β,γ]],None,None]。

步骤3：Charlie本地制备Bell态|Φ⁺>。调用单比特量子操作映射算法和双比特量子操作映射算法(即第二操作信息至第一操作指令的等效编译)，在Charlie的本地寄存单元Unit0和Unit1上作用制备Bell态的量子门，分别为H门和CNOT门，此时，量子寄存器的状态如图8所示。

量子电路的操作指令列表更新为circuit＝[[U3,0,[α,β,γ],None,None],[H,2,None,None],[CNOT,[2,3],None,None]]。

步骤4：Charlie将纠缠态分发给Alice和Bob。调用基于SWAP门的量子比特传输算法(即第一操作信息至第一操作指令的等效编译)，搜索接收方地址最小的空闲寄存单元，其空闲寄存单元分别可以为Alice本地的Unit1与Bob本地的Unit0，在相应量子位上创建双量子比特SWAP门，完成等效量子比特传输，并改写寄存单元的标识符和单元状态，此时，量子寄存器的状态如图9所示。

量子电路的操作指令列表更新为circuit＝[[U3,0,[α,β,γ],None,None],[H,2,None,None],[CNOT,[2,3],None,None],[SWAP,[1,2],None,None],[SWAP,[3,4],None,None]]。

步骤5：Alice在本地量子寄存器上执行Bell态测量。调用单比特量子操作映射算法和双比特量子操作映射算法，添加相应的量子门，此时，量子寄存器的状态如图10所示。

量子电路的操作指令列表更新为circuit＝[[U3,0,[α,β,γ],None,None],[H,2,None,None],[CNOT,[2,3],None,None],[SWAP,[1,2],None,None],[SWAP,[3,4],None,None],[CNOT,[0,1],None,None],[H,0,None,None],[measure,0,None,None],[measure,1,None,None]]。

步骤6：根据Alice的测量结果，Bob对持有的量子比特进行恢复操作(即作用经典控制量子门)。调用单比特量子操作映射算法，添加相应的经典控制量子门。之后，Bob对该量子态进行测量，此时，量子寄存器的状态如图11所示。

量子电路的操作指令列表更新为circuit＝[[U3,0,[α,β,γ],None,None],[H,2,None,None],[CNOT,[2,3],None,None],[SWAP,[1,2],None,None],[SWAP,[3,4],None,None],[CNOT,[0,1],None,None],[H,0,None,None],[measure,0,None,None],[measure,1,None,None],[X,4,None,1],[Z,4,None,0],[measure,4,None,None]]。

步骤7：Alice和Bob将量子寄存器重置，准备进行下一轮协议，此时，量子寄存器的状态如图6所示，即恢复至量子寄存器的初始状态。

量子电路的操作指令列表更新为circuit＝[[U3,0,[α,β,γ],None,None],[H,2,None,None],[CNOT,[2,3],None,None],[SWAP,[1,2],None,None],[SWAP,[3,4],None,None],[CNOT,[0,1],None,None],[H,0,None,None],[measure,0,None,None],[measure,1,None,None],[X,4,None,1],[Z,4,None,0],[measure,4,None,None],[reset,0,None,None],[reset,1,None,None],[reset,4,None,None]]。

根据上述量子电路的操作指令列表生成的全局广义量子电路如图12所示。经过上述步骤后，全局量子电路各量子位均处于零态，各节点本地量子寄存器与全局量子电路的量子位一一对应，且均处于可操作(Available)状态，可以进行下一次轮次的量子隐形传态协议。

第二实施例

如图13所示，本公开提供一种量子网络协议仿真装置1300，包括：

第一获取模块1301，用于获取量子网络协议的操作信息，所述量子网络协议用于在N个节点之间进行信息处理，N为大于1的整数；

确定模块1302，用于基于所述操作信息，确定所述N个节点一一对应的N个量子寄存器中寄存单元的目标数量，所述N个量子寄存器用于所述N个节点之间进行信息处理；

分配模块1303，用于基于所述目标数量，分配每个节点对应量子寄存器中寄存单元的第一量子位；

转换模块1304，用于基于所述操作信息，对所述量子网络协议进行转换，得到第一信息，所述第一信息包括第一操作指令，所述第一操作指令指示与所述量子网络协议等效的量子电路的量子操作，所述操作信息指示的寄存单元与所述量子电路中的量子比特一一对应，且所述操作信息指示的寄存单元中所述第一量子位与所述第一操作指令指示的第二量子位一一对应，所述第一信息包括量子交换门的第一操作指令，所述量子交换门的第一操作指令是对所述操作信息中第一操作信息进行转换得到的，所述第一操作信息用于指示所述N个节点中不同节点之间的信息交互；

运行模块1305，用于基于所述第一信息运行所述第一信息对应的量子电路，得到仿真结果，所述仿真结果用于表征基于所述量子网络协议进行信息处理后得到的结果。

可选的，所述操作信息还包括第二操作信息，所述第二操作信息包括第一节点对应量子寄存器中寄存单元的第一单元地址，所述第一节点为所述N个节点中的一节点，所述第二操作信息用于对所述第一节点的量子比特进行信息处理，所述寄存单元存储有第一参数，所述第一参数用于指示所述寄存单元对应量子比特的所述第一量子位；所述转换模块1304包括：

第一获取单元，用于获取所述第一单元地址对应寄存单元存储的所述第一参数的第一目标值；

确定单元，用于将所述第一目标值确定为量子操作的量子位，得到所述第一操作指令；

第一添加单元，用于将所述第一操作指令添加至操作指令列表中，得到所述第一信息，所述操作指令列表包括：转换时间在所述第一操作指令之前，且指示所述第一量子电路的量子操作的操作指令。

可选的，所述寄存单元还存储有第二参数，所述第二参数用于指示所述寄存单元在所述第一节点与第二节点之间的信息交互过程中的可操作状态，所述第二节点为所述N个节点中与所述第一节点不同的节点，所述装置还包括：

第二获取模块，用于获取所述第一单元地址对应寄存单元存储的所述第二参数的值；

第一更新模块，用于在所述第二参数的值指示所述寄存单元在信息交互过程中可操作的情况下，将所述第二参数的值更新为第二目标值；

其中，所述第二目标值指示所述寄存单元在信息交互过程中不可操作。

可选的，所述第二操作信息还包括操作类型，所述装置还包括：

存储模块，用于在所述操作类型指示所述第二操作信息对应量子操作为测量操作的情况下，将所述第一目标值存储至所述第一单元地址对应寄存单元中用于存储第三参数的位置中，所述第三参数用于指示所述寄存单元对应量子比特的测量结果；

第二更新模块，用于在所述操作类型指示所述第二操作信息对应量子操作为重置操作的情况下，将所述第一单元地址对应寄存单元中第四参数的值更新为第三目标值，将所述第二参数的值更新为第四目标值，将所述第三参数的值更新为第五目标值，所述第四参数用于指示量子比特的来源，所述第三目标值指示所述量子比特的来源为所述第一节点，所述第四目标值指示所述寄存单元在信息交互过程中可操作，所述第五目标值指示所述寄存单元对应量子比特的测量结果已清空。

可选的，所述第一操作信息用于指示第三节点至第四节点的信息交互，所述第三节点和所述第四节点为所述N个节点中的不同节点，所述第一操作信息包括第三节点对应量子寄存器中寄存单元的第二单元地址；所述转换模块1304包括：

第二获取单元，用于获取所述第二单元地址对应寄存单元存储的第一参数的第六目标值，并将所述第二单元地址对应寄存单元存储的第二参数设置为第四目标值；

第三获取单元，用于在查询到所述第四节点对应量子寄存器中存在目标寄存单元的情况下，获取所述目标寄存单元存储的所述第一参数的第七目标值，所述目标寄存单元为存储的所述第二参数的值为所述第四目标值的寄存单元；

生成单元，用于基于所述第六目标值和所述第七目标值，生成量子交换门的所述第一操作指令，所述量子交换门用于交换所述第六目标值对应量子比特与所述第七目标值对应量子比特的量子态；

第二添加单元，用于将量子交换门的所述第一操作指令添加至操作指令列表中，得到所述第一信息。

可选的，还包括：

第三更新模块，用于将所述目标寄存单元中存储的第四参数的值更新为第八目标值，所述第八目标值用于指示所述目标寄存单元对应的量子比特由所述第三节点发送得到；

第四更新模块，用于将所述目标寄存单元中存储的第二参数的值更新为第二目标值。

可选的，所述目标寄存单元为存储的所述第二参数的值为所述第四目标值的寄存单元中单元地址最小的寄存单元。

可选的，所述分配模块1303，具体用于：

基于所述目标数量，确定用于表征所述量子电路中量子比特的所述第一量子位；

按照所述量子网络协议中所述N个节点对于信息处理的先后顺序，依次将所述第一量子位写入至各节点对应量子寄存器的寄存单元中。

本公开提供的量子网络协议仿真装置1300能够实现量子网络协议仿真方法实施例实现的各个过程，且能够达到相同的有益效果，为避免重复，这里不再赘述。

本公开的技术方案中，所涉及的用户个人信息的收集、存储、使用、加工、传输、提供和公开等处理，均符合相关法律法规的规定，且不违背公序良俗。

根据本公开的实施例，本公开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。

图14示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备的示意性框图。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/或者要求的本公开的实现。

如图14所示，设备1400包括计算单元1401，其可以根据存储在只读存储器(ROM)1402中的计算机程序或者从存储单元1408加载到随机访问存储器(RAM)1403中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 1403中，还可存储设备1400操作所需的各种程序和数据。计算单元1401、ROM 1402以及RAM 1403通过总线1404彼此相连。输入/输出(I/O)接口1405也连接至总线1404。

设备1400中的多个部件连接至I/O接口1405，包括：输入单元1406，例如键盘、鼠标等；输出单元1407，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元1408，例如磁盘、光盘等；以及通信单元1409，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元1409允许设备1400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。

计算单元1401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1401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1401执行上文所描述的各个方法和处理，例如量子网络协议仿真方法。例如，在一些实施例中，量子网络协议仿真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1408。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 1402和/或通信单元1409而被载入和/或安装到设备1400上。当计算机程序加载到RAM 1403并由计算单元1401执行时，可以执行上文描述的量子网络协议仿真方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元1401可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行量子网络协议仿真方法。

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。服务器可以是云服务器，也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。

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执行也可以不同的次序执行，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。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。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。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (18)

1.一种量子网络协议仿真方法，包括：

获取量子网络协议的操作信息，所述量子网络协议用于在N个节点之间进行信息处理，N为大于1的整数；

基于所述操作信息，确定所述N个节点一一对应的N个量子寄存器中寄存单元的目标数量，所述N个量子寄存器用于所述N个节点之间进行信息处理；

基于所述目标数量，分配每个节点对应量子寄存器中寄存单元的第一量子位；

基于所述操作信息，对所述量子网络协议进行转换，得到第一信息，所述第一信息包括第一操作指令，所述第一操作指令指示与所述量子网络协议等效的量子电路的量子操作，所述操作信息指示的寄存单元与所述量子电路中的量子比特一一对应，且所述操作信息指示的寄存单元中所述第一量子位与所述第一操作指令指示的第二量子位一一对应，所述第一信息包括量子交换门的第一操作指令，所述量子交换门的第一操作指令是对所述操作信息中第一操作信息进行转换得到的，所述第一操作信息用于指示所述N个节点中不同节点之间的信息交互；

基于所述第一信息运行所述第一信息对应的量子电路，得到仿真结果，所述仿真结果用于表征基于所述量子网络协议进行信息处理后得到的结果；

量子网络协议的操作信息包括量子网络协议的各量子寄存器上的操作指令以及量子比特传输操作的操作指令，量子网络协议的操作信息通过量子网络协议的操作指令的有序列表来表征；所述基于所述操作信息，对所述量子网络协议进行转换，得到第一信息，包括：

针对量子网络协议的操作指令的有序列表，按照有序列表中操作指令的排列顺序，分别等效编译成量子电路的第一操作指令，将第一操作指令顺序排列得到另一有序列表，得到第一信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述操作信息还包括第二操作信息，所述第二操作信息包括第一节点对应量子寄存器中寄存单元的第一单元地址，所述第一节点为所述N个节点中的一节点，所述第二操作信息用于对所述第一节点的量子比特进行信息处理，所述寄存单元存储有第一参数，所述第一参数用于指示所述寄存单元对应量子比特的所述第一量子位；

所述基于所述操作信息，对所述量子网络协议进行转换，得到第一信息，包括：

获取所述第一单元地址对应寄存单元存储的所述第一参数的第一目标值；

将所述第一目标值确定为量子操作的量子位，得到所述第一操作指令；

将所述第一操作指令添加至操作指令列表中，得到所述第一信息，所述操作指令列表包括：转换时间在所述第一操作指令之前，且指示所述量子电路的量子操作的操作指令。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述寄存单元还存储有第二参数，所述第二参数用于指示所述寄存单元在所述第一节点与第二节点之间的信息交互过程中的可操作状态，所述第二节点为所述N个节点中与所述第一节点不同的节点，所述方法还包括：

获取所述第一单元地址对应寄存单元存储的所述第二参数的值；

在所述第二参数的值指示所述寄存单元在信息交互过程中可操作的情况下，将所述第二参数的值更新为第二目标值；

其中，所述第二目标值指示所述寄存单元在信息交互过程中不可操作；

所述可操作表示所述寄存单元对应的量子比特与其他节点上的量子比特可进行量子态的互换，所述不可操作表示所述寄存单元对应的量子比特与其他节点上的量子比特不可进行量子态的互换。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第二操作信息还包括操作类型，所述将所述第二参数的值更新为第二目标值之后，所述方法还包括以下至少一项：

在所述操作类型指示所述第二操作信息对应量子操作为测量操作的情况下，将所述第一目标值存储至所述第一单元地址对应寄存单元中用于存储第三参数的位置中，所述第三参数用于指示所述寄存单元对应量子比特的测量结果；

在所述操作类型指示所述第二操作信息对应量子操作为重置操作的情况下，将所述第一单元地址对应寄存单元中第四参数的值更新为第三目标值，将所述第二参数的值更新为第四目标值，将所述第三参数的值更新为第五目标值，所述第四参数用于指示量子比特的来源，所述第三目标值指示所述量子比特的来源为所述第一节点，所述第四目标值指示所述寄存单元在信息交互过程中可操作，所述第五目标值指示所述寄存单元对应量子比特的测量结果已清空。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一操作信息用于指示第三节点至第四节点的信息交互，所述第三节点和所述第四节点为所述N个节点中的不同节点，所述第一操作信息包括第三节点对应量子寄存器中寄存单元的第二单元地址；

所述基于所述操作信息，对所述量子网络协议进行转换，得到第一信息，包括：

获取所述第二单元地址对应寄存单元存储的第一参数的第六目标值，并将所述第二单元地址对应寄存单元存储的第二参数设置为第四目标值；

在查询到所述第四节点对应量子寄存器中存在目标寄存单元的情况下，获取所述目标寄存单元存储的所述第一参数的第七目标值，所述目标寄存单元为存储的所述第二参数的值为所述第四目标值的寄存单元；

基于所述第六目标值和所述第七目标值，生成量子交换门的所述第一操作指令，所述量子交换门用于交换所述第六目标值对应量子比特与所述第七目标值对应量子比特的量子态；

将量子交换门的所述第一操作指令添加至操作指令列表中，得到所述第一信息；

所述第一参数用于指示所述寄存单元对应量子比特的所述第一量子位，所述第二参数用于指示所述寄存单元在第一节点与第二节点之间的信息交互过程中的可操作状态，所述第四目标值指示所述寄存单元在信息交互过程中可操作，所述可操作表示所述寄存单元对应的量子比特与其他节点上的量子比特可进行量子态的互换，所述第一节点为所述N个节点中的一节点，所述第二节点为所述N个节点中与所述第一节点不同的节点。

6.根据权利要求5所述的方法，所述获取所述目标寄存单元存储的所述第一参数的第七目标值之后，还包括：

将所述目标寄存单元中存储的第四参数的值更新为第八目标值，所述第八目标值用于指示所述目标寄存单元对应的量子比特由所述第三节点发送得到；

将所述目标寄存单元中存储的第二参数的值更新为第二目标值；

所述第四参数用于指示量子比特的来源，所述第二目标值指示所述寄存单元在信息交互过程中不可操作，所述不可操作表示所述寄存单元对应的量子比特与其他节点上的量子比特不可进行量子态的互换。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述目标寄存单元为：存储所述第二参数的值为所述第四目标值的寄存单元中单元地址最小的寄存单元。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于所述目标数量，分配每个节点对应量子寄存器中寄存单元的第一量子位，包括：

基于所述目标数量，确定用于表征所述量子电路中量子比特的所述第一量子位；

按照所述量子网络协议中所述N个节点对信息处理的先后顺序，依次将所述第一量子位写入至各节点对应量子寄存器的寄存单元中。

9.一种量子网络协议仿真装置，包括：

第一获取模块，用于获取量子网络协议的操作信息，所述量子网络协议用于在N个节点之间进行信息处理，N为大于1的整数；

确定模块，用于基于所述操作信息，确定所述N个节点一一对应的N个量子寄存器中寄存单元的目标数量，所述N个量子寄存器用于所述N个节点之间进行信息处理；

分配模块，用于基于所述目标数量，分配每个节点对应量子寄存器中寄存单元的第一量子位；

转换模块，用于基于所述操作信息，对所述量子网络协议进行转换，得到第一信息，所述第一信息包括第一操作指令，所述第一操作指令指示与所述量子网络协议等效的量子电路的量子操作，所述操作信息指示的寄存单元与所述量子电路中的量子比特一一对应，且所述操作信息指示的寄存单元中所述第一量子位与所述第一操作指令指示的第二量子位一一对应，所述第一信息包括量子交换门的第一操作指令，所述量子交换门的第一操作指令是对所述操作信息中第一操作信息进行转换得到的，所述第一操作信息用于指示所述N个节点中不同节点之间的信息交互；

运行模块，用于基于所述第一信息运行所述第一信息对应的量子电路，得到仿真结果，所述仿真结果用于表征基于所述量子网络协议进行信息处理后得到的结果；

量子网络协议的操作信息包括量子网络协议的各量子寄存器上的操作指令以及量子比特传输操作的操作指令，量子网络协议的操作信息通过量子网络协议的操作指令的有序列表来表征；所述转换模块，具体用于：

针对量子网络协议的操作指令的有序列表，按照有序列表中操作指令的排列顺序，分别等效编译成量子电路的第一操作指令，将第一操作指令顺序排列得到另一有序列表，得到第一信息。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述操作信息还包括第二操作信息，所述第二操作信息包括第一节点对应量子寄存器中寄存单元的第一单元地址，所述第一节点为所述N个节点中的一节点，所述第二操作信息用于对所述第一节点的量子比特进行信息处理，所述寄存单元存储有第一参数，所述第一参数用于指示所述寄存单元对应量子比特的所述第一量子位；所述转换模块包括：

第一获取单元，用于获取所述第一单元地址对应寄存单元存储的所述第一参数的第一目标值；

确定单元，用于将所述第一目标值确定为量子操作的量子位，得到所述第一操作指令；

第一添加单元，用于将所述第一操作指令添加至操作指令列表中，得到所述第一信息，所述操作指令列表包括：转换时间在所述第一操作指令之前，且指示所述量子电路的量子操作的操作指令。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述寄存单元还存储有第二参数，所述第二参数用于指示所述寄存单元在所述第一节点与第二节点之间的信息交互过程中的可操作状态，所述第二节点为所述N个节点中与所述第一节点不同的节点，所述装置还包括：

第二获取模块，用于获取所述第一单元地址对应寄存单元存储的所述第二参数的值；

第一更新模块，用于在所述第二参数的值指示所述寄存单元在信息交互过程中可操作的情况下，将所述第二参数的值更新为第二目标值；

其中，所述第二目标值指示所述寄存单元在信息交互过程中不可操作；

所述可操作表示所述寄存单元对应的量子比特与其他节点上的量子比特可进行量子态的互换，所述不可操作表示所述寄存单元对应的量子比特与其他节点上的量子比特不可进行量子态的互换。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述第二操作信息还包括操作类型，所述装置还包括：

存储模块，用于在所述操作类型指示所述第二操作信息对应量子操作为测量操作的情况下，将所述第一目标值存储至所述第一单元地址对应寄存单元中用于存储第三参数的位置中，所述第三参数用于指示所述寄存单元对应量子比特的测量结果；

第二更新模块，用于在所述操作类型指示所述第二操作信息对应量子操作为重置操作的情况下，将所述第一单元地址对应寄存单元中第四参数的值更新为第三目标值，将所述第二参数的值更新为第四目标值，将所述第三参数的值更新为第五目标值，所述第四参数用于指示量子比特的来源，所述第三目标值指示所述量子比特的来源为所述第一节点，所述第四目标值指示所述寄存单元在信息交互过程中可操作，所述第五目标值指示所述寄存单元对应量子比特的测量结果已清空。

13.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第一操作信息用于指示第三节点至第四节点的信息交互，所述第三节点和所述第四节点为所述N个节点中的不同节点，所述第一操作信息包括第三节点对应量子寄存器中寄存单元的第二单元地址；所述转换模块包括：

第二获取单元，用于获取所述第二单元地址对应寄存单元存储的第一参数的第六目标值，并将所述第二单元地址对应寄存单元存储的第二参数设置为第四目标值；

第三获取单元，用于在查询到所述第四节点对应量子寄存器中存在目标寄存单元的情况下，获取所述目标寄存单元存储的所述第一参数的第七目标值，所述目标寄存单元为存储的所述第二参数的值为所述第四目标值的寄存单元；

生成单元，用于基于所述第六目标值和所述第七目标值，生成量子交换门的所述第一操作指令，所述量子交换门用于交换所述第六目标值对应量子比特与所述第七目标值对应量子比特的量子态；

第二添加单元，用于将量子交换门的所述第一操作指令添加至操作指令列表中，得到所述第一信息；

所述第一参数用于指示所述寄存单元对应量子比特的所述第一量子位，所述第二参数用于指示所述寄存单元在第一节点与第二节点之间的信息交互过程中的可操作状态，所述第四目标值指示所述寄存单元在信息交互过程中可操作，所述可操作表示所述寄存单元对应的量子比特与其他节点上的量子比特可进行量子态的互换，所述第一节点为所述N个节点中的一节点，所述第二节点为所述N个节点中与所述第一节点不同的节点。

14.根据权利要求13所述的装置，还包括：

第三更新模块，用于将所述目标寄存单元中存储的第四参数的值更新为第八目标值，所述第八目标值用于指示所述目标寄存单元对应的量子比特由所述第三节点发送得到；

第四更新模块，用于将所述目标寄存单元中存储的第二参数的值更新为第二目标值；

所述第四参数用于指示量子比特的来源，所述第二目标值指示所述寄存单元在信息交互过程中不可操作，所述不可操作表示所述寄存单元对应的量子比特与其他节点上的量子比特不可进行量子态的互换。

15.根据权利要求13所述的装置，其中，所述目标寄存单元为：存储所述第二参数的值为所述第四目标值的寄存单元中单元地址最小的寄存单元。

16.根据权利要求9所述的装置，其中，所述分配模块，具体用于：

基于所述目标数量，确定用于表征所述量子电路中量子比特的所述第一量子位；

按照所述量子网络协议中所述N个节点对信息处理的先后顺序，依次将所述第一量子位写入至各节点对应量子寄存器的寄存单元中。

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。