CN116258207A - 量子操作的处理方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

量子操作的处理方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本公开提供了量子操作的处理方法、装置、设备及存储介质，涉及计算机技术领域，尤其涉及量子芯片、量子测量与控制技术领域。具体实现方案为：确定待排布的量子线路所对应的目标有向无环图，目标有向无环图以量子线路所包含的N个量子操作中各量子操作为节点，目标有向无环图所包含的节点至节点之间的有向实线边表示以下之一：N个量子操作中需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间的顺序关系，需要处理串扰冲突的两个量子操作之间的顺序关系；基于目标有向无环图所包含的有向实线边，得到目标线性约束条件；在量子操作的起始时间作为待处理参数的情况下，利用所述目标线性约束条件，得到N个量子操作中各量子操作的目标起始时间。

Description

量子操作的处理方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本公开涉及计算机技术领域，尤其涉及量子芯片、量子测量与控制技术领域。
背景技术
量子计算是一种全新的计算范式，可以有效地解决某些经典计算机不能有效解决的问题，即具有量子优势，也因此具有非常广泛的应用前景。当前，在中等规模带噪声量子(Noisy Intermediate-Scale Quantum，NISQ)时代，面临的主要挑战之一是如何在较高噪声水平下，使用量子计算机解决实际问题。而实现该挑战的一个主要方向是量子线路的优化。
发明内容
本公开提供了一种用于量子操作的处理方法、装置、设备以及存储介质。
根据本公开的一方面，提供了一种量子操作的处理方法，包括：
确定待排布的量子线路所对应的目标有向无环图，其中，所述目标有向无环图以所述量子线路所包含的N个量子操作中各量子操作为节点，所述目标有向无环图所包含的节点至节点之间的有向实线边表示以下之一：所述N个量子操作中需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间的顺序关系，所述N个量子操作中需要处理串扰冲突的两个量子操作之间的顺序关系；
基于所述目标有向无环图所包含的有向实线边，得到目标线性约束条件，其中，所述目标线性约束条件用于约束以下信息：所述N个量子操作中需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间各量子操作的起始时间，所述N个量子操作中存在串扰冲突的两个量子操作之间各量子操作的起始时间；
在量子操作的起始时间作为待处理参数的情况下，利用所述目标线性约束条件，得到所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间。
根据本公开的另一方面，提供了一种量子操作的处理装置，包括：
处理单元，用于确定待排布的量子线路所对应的目标有向无环图，其中，所述目标有向无环图以所述量子线路所包含的N个量子操作中各量子操作为节点，所述目标有向无环图所包含的节点至节点之间的有向实线边表示以下之一：所述N个量子操作中需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间的顺序关系，所述N个量子操作中需要处理串扰冲突的两个量子操作之间的顺序关系；基于所述目标有向无环图所包含的有向实线边，得到目标线性约束条件，其中，所述目标线性约束条件用于约束以下信息：所述N个量子操作中需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间各量子操作的起始时间，所述N个量子操作中存在串扰冲突的两个量子操作之间各量子操作的起始时间；在量子操作的起始时间作为待处理参数的情况下，利用所述目标线性约束条件，得到所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间；
输出单元，用于输出所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间。
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
与该至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
该存储器存储有可被该至少一个处理器执行的指令，该指令被该至少一个处理器执行，以使该至少一个处理器能够执行本公开中任一实施例的方法。
根据本公开的另一方面，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，其中，该计算机指令用于使该计算机执行根据本公开中任一实施例的方法。
根据本公开的另一方面，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根据本公开中任一实施例的方法。
这样，本公开方案通过目标有向无环图得到目标线性约束条件，进而得到所述量子线路中各量子操作的目标起始时间；如此，为实现量子线路的排布，提供了一种可行方案；而且，在不影响量子线路的正确性的前提下，可以有效避免量子操作之间的串扰冲突。
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是根据本申请一实施例量子操作的处理方法的示意性流程图一；
图2(a)和图(b)是根据本申请一实施例在一示例中的量子线路优化前与优化后的效果示意图；
图3是根据本申请一实施例量子操作的处理方法的示意性流程图二；
图4(a)至图4(e)是根据本申请一实施例得到目标有向无环图的流程示意图；
图5是根据本公开实施例量子操作的处理方法在一具体实施例中的实现流程示意图；
图6是根据本公开实施例量子操作的处理装置的结构示意图；
图7是用来实现本公开实施例的量子操作的处理方法的电子设备的框图。
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。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。本文中术语“第一”、“第二”表示指代多个类似的技术用语并对其进行区分，并不是限定顺序的意思，或者限定只有两个的意思，例如，第一特征和第二特征，是指代有两类/两个特征，第一特征可以为一个或多个，第二特征也可以为一个或多个。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，缺少某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
量子计算是一种全新的计算范式，可以有效地解决某些经典计算机不能有效解决的问题，即具有量子优势，具有非常广泛的应用前景。然而当今在物理上实际实现的量子计算机，能力非常有限，距离大规模通用量子计算机还有一定的距离。当前在物理上实现的量子计算机是中等规模含噪声的量子计算机，这个时代称为中等规模带噪声量子(NoisyIntermediate-Scale Quantum，NISQ)时代。在NISQ时代，面临的主要挑战之一是如何在较高噪声水平下，使用量子计算机解决实际问题。而实现该挑战的一个主要方向是量子线路的优化。
以下对本公开方案所需的基本概念进行说明：
(一)量子线路
量子线路主要由量子操作(如包括量子逻辑门和量子测量)构成，而量子操作可用以实现对量子比特的基本操作。基于此，可使用量子线路来编写相关的量子算法。这里，量子线路执行的性能，会直接影响量子算法的实际效果。因此，需要对量子线路进行优化，以降低运行错误。
量子线路中量子操作的排布是量子线路进行优化的一个重要方向。这里，所述量子操作的排布是指在不影响量子线路运行结果正确性的前提下，通过改变量子操作本身或者量子操作的位置的方式，达到重新排布量子操作的目的，如此，来避免串扰错误(也即串扰冲突)和抑制量子线路的退相干错误。需要指出的是，由于每个量子操作的持续时间是已知的，因此，改变量子操作的位置，可具体为改变量子操作的起始时间。
(二)优化量子线路的原则，包括正确性限制规则、串扰冲突限制规则以及退相干错误。
(1)正确性限制规则
实际场景中，若两个量子操作所作用的量子比特中含有相同的量子比特，则含有相同量子比特的两个量子操作的先后顺序，必须得到确定，以保证量子线路的正确性，本公开方案称为正确性限制规则，是优化量子线路所遵守的原则之一。
(2)串扰冲突限制规则
优化量子线路还可遵守的原则包括串扰冲突限制；由于量子芯片的限制，量子线路中的某些量子操作之间存在一定的冲突，比如，某些量子操作在被同时激活时会存在较大的错误，可称为串扰错误，因此不能同时使用存在串扰错误的这些量子操作，换言之，避免这些量子操作在操作时间上的重叠，这里，量子操作的操作时间是指从量子操作的起始时间到结束时间的这一时间段；基于此，本公开方案将量子线路中某些量子操作由于存在串扰错误使得在操作时间上不能有重叠的这一限制称为串扰冲突限制。
(3)退相干错误
量子线路中量子操作的排布还会影响量子线路的退相干错误，而退相干错误导致量子状态随着时间变化偏离原本的量子态，即产生了退相干错误，使计算结果不再可靠，比如，对于一个超导量子比特，初始量子态为|1>，此时进行完美测量，测量得到1的概率为100％；经过一段时间后，由于退相干错误的存在，此时即使进行完美测量，也会有一定的概率得到0，使测量结果不再可靠。退相干错误随着时间的增加而增加，因此，在排布量子操作位置的过程中要尽可能抑制退相干错误。
基于此，本公开方案提出了一种基于线性规划的量子操作排布方法，以实现在量子线路中的量子操作的排布。
具体地，图1是根据本申请一实施例量子操作的处理方法的示意性流程图一。该方法可选地可以应用于经典计算设备，比如，个人电脑、服务器、服务器集群等具有经典计算能力的电子设备中。进一步地，该方法包括以下内容的至少部分内容。具体地，如图1所示，包括：
步骤S101：确定待排布的量子线路所对应的目标有向无环图。
这里，所述目标有向无环图以所述量子线路所包含的N个量子操作中各量子操作为节点，所述目标有向无环图所包含的节点至节点之间的有向实线边表示以下之一：所述N个量子操作中需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间的顺序关系，所述N个量子操作中需要处理串扰冲突的两个量子操作之间的顺序关系。
步骤S102：基于所述目标有向无环图所包含的有向实线边，得到目标线性约束条件。
这里，所述目标线性约束条件用于约束以下信息：所述N个量子操作中需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间各量子操作的起始时间，所述N个量子操作中存在串扰冲突的两个量子操作之间各量子操作的起始时间。这里，所述N为大于等于2的正整数。
步骤S103：在量子操作的起始时间作为待处理参数的情况下，利用所述目标线性约束条件，得到所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间。
这样，本公开方案通过目标有向无环图，得到目标线性约束条件，进而得到所述量子线路中各量子操作的目标起始时间；如此，为实现量子线路的排布，提供了一种可行方案；而且，在不影响量子线路的正确性的前提下，可以有效避免量子操作之间的串扰冲突。
在一具体示例中，所述量子线路主要由量子操作(如包括量子逻辑门和量子测量)和量子比特构成，这里，量子线路中的量子操作作用于量子线路中的量子比特，以实现对量子比特的基本操作。
在一具体示例中，以上所述需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间的顺序关系可以具体为：含有相同量子比特的两个量子操作之间的顺序关系。也就是说，在量子线路中的两个量子操作所作用于的量子比特至少部分相同的情况下，此时，为了满足正确性限制规则，量子线路中的该两个量子操作之间的先后顺序需要确定，即两者需要存在顺序关系。换言之，由于正确性限制规则导致需要存在顺序关系的两个量子操作中，不同量子操作所作用于的量子比特至少部分相同。
举例来说，量子线路包括量子比特Q1、量子比特Q2和量子比特Q3，以及量子操作1至量子操作4；而且，量子操作1作用于量子比特Q1上，量子操作2作用于量子比特Q2上，量子操作3作用于量子比特Q1和量子比特Q2上，量子操作4作用于量子比特Q3，此时，需要满足正确性限制规则的两个量子操作分别为：量子操作1和量子操作3(两者含有相同的量子比特Q1)，以及量子操作2和量子操作3(两者含有相同的量子比特Q2)。
进一步地，以量子操作1至量子操作4为节点，构建目标有向无环图，此时，若量子操作1需要在量子操作3之前完成，则量子操作1和量子操作3之间存在一条由量子操作1指向量子操作3的有向实线边，同理，若量子操作3需要在量子操作2之前完成，则量子操作3和量子操作2之间存在一条由量子操作3指向量子操作2的有向实线边。
进一步地，若量子操作1和量子操作4之间存在串扰冲突，此时，量子操作1和量子操作4之间存在一条有向实线边，该有向实线边的具体指向为：由量子操作1指向量子操作4，或者，量子操作4指向量子操作1。
进一步地，在得到量子线路所对应的目标有向无环图之后，基于该目标有向无环图来确定目标线性约束条件，此时，该目标线性约束条件用于约束量子操作1和量子操作3的起始时间，以确保量子操作1在量子操作3之前完成，同时，约束量子操作2和量子操作3的起始时间，以确保量子操作3在量子操作2之前完成；以及，该目标线性约束条件还用于约束量子操作1和量子操作4的起始时间，以避免量子操作1和量子操作4产生串扰冲突。
进一步地，在得到上述目标线性约束条件之后，即可以各量子操作的起始时间为待求解参数，以目标线性约束条件为总约束条件，求解得到量子操作1-量子操作4中各量子操作的目标起始时间。
在本公开方案的一具体示例中，在得到各量子操作的目标起始时间之后，即可对量子线路中的量子操作进行重新排布，如此，得到新的量子线路，该新的量子线路即可有效遵守正确性限制规则以及串扰冲突限制规则。具体地，在得到所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间之后，所述方法还包括：基于所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间，对所述N个量子操作进行排布，得到排布后的量子线路。如此，实现了量子线路的优化，而且，利用优化后得到的新的量子线路可以有效降低运行错误。
需要说明的是，对于确定的量子线路，本公开方案在进行量子操作的优化过程中，不会改变量子操作本身，而是将量子线路中的量子操作进行重新排布，因此，本公开方案所提供的量子操作的排布方案更加高效、便捷，且使用门槛更低。
这样，本公开方案通过量子操作的目标起始时间，实现量子操作的排布，进而优化量子线路，如此，本公开方案所提供的量子操作的排布方案更加高效、便捷，且使用门槛更低。
举例来说，如图2(a)所示，该量子线路由量子比特和量子操作组成，其中，按量子操作的作用顺序来说，该量子线路具体包括：
在第一时刻需要同时操作的、作用于量子比特Q1的单量子比特门S1，以及作用于量子比特Q2的单量子比特门S2；
在第二时刻需要操作的、作用于量子比特Q2的单量子比特门S3；
在第三时刻需要操作的、作用于量子比特Q2与量子比特Q3的双量子比特门D；
在第四时刻需要同时操作的、作用于量子比特Q1的量子测量1、作用于量子比特Q2的量子测量2，以及作用于量子比特Q3的量子测量3。
基于此可知，上述单量子比特门S1和量子测量1含有相同的量子比特Q1；单量子比特门S2、单量子比特门S3、双量子比特门D以及量子测量2，四者(也可称为四者中的任意两者)含有相同的量子比特Q2；双量子比特门D和量子测量3，含有相同的量子比特Q3，基于此，即可确定满足正确性限制规则的两个量子操作之间的顺序关系；进一步地，双量子比特门D和单量子比特门S1之间存在串扰冲突，基于此，即可确定需要处理串扰冲突的两个量子操作之间的顺序关系，如此，基于上述顺序关系，即可确定出如图2(a)所示的量子线路所对应的目标有向无环图。
进一步地，基于目标有向无环图得到目标线性约束条件，进而利用满足正确性限制规则以及串扰冲突限制规则的目标线性约束条件，求解各量子操作的起始时间，即可得到各量子操作的目标起始时间，进而基于得到的各目标起始时间，对量子线路中的量子操作进行重新排布，得到如图2(b)所示的量子线路。具体地，重新排布后的量子线路，按照量子操作的作用顺序，具体包括：
在第一时刻需要操作的、作用于量子比特Q2的单量子比特门S2；
在第二时刻需要同时操作的、作用于量子比特Q1的单量子比特门S1，以及作用于量子比特Q2的单量子比特门S3；
在第三时刻需要操作的、作用于量子比特Q2与量子比特Q3的双量子比特门D；
在第四时刻需要同时操作的、作用于量子比特Q1的量子测量1、作用于量子比特Q2的量子测量2，以及作用于量子比特Q3的量子测量3。
如此，在不改变量子操作本身的情况下，实现了量子线路的优化，进而来有效降低量子线路的运行错误。
在本公开方案的一具体示例中，所述目标线性约束条件是基于需要存在顺序关系的两个量子操作之间各量子操作的以下至少之一所得：量子操作的起始时间、量子操作作用于量子比特所持续的持续时间。
需要指出的是，该示例中所述的需要存在顺序关系的两个量子操作，包括：需要满足正确性限制规则而导致需要存在顺序关系的两个量子操作，以及需要处理串扰冲突而导致需要存在顺序关系的两个量子操作。如此，使得所述目标线性约束条件即满足正确性限制规则，又满足串扰冲突限制规则。
举例来说，在一具体示例中，所述量子线路包含N个量子操作，且N个量子操作中需要存在顺序关系的两个量子操作分别为量子操作gi和量子操作gj，此时，所述目标线性约束条件可以至少包括：
si+di≤sj；或者sj+dj≤si；
这里，所述si表示量子操作gi的起始时间，所述di表示量子操作gi的持续时间，所述sj表示量子操作gj的起始时间，所述i,j(i≠j)均为大于等于1且小于等于N的正整数，所述N为大于等于2的正整数。
或者，在另一具体示例中，继续以所述量子线路包含N个量子操作，且N个量子操作中需要存在顺序关系的两个量子操作分别为量子操作gi和量子操作gj为例，该示例中，所述目标线性约束条件可以至少包括：
|sj-si|≥Δ；
其中，所述Δ为预设阈值，可为一经验值，比如可基于所述N个量子操作中所有量子操作的最大持续时间而确定，如Δ为大于等于max{d1,d2,…,dN}的实数；这里，所述si表示量子操作gi的起始时间，所述di表示量子操作gi的持续时间，所述sj表示量子操作gj的起始时间，所述i,j(i≠j)均为大于等于1且小于等于N的正整数。
这样，本公开方案通过目标线性约束条件来有效确保量子线路既满足正确性限制规则，又满足串扰冲突限制规则，如此，为实现量子操作的合理排布奠定了基础。
在本公开方案的一具体示例中，可采用如下方式得到目标有向无环图；具体地，所述目标有向无环图的获取方式具体为：
以所述N个量子操作中各量子操作作为节点，以需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间的顺序关系建立有向实线边，构建所述量子线路所对应的初始有向无环图；其中，所述初始有向无环图中的有向实线边用于指示自身所对应的两个量子操作的执行顺序；
在存在串扰冲突的两个量子操作之间，建立双向虚线边，得到包含有双向虚线边以及有向实线边的初始有向无环图；
选择双向虚线边中的一个指向作为目标指向，并基于目标指向将双向虚线边变更为有向实线边；
在所有双向虚线边全部变更为有向实线边的情况下，得到所述目标有向无环图。
举例来说，在确定量子线路之后，需要先创建一个初始有向无环图，其创建方式为：创建节点，即将量子线路中的各量子操作作为节点，此时，有向无环图中节点的数量，与量子线路中量子操作的数量相同，比如，对于包含有N个量子操作的量子线路而言，需要创建N个节点，此时，每个节点对应一个量子操作；进一步地，创建有向实线边：若量子线路中存在两个量子操作，且两者之间需要满足顺序关系，比如，其中一个量子操作，如量子操作gi，必须在另一个量子操作之前完成，如必须在量子操作gj之前完成，则在需要存在顺序关系的两个量子操作之间创建有向实线边，该有向实线边可用于指示该顺序关系，具体地，在量子操作gi与量子操作gj之间创建一条由量子操作gi指向量子操作gj的有向实线边，该有向实线边是单向的，也即为单向箭头。
进一步地，创建双向虚线边：若量子线路中存在两个量子操作，且两者之间存在串扰冲突，此时，该两个量子操作之间也需要满足顺序关系，比如，若量子线路中的量子操作gk和量子操作gl之间存在串扰冲突，此时，则在量子操作gk和量子操作gl之间创建一条带有双向箭头的双向虚线边，该双向虚线边既表示量子操作gk可以指向量子操作gl，又表示量子操作gl可以指向量子操作gk。
进一步地，虚线边实线化：选择双向虚线边中的一个指向作为目标指向，以将双向虚线边实线化，以确保目标有向无环图中均为有向实线边，如此，为后续基于目标有向无环图得到既满足正确性限制规则又满足串扰冲突限制规则的目标线性约束条件奠定了基础。
最后，在所有双向虚线边全部变更为有向实线边的情况下，即可得到包含有有向实线边的目标有向无环图。
需要指出的是，需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间的顺序关系，取决于量子线路的构型。需要处理串扰冲突的两个量子操作，取决于待执行该量子线路的量子芯片的实际情况。换言之，在量子线路的构型确定的情况下，即可确定该量子线路中哪些量子操作之间需要满足正确性限制规则，及其具体的执行顺序，在执行该量子线路的量子芯片确定的情况下，即可确定该量子线路中哪些量子操作之间存在串扰冲突。
这样，本公开方案提供了一种目标有向无环图的构建方式，基于此该方式所构建的目标有向无环图既能够满足正确性限制规则，又能够串扰冲突限制规则，如此，为后续有效实现量子线路的优化，进而有效降低量子线路的运行错误奠定了基础。
进一步地，在一具体示例中，可采用如下方式从双向虚线边中选取出目标指向；具体地，以上所述的选择双向虚线边中的一个指向作为目标指向，具体包括：在不形成闭合环的条件下，选择双向虚线边中的一个指向作为目标指向。
需要指出的是，本公开方案所创建的目标有向无环图中不能够存在闭合环，这里，闭合环指：一个量子操作经过一个或多个有向实线边之后再返回至该量子操作，比如，存在量子操作gi经过一个或多个有向实线边到量子操作gj的路径，以及存在量子操作gj经过一个或多个有向实线边到量子操作gi的路径，这样，会产生量子操作gi既要在量子操作gj之前完成又要在量子操作gj之后完成的逻辑矛盾，因此，本公开方案所得的目标有向无环图中不存在闭合环。
如此，基于不可形成闭合环的原理选择双向虚线边中的一个指向作为目标指向，可有效避免产生逻辑矛盾，进而在有效解决量子操作之间的串扰冲突的基础上，为有效提升处理效率、降低处理复杂度奠定了基础。
进一步地，在一具体示例中，可基于预设策略，在确保不形成闭合环的条件下，从双向虚线边中选取出目标指向；具体地，以上所述的在不形成闭合环的条件下，选择双向虚线边中的一个指向作为目标指向，具体包括：
基于预设策略，从双向虚线边的两个指向中选取出目标指向；其中，所述预设策略为：可达节点总数大的节点，指向可达节点总数小的节点；所述可达节点总数表示当前节点经由有向实线边所能到达的其他节点的数量。
这里，具体说明可参见以下图4(b)至图4(d)有关说明，此处不再赘述。
如此，有效解决了量子操作之间的串扰冲突，为有效提升处理效率，降低处理复杂度奠定了基础。
在本公开方案的一具体示例中，在得到各量子操作的目标起始时间的过程中，还可以设置目标函数，进而利用目标函数来约束量子线路的退相干错误，如此，以最大程度地降低退相干错误对量子线路的影响。具体地，图3是根据本申请一实施例量子操作的处理方法的示意性流程图二。该方法可选地可以应用于经典计算设备，比如，个人电脑、服务器、服务器集群等具有经典计算能力的电子设备中。
可以理解的是，以上图1所示方法的相关内容，也可以应用于该示例中，该示例对相关联内容不再赘述。
进一步地，该方法包括以下内容的至少部分内容。具体地，如图3所示，包括：
步骤S301：确定待排布的量子线路所对应的目标有向无环图。
这里，所述目标有向无环图以所述量子线路所包含的N个量子操作中各量子操作为节点，所述目标有向无环图所包含的节点至节点之间的有向实线边表示以下之一：所述N个量子操作中需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间的顺序关系，所述N个量子操作中需要处理串扰冲突的两个量子操作之间的顺序关系。
步骤S302：基于所述目标有向无环图所包含的有向实线边，得到目标线性约束条件。
这里，所述目标线性约束条件用于约束以下信息：所述N个量子操作中需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间各量子操作的起始时间，所述N个量子操作中存在串扰冲突的两个量子操作之间各量子操作的起始时间。
步骤S303：确定目标函数。
这里，所述目标函数用于表征所述量子线路的退相干错误。
可以理解的是，上述确定目标线性约束条件的执行步骤(即步骤S301和步骤S302)，与确定目标函数(即步骤S303)的的执行顺序可以调换，换言之，本公开方案对上述两者的执行顺序不作限制，只要在步骤S304之前，得到目标线性约束条件以及所述目标函数即可。
步骤S304：在量子操作的起始时间作为待处理参数的情况下，以及在所述目标线性约束条件的情况下，最小化所述目标函数。
这里，最小化所述目标函数可以具体为：在所述目标线性约束条件的情况下，调整量子操作的起始时间，以最小化所述目标函数。
步骤S305：在确定满足预设要求的情况下，得到所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间。
在一具体示例中，采用循环迭代的方式来最小化所述目标函数，此时，所述预设要求具体可为：当前优化过程中目标函数的函数值与上一次优化过程中的目标函数的函数值之间的差值小于预设值，也即目标函数的函数值达到收敛。这里，所述预设值为一经验值。或者，所述预设要求具体可为：迭代次数达到预设次数，该预设次数也可为一经验值。实际场景中，可根据需求设置，本公开方案对此不作限制。
这样，本公开方案通过最小化目标函数来约束退相干错误，在有效满足正确性限制规则以及串扰冲突限制规则的基础上，进一步避免了退相干错误，进而有效实现了对量子线路的优化，使得该优化后得到的量子线路可以有效降低运行错误。
在本公开方案的一具体示例中，可采用如下方式得到目标函数；具体地，以上所述的确定目标函数(如图3中的步骤S303)，具体包括：确定所述量子线路中各量子比特的操作周期，基于所述量子线路中所有量子比特的操作周期，得到所述目标函数。
这里，所述量子比特的操作周期是基于作用于所述量子比特的量子操作的持续时间所得。
如此，本公开方案提供了一种确定目标函数的具体方案，通过该目标函数来约束量子比特的退相干错误，这样，在有效满足正确性限制规则以及串扰冲突限制规则的基础上，来进一步了避免退相干错误，进而有效实现了对量子线路的优化，使得该优化后得到的量子线路可以有效降低运行错误。
进一步地，在一示例中，所述量子比特的操作周期基于如下两个参数所得：
作用于所述量子比特的所有量子操作中最后一个量子操作的结束时间，作用于所述量子比特的所有量子操作中第一个量子操作的起始时间。
举例来说，对于量子线路中的量子比特Qn而言，此时，将作用于量子比特Qn的所有量子操作中的最后一个量子操作，记为量子操作lQn，将作用于量子比特Qn的所有量子操作中的第一个量子操作，记为量子操作fQn，此时，该量子比特Qn的操作周期，可记为On，其表达式可以具体为：
Figure BDA0004107883260000141
这里，
Figure BDA0004107883260000142
表示量子操作lQn的起始时间，/>
Figure BDA0004107883260000143
表示量子操作lQn的持续时间，此时，
Figure BDA0004107883260000144
即为量子操作lQn的结束时间。/>
Figure BDA0004107883260000145
表示量子操作fQn的起始时间。
进一步地，所述目标函数O为：
O＝∑nOn。
这里，继续以图2(a)为例进行说明，作用于量子比特Q2的所有量子操作中的最后一个量子操作为量子测量2，作用于量子比特Q2的所有量子操作中的第一个量子操作为单量子比特门S2，此时，量子比特Q2的操作周期
Figure BDA0004107883260000151
Figure BDA0004107883260000152
这里，
Figure BDA0004107883260000153
为量子测量2的起始时间，/>
Figure BDA0004107883260000154
为量子测量2的持续时间，/>
Figure BDA0004107883260000155
为单量子比特门S2的起始时间。
这样，本公开方案通过量子比特的操作周期确定目标函数，如此，来约束退相干错误，进而有效降低优化后的量子线路的运行错误。
另外，在一具体示例中，还可以将各量子操作的起始时间的取值范围，作为线性约束条件，进而便于更加高效地求解得到各量子操作的目标起始时间。即所述目标线性约束条件还用于约束所述N个量子操作中各量子操作的起始时间的取值范围。
举例来说，还可以采用如下线性条件限制待求解变量的范围，具体地，将量子线路中所有量子操作的持续时间之和记为max＝∑idi，此时，假设当前时间为起始时间，可记为0时，相应地，最晚结束时间则为(0+max)，可记为max时(也可简称max)，则各量子操作的起始时间的最小值为起始点，即0时，各量子操作的起始时间的最大值一定小于最晚结束时间，即max时，基于此，对于量子线路中的任意量子操作，比如量子操作gi而言，量子操作gi的起始时间si需要满足如下关系：
0≤si≤max-di
其中，所述di>0。
另外，需要说明的是，在基于以上方案得到目标有向无环图之后还可以对该目标有向无环图进行精简，以去除冗余的有向实线边，具体说明可参见以下图4(d)和图4(e)相关描述，此处不再赘述。
综上所述，本公开方案能够基于一般的线性规划问题(Linear Programming，LP)来解决量子线路中量子操作的排布问题，具体地，本公开方案使用一个目标有向无环图来处理量子线路中的串扰冲突限制，且该目标有向无环图还能够满足正确性限制规则，随后，基于目标有向无环图得到线性约束条件(也即以上所述的目标线性约束条件)；最后，将量子操作的起始时间作为待求解变量，将用于约束退相干错误的线性函数作为目标函数，进而使用预设求解器(比如，LP求解器)得到目标函数在最优条件下的各量子操作的目标起始时间，以实现量子操作的排布。
需要指出的是，对于一组实数变量、给定一些线性限制条件(使用≥，≤和＝＝的线性表达式)、以及一个线性函数的目标函数和优化目标(优化目标指的是使得目标函数达到最小值或者最大值等)，LP求解器可以给出达到最优目标值的解，因此，本公开方案所得到的各量子操作的目标起始时间可以达到最优解。
以下结合具体示例对本公开方案做进一步详细说明；具体地，本公开方案提出了一种基于线性规划的量子操作排布方法；这里，所述线性规划是指约束条件为线性约束条件、目标函数为线性函数，并且待求解变量为实数，这里，待求解变量具体为量子操作的起始时间，基于此，该实数可具体为非负实数。
进一步地，该方法主要使用一个目标有向无环图，该目标有向无环图是采用特定策略处理串扰冲突限制后所得，以满足串扰冲突限制规则，同时，该目标有向无环图还能够满足正确性限制规则；随后，将该目标有向无环图转化为线性约束条件，将线性函数作为目标函数，以将量子线路中量子操作的排布问题转化为具有线性约束条件的线性规划问题LP。
具体地，对于输入的量子线路，本公开方案利用拓展后得到的目标有向无环图，在不引入额外变量，如整数变量的前提下，有效处理了量子线路中某些量子操作之间的串扰冲突，同时，还有效确保了量子线路中某些量子操作之间需要满足正确性限制的要求；随后，利用目标有向无环图得到该量子线路的线性约束条件，将量子线路中量子操作的起始时间作为待求解变量，以及将能够衡量量子线路的退相干错误的线性表达式作为目标函数，进而使用LP求解器求解得到目标函数在最优条件下的该量子线路中所有量子操作的目标起始时间。
以下分为三个部分对本公开方案进行介绍，第一部分，对本公开方案的核心思想进行介绍；第二部分，阐述本公开方案的具体实现步骤；第三部分，应用展示，验证本公开方案的有效性。
第一部分，核心思想
在介绍本部分之前，首先介绍一些相关的基本定义和概念。
本公开方案所述的量子线路，主要由至少两个量子操作所构成；这里，量子操作包括量子逻辑门和/或量子测量；而且，各量子操作会对一个或多个量子比特进行操作。可以理解的是，不同的量子操作所操作的量子比特可以相同，也可以不同。
进一步地，假设量子线路中包括N个量子操作，此时，所述N个量子操作中的第i个量子操作可用gi表示，这里，N为大于等于2的正整数，i为大于等于1小于等于N的正整数。
进一步地，量子操作gi的持续时间可用di表示，持续时间di为大于0的实数，通常，在量子线路确定的情况下，该项为已知量。量子操作gi的起始时间用si表示，为本公开方案待求解变量；此时，量子操作gi的结束时间则为si+di。
如以上所述，若量子线路的两个量子操作所作用的量子比特含有相同的量子比特，比如，量子操作gi在量子操作gj之前，并且在量子操作gi和量子操作gj所操作的量子比特中有相同的量子比特，则量子操作gi必须在量子操作gj之前完成，换言之，量子操作gi的结束时间必须在量子操作gj的起始时间之前，也即需要满足如下关系：
si+di≤sj 公式(1)
其中，所述si表示量子操作gi的起始时间，所述di表示量子操作gi的持续时间，所述sj表示量子操作gj的起始时间。
通过公式(1)，可以保证量子操作gi和量子操作gi的操作先后顺序，进而保证了量子线路的正确性。公式(1)即为满足正确性限制规则的线性约束条件，也可称为正确性限制条件。
进一步地，对某两个量子操作，如量子操作gk和量子操作gl，两者所操作的量子比特中虽然没有相同的，但是，若量子操作gk和量子操作gl同时施加，则会产生较大的串扰错误，因此，量子操作gk和量子操作gl，在操作时间上不能有重叠，即需要满足如下关系：
sk+dk≤sl或sl+dl≤sk 公式(2)
其中，所述sk表示量子操作gk的起始时间，所述dk表示量子操作gk的持续时间，所述sl表示量子操作gl的起始时间，所述dl表示量子操作gl的持续时间。
这里，为了避免串扰错误，只要量子操作gk和量子操作gl在操作时间上不重叠即可；实际应用中，若未指明操作先后顺序，则会存在两种情况，第一种，在量子操作gk在量子操作gl之前，且量子操作gk和量子操作gl在操作时间上不能有重叠，此时，需满足sk+dk≤sl；第二种，在量子操作gl在量子操作gk之前，且量子操作gk和量子操作gl在操作时间上不能有重叠，此时，需满足sl+dl≤sk。
这里，所述量子操作的操作时间表示量子操作的起始时间至结束时间的这一时间段，可以使用量子操作的起始时间和结束时间的区间来表示，如可表示为[起始时间,结束时间]；举例来说，量子操作gk的起始时间为sk，量子操作的gk的持续时间为dk，则量子操作gk的操作时间可以具体表示为[sk,sk+dk]。
通过上述公式(2)可以保证具有串扰冲突的两个量子操作在操作时间上是不重叠的，该公式(2)即为串扰冲突限制条件。
值得注意的是，量子线路中不是任意两个量子操作均存在串扰冲突。需要基于具体量子芯片的芯片结构而定。
进一步地，本公开方案使用目标有向无环图来处理串扰冲突，同时，该目标有向无环图还满足正确性限制规则。具体地，对于确定的量子线路，首先，创建一个初始有向无环图，其创建方法包括：创建节点，即将量子线路中的各量子操作作为节点，此时，有向无环图中节点的数量，与量子线路中量子操作的数量相同；进一步地，创建边：若量子线路中存在两个量子操作，且两者之间需要满足顺序关系，比如，其中一个量子操作，如量子操作gi，必须在另一个量子操作之前完成，如必须在量子操作gj之前完成，则在需要存在顺序关系的两个量子操作之间创建有向实线边，该有向实线边可用于指示该顺序关系，具体地，在量子操作gi与量子操作gj之间创建一条由量子操作gi指向量子操作gj的有向实线边，该有向实线边是单向的，也即为单向箭头。
这里，可基于正确性限制规则来创建所需的所有有向实线边，如此，来满足该量子线路所需的所有正确性限制条件，得到初始有向无环图。
需要说明的是，本公开方案所创建的初始有向无环图不存在闭合环，这里，闭合环指：一个量子操作经过一个或多个有向实线边之后再返回至该量子操作，比如，存在量子操作gi经过一个或多个有向实线边到量子操作gj的路径，以及存在量子操作gj经过一个或多个有向实线边再到量子操作gi的路径，这样，会产生量子操作gi既要在量子操作gj之前完成又要在量子操作gj之后完成的逻辑矛盾，因此，本公开方案所得的初始有向无环图中不存在闭合环。
其次，对上述满足正确性限制规则的初始有向无环图进行拓展。具体地，扩展方法包括：创建双向虚线边，即若量子线路中存在两个量子操作，该两个量子操作之间存在串扰冲突，此时，在存在串扰冲突的两个量子操作之间增加双向虚线边，也即该双向虚线边包括双向箭头；比如，若量子线路中的量子操作gk和量子操作gl之间存在串扰冲突，此时，在量子操作gk和量子操作gl之间创建一条带有双向箭头的双向虚线边，该双向虚线边既指示量子操作gk指向量子操作gl，也指示量子操作gl指向量子操作gk。
举例说明，假设量子线路包括5个量子操作，分别为：
量子操作g0→量子比特Q0(表示在量子比特Q0上进行量子操作g0)；
量子操作g1→量子比特Q2(表示在量子比特Q2上进行量子操作g1)；
量子操作g2→量子比特Q0，量子比特Q1(表示在量子比特Q0和量子比特Q1上进行量子操作g2)；
量子操作g3→量子比特Q1(表示在量子比特Q1上进行量子操作g3)；
量子操作g4→量子比特Q2(表示在量子比特Q2上进行量子操作g4)。
进一步地，进行如下假设：
第一，假设量子操作g0在量子操作g2之前完成，量子操作g2在量子操作g3之前完成，量子操作g1在量子操作g4之前完成，此时，可基于上述初始有向无环图的创建方法创建节点和有向实线边，得到如图4(a)所示的结构。
第二，假设量子操作g0和量子操作g1之间存在串扰冲突，以及量子操作g0和量子操作g4之间存在串扰冲突，此时，即可在得到的初始有向无环图中进行拓展，以在量子操作g0和量子操作g1，以及量子操作g0和量子操作g4之间双向虚线边，得到如图4(b)所示的结构。
可理解的是，双向虚线边中的指向选择不完全是任意的，还需要满足无闭合环的条件，以避免出现以上所述的逻辑矛盾。继续以图4(b)为例，若基于上述策略得到量子操作g0和量子操作g1之间双向虚线边需要更新为由量子操作g0指向量子操作g1的有向实线边，同时，基于上述策略得到量子操作g0和量子操作g4之间的双向虚线边需要更新为由量子操作g4指向量子操作g0的有向实线边，则会出现闭合环，即“量子操作g0→量子操作g1→量子操作g4→量子操作g0”，此时，量子操作g0既要在量子操作g4之前完成，又要在量子操作g4之后完成，因此，产生了逻辑矛盾。因此，需要避免此情况。
基于此，本公开方案提出了一种特定策略，该策略可根据节点的可达节点总数(也即当前节点经由有向实线边所能够到达的其他节点的总数)来决定拓展后得到的初始有向无环图中双向虚线边的具体指向；具体地，该策略具体为：总是选择可达节点总数大的节点指向可达节点总数小的节点。
举例来说，继续以图4(b)为例，对于量子操作g0和量子操作g1之间的双向虚线边，在拓展后所得的初始有向无环图，量子操作g0的可达节点总数为2，即量子操作g0所能够到达的其他节点为量子操作g2和量子操作g3，共2个。同理，量子操作g1的可达节点总数为1，即量子操作g1所能够到达的其他节点为量子操作g4，共1个；基于此，对于量子操作g0和量子操作g1之间的双向虚线边而言，由于量子操作g0的可达节点总数，大于量子操作g1的可达节点总数，所以，选择从量子操作g0到量子操作g1的指向作为目标指向，同时，将量子操作g0到量子操作g1之间的双向虚线边更新为有向实线边，得到如图4(c)所示的结构；同理，对于量子操作g0和量子操作g4之间的双向虚线边，由于量子操作g0的可达节点总数(为4)大于量子操作g4的可达节点总数(为0)，，所以，选择从量子操作g0到量子操作g4的指向作为目标指向，同时，将量子操作g0到量子操作g4之间的双向虚线边更新为有向实线边，得到如图4(d)所示的结构，此时，图4(d)所示的有向无环图即为至少能够处理串扰冲突的目标有向无环图。
需要指出的是，在统计当前节点所能够到达的其他节点的时候，由于双向虚线边的具体指向尚未确定，所以，只基于初始有向无环图中的有向实线边来确定当前节点所能够到达的其他节点。
进一步地，在得到目标有向无环图之后，还可以做进一步地精简，比如，删除冗余的有向实线边等，比如，以图4(d)为例，可以看出，量子操作g0指向量子操作g4存在两条路径，即量子操作g0直接指向量子操作g4，或者，量子操作g0通过量子操作g1指向量子操作g4，此时，可以删除一条冗余边，比如，基于正确性限制规则可知，量子操作g0指向量子操作g4的有向实线边为冗余边，因此，直接删除，得到如图4(e)所示的冗余处理后的目标有向无环图。
进一步地，使用线性规划方法来处理精简后的目标有向无环图。具体地，将精简后的目标有向无环图中的每一个有向实线边转换为一个线性约束条件(也即转换成一个正确性限制条件)，将量子线路中各量子操作的起始时间，作为待求解变量，进而利用LP求解器即可求解得到各量子操作的目标起始时间。
举例来说，如图4(e)所示，目标有向无环图所对应的线性约束条件包括：
量子操作g0→量子操作g2的线性约束条件：s0+d0≤s2；
量子操作g2→量子操作g3的线性约束条件：s2+d2≤s3；
量子操作g0→量子操作g1的线性约束条件：s0+d0≤s1；
量子操作g1→量子操作g4的线性约束条件：s1+d1≤s4。
其中，所述s0表示量子操作g0的起始时间，所述d0表示量子操作g0的持续时间，所述s1表示量子操作g1的起始时间，所述d1表示量子操作g1的持续时间，所述s2表示量子操作g2的起始时间，所述d2表示量子操作g2的持续时间，所述s3表示量子操作g3的起始时间，所述s4表示量子操作g4的起始时间。
为了尽可能地抑制量子线路的退相干错误，本公开方案还可以以抑制退相干错误为原则设计目标函数；这里，使用Qn来表示第n个量子比特，可记为量子比特Qn，比如量子比特Q0表示第0个量子比特。在确定量子线路后，即可得到作用于各量子比特的量子操作；将作用于量子比特Qn的所有量子操作中，第一个量子操作的编号记为fQn，最后一个量子操作的编号记为lQn，此时，可将量子操作lQn的结束时间
Figure BDA0004107883260000231
减去量子操作fQn的起始时间
Figure BDA0004107883260000232
作为该量子比特Qn的操作周期，记为On，即
Figure BDA0004107883260000233
其中，所有
Figure BDA0004107883260000234
表示作用于量子比特Qn的所有量子操作中的第一个量子操作fQn的起始时间；所述/>
Figure BDA0004107883260000235
表示作用于量子比特Qn的所有量子操作中的最后一个量子操作lQn的起始时间；所述/>
Figure BDA0004107883260000236
表示该最后一个量子操作lQn的持续时间。
进一步地，由于量子比特的操作周期的长短会影响该量子比特的退相干，如量子比特的操作周期越长，退相干错误越大。因此，本公开方案将量子线路中所有量子比特的操作时间之和作为目标函数O，即
O＝∑nOn 公式(4)
该目标函数O为线性函数。此时，本公开方案的优化目标即为：在满足上述线性约束条件的前提下，找到目标函数的最小函数值。
该示例中，还可以采用如下线性条件限制待求解变量的取值范围，具体地，将量子线路中所有量子操作的持续时间之和记为max＝∑idi，此时，假设当前时间为起始时间，可记为0时，相应地，最晚结束时间则为(0+max)，可记为max时(也可简称max)，则各量子操作的起始时间的最小值为起始点，即0时，各量子操作的起始时间的最大值一定小于最晚结束时间，即max，基于此，对于量子线路中的任意量子操作，比如量子操作gi而言，量子操作gi的起始时间si需要满足如下关系：
0≤si≤max-di 公式(5)
其中，所述di>0。
可以理解的是，将量子线路中的所有量子操作一字排开，任意量子操作的起始时间小于max，结束时间小于等于max。
综上所述，对于本公开方案整个LP问题中，将量子线路中各量子操作的起始时间si作待求解变量，使用公式(5)限制待求解变量的范围；同时，构建得到类似于图4(e)所示的目标有向无环图，并基于目标有向无环图得到满足正确性限制规则以及串扰限制规则的线性约束条件，进而将得到的线性约束条件作为LP求解器的线性约束条件，以及将目标函数O作为LP求解器的线性函数，如此，利用LP求解器求解得到目标函数O的最小值，同时，得到量子线路中各量子操作的目标起始时间。
第二部分，实现步骤
具体地，本示例的输入可具体为待排布的量子线路。输出，可以具体为每个量子操作的目标起始时间。
具体地，如图5所示，本公开方案的核心步骤包括：
步骤S501：计算得到max。具体地，基于量子线路中的每个量子操作的持续时间{di}计算得到max，即max＝∑idi。
步骤S502：建立初始有向无环图。具体地，遍历量子线路中的所有量子操作，得到所有需要满足正确性限制规则的两个量子操作，比如得到需要满足正确性限制规则的量子操作gi和量子操作gj，可记为(gi,gj)。此时，在需要满足正确性限制规则的量子操作gi和量子操作gj之间画一条有向实线边；进一步地，还得到所有的需要处理串扰冲突的两个量子操作，比如，得到需要处理串扰冲突的量子操作gk和量子操作gl，可记为(gk,gl)，此时，在需要处理串扰冲突的量子操作gk和量子操作gl之间画一条带双向箭头的双向虚线边。
步骤S503：根据本公开方案提出的特定策略处理双向虚线边，得到包含有向实线边的目标有向无环图。
这里，在处理双向虚线边得到目标有向无环图之后，还可以进一步地精简，以删除冗余的有向实线边。
步骤S504：设置待求解变量。为LP求解器添加待求解变量，即各量子操作的起始时间，比如可记为{si}，按照公式(3)以及步骤S501中得到的max值设置各量子操作的起始时间的取值范围，比如0≤si≤max-di。
步骤S505：基于得到的目标有向无环图设置线性约束条件。具体地，基于目标有向无环图中的有向实线边设置目标线性约束条件，并将目标线性约束条件作为LP求解器的线性约束条件。
步骤S506：设置目标函数以及优化目标。具体地，基于上述公式(3)和公式(4)设置目标函数，同时，将所述目标函数的最小值设置为LP求解器的优化目标。
步骤S507：运行LP求解器，得到待求解的各量子操作的目标起始时间
Figure BDA0004107883260000251
以及目标函数的最小值。
综上所述，为了更好的实现量子操作排布，在抑制退相干错误的同时，避免量子操作之间的冲突，本公开方案提出一种新的排布方案，即线性规划方案，该方案主要利用待排布的量子线路所对应的目标有向无环图，在不引入额外变量，比如整数变量的前提上处理串扰冲突问题，同时，还能够利用该目标有向无环图满足正确性限制规则，进而，在待求解变量里只包含量子操作的起始时间这一非负实数的基础上，利用目标函数(为线性函数)来约束退相干错误，进而求解得到各量子操作的目标起始时间，如此，将量子操作的排布问题转换为一般的线性规划问题，实现对量子线路的有效排布。
而且，由于本公开方案转换为基于线性规划问题，所以，该方案的时间复杂度较低，即多项式级的时间复杂度，因此，本公开方案兼具高效性。而且，随着量子操作个数的增加，时间复杂度只会呈现多项式的增长。
需要说明的是，此外，需要说明的是，一些量子线路的优化方案需要改变量子操作本身，比如将某些量子逻辑门合并为一个等价的量子逻辑门。此时，可以先进行改变量子操作本身的优化，如合并量子逻辑门等，再使用本公开方案，如此，来共同实现对量子线路的优化。
第三部分，应用展示
本公开方案提出一种量子操作排布的方法，能够根据确定的量子线路，以及每个量子操作的持续时间{di}，在考虑量子操作的正确性限制规则和串扰冲突限制规则的条件下，自动地给出各量子操作的目标起始时间，以实现量子操作的排布。
为了显示本公开方案提出的量子操作排布方案的优势，对比了现有其它排布方案，其中，其它排布算法是指先进行以抑制退相干错误为目标的最优排布，随后遍历排布后的量子操作，将有串扰冲突的量子操作在时间上进行分开，这是一种容易想到的、简单快速的算法。
该应用展示将所有量子比特的操作周期之和作为性能指标，该数值越小，表示性能越好；具体对比结果如表1所示，表中每一行代表着每一次实验，每次实验随机生成10个量子操作。
表1：不同算法的性能效果对比(单位：纳秒)
本公开排布方案 其它排布算法
3529.4 5842.3
2622.5 3796.4
2209.9 3326.7
3168.0 5893.1
2218.3 3582.5
另外，该应用展示还统计了两种方案的执行时间，这里，执行时间越少，表示效率越高。具体对比结果如表2所示，其中，表2中的每一行代表着每一次实验，每次实验随机生成20个量子操作。
表2：不同算法的执行时间对比(单位：秒)
本公开排布方案 其它排布算法
0.017 0.017
0.018 0.016
0.017 0.016
0.020 0.018
0.019 0.019
根据表1和表2，可以看到，在执行性能效果上，本公开方案优于现有其它排布方案；而且，在执行时间上，两者相当，此结果也符合期望。
本公开方案还提供了一种量子操作的处理装置，如图6所示，包括：
处理单元601，用于确定待排布的量子线路所对应的目标有向无环图，其中，所述目标有向无环图以所述量子线路所包含的N个量子操作中各量子操作为节点，所述目标有向无环图所包含的节点至节点之间的有向实线边表示以下之一：所述N个量子操作中需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间的顺序关系，所述N个量子操作中需要处理串扰冲突的两个量子操作之间的顺序关系；基于所述目标有向无环图所包含的有向实线边，得到目标线性约束条件，其中，所述目标线性约束条件用于约束以下信息：所述N个量子操作中需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间各量子操作的起始时间，所述N个量子操作中存在串扰冲突的两个量子操作之间各量子操作的起始时间；所述N为大于等于2的正整数；在量子操作的起始时间作为待处理参数的情况下，利用所述目标线性约束条件，得到所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间；
输出单元602，用于输出所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间。
在本公开方案的一具体示例中，处理单元601，还用于基于所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间，对所述N个量子操作进行排布，得到排布后的量子线路；
输出单元602，还用于输出排布后的量子线路。
在本公开方案的一具体示例中，所述目标线性约束条件是基于需要存在顺序关系的两个量子操作之间各量子操作的以下至少之一所得：量子操作的起始时间、量子操作作用于量子比特所持续的持续时间。
在本公开方案的一具体示例中，所述处理单元601，还用于：
以所述N个量子操作中各量子操作作为节点，以需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间的顺序关系建立有向实线边，构建所述量子线路所对应的初始有向无环图；其中，所述初始有向无环图中的有向实线边用于指示自身所对应的两个量子操作的执行顺序；
在存在串扰冲突的两个量子操作之间，建立双向虚线边，得到包含有双向虚线边以及有向实线边的初始有向无环图；
选择双向虚线边中的一个指向作为目标指向，并基于目标指向将双向虚线边变更为有向实线边；
在所有双向虚线边全部变更为有向实线边的情况下，得到所述目标有向无环图。
在本公开方案的一具体示例中，所述处理单元601，具体用于：
在不形成闭合环的条件下，选择双向虚线边中的一个指向作为目标指向。
在本公开方案的一具体示例中，所述处理单元601，具体用于：
基于预设策略，从双向虚线边的两个指向中选取出目标指向；其中，所述预设策略为：可达节点总数大的节点，指向可达节点总数小的节点；所述可达节点总数表示当前节点经由有向实线边所能到达的其他节点的数量。
在本公开方案的一具体示例中，所述处理单元601，还用于：
确定目标函数；其中，所述目标函数用于表征所述量子线路的退相干错误；
在量子操作的起始时间作为待处理参数的情况下，以及在所述目标线性约束条件的情况下，最小化所述目标函数；
在确定满足预设要求的情况下，得到所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间。
在本公开方案的一具体示例中，所述处理单元601，具体用于：
确定所述量子线路中各量子比特的操作周期，所述量子比特的操作周期是基于作用于所述量子比特的量子操作的持续时间所得；
基于所述量子线路中所有量子比特的操作周期，得到所述目标函数。
在本公开方案的一具体示例中，
所述量子比特的操作周期基于如下两个参数所得：
作用于所述量子比特的所有量子操作中最后一个量子操作的结束时间，作用于所述量子比特的所有量子操作中第一个量子操作的起始时间。
本公开实施例的装置的各单元的具体功能和示例的描述，可以参见上述方法实施例中对应步骤的相关描述，在此不再赘述。
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7示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备700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，个人数字助理、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7所示，设备700包括计算单元701，其可以根据存储在只读存储器(ROM)702中的计算机程序或者从存储单元708加载到随机访问存储器(RAM)703中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM703中，还可存储设备700操作所需的各种程序和数据。计算单元701、ROM702以及RAM 703通过总线704彼此相连。输入/输出(I/O)接口705也连接至总线704。
设备700中的多个部件连接至I/O接口705，包括：输入单元706，例如键盘、鼠标等；输出单元707，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元708，例如磁盘、光盘等；以及通信单元709，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元709允许设备700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701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701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701执行上文所描述的各个方法和处理，例如量子操作的处理方法。例如，在一些实施例中，量子操作的处理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708。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM702和/或通信单元709而被载入和/或安装到设备700上。当计算机程序加载到RAM 703并由计算单元701执行时，可以执行上文描述的量子操作的处理方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元701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操作的处理方法。
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、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、复杂可编程逻辑设备(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 (21)

1.一种量子操作的处理方法，包括：
确定待排布的量子线路所对应的目标有向无环图，其中，所述目标有向无环图以所述量子线路所包含的N个量子操作中各量子操作为节点，所述目标有向无环图所包含的节点至节点之间的有向实线边表示以下之一：所述N个量子操作中需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间的顺序关系，所述N个量子操作中需要处理串扰冲突的两个量子操作之间的顺序关系；
基于所述目标有向无环图所包含的有向实线边，得到目标线性约束条件，其中，所述目标线性约束条件用于约束以下信息：所述N个量子操作中需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间各量子操作的起始时间，所述N个量子操作中存在串扰冲突的两个量子操作之间各量子操作的起始时间；所述N为大于等于2的正整数；
在量子操作的起始时间作为待处理参数的情况下，利用所述目标线性约束条件，得到所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
基于所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间，对所述N个量子操作进行排布，得到排布后的量子线路。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标线性约束条件是基于需要存在顺序关系的两个量子操作之间各量子操作的以下至少之一所得：量子操作的起始时间、量子操作作用于量子比特所持续的持续时间。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，还包括：
以所述N个量子操作中各量子操作作为节点，以需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间的顺序关系建立有向实线边，构建所述量子线路所对应的初始有向无环图；其中，所述初始有向无环图中的有向实线边用于指示自身所对应的两个量子操作的执行顺序；
在存在串扰冲突的两个量子操作之间，建立双向虚线边，得到包含有双向虚线边以及有向实线边的初始有向无环图；
选择双向虚线边中的一个指向作为目标指向，并基于目标指向将双向虚线边变更为有向实线边；
在所有双向虚线边全部变更为有向实线边的情况下，得到所述目标有向无环图。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述选择双向虚线边中的一个指向作为目标指向，包括：
在不形成闭合环的条件下，选择双向虚线边中的一个指向作为目标指向。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述在不形成闭合环的条件下，选择双向虚线边中的一个指向作为目标指向，包括：
基于预设策略，从双向虚线边的两个指向中选取出目标指向；其中，所述预设策略为：可达节点总数大的节点，指向可达节点总数小的节点；所述可达节点总数表示当前节点经由有向实线边所能到达的其他节点的数量。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，还包括：
确定目标函数；其中，所述目标函数用于表征所述量子线路的退相干错误；
其中，所述在量子操作的起始时间作为待处理参数的情况下，利用所述目标线性约束条件，得到所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间，包括：
在量子操作的起始时间作为待处理参数的情况下，以及在所述目标线性约束条件的情况下，最小化所述目标函数；
在确定满足预设要求的情况下，得到所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述确定目标函数，包括：
确定所述量子线路中各量子比特的操作周期，所述量子比特的操作周期是基于作用于所述量子比特的量子操作的持续时间所得；
基于所述量子线路中所有量子比特的操作周期，得到所述目标函数。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，
所述量子比特的操作周期基于如下两个参数所得：
作用于所述量子比特的所有量子操作中最后一个量子操作的结束时间，作用于所述量子比特的所有量子操作中第一个量子操作的起始时间。
10.一种量子操作的处理装置，包括：
处理单元，用于确定待排布的量子线路所对应的目标有向无环图，其中，所述目标有向无环图以所述量子线路所包含的N个量子操作中各量子操作为节点，所述目标有向无环图所包含的节点至节点之间的有向实线边表示以下之一：所述N个量子操作中需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间的顺序关系，所述N个量子操作中需要处理串扰冲突的两个量子操作之间的顺序关系；基于所述目标有向无环图所包含的有向实线边，得到目标线性约束条件，其中，所述目标线性约束条件用于约束以下信息：所述N个量子操作中需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间各量子操作的起始时间，所述N个量子操作中存在串扰冲突的两个量子操作之间各量子操作的起始时间；所述N为大于等于2的正整数；在量子操作的起始时间作为待处理参数的情况下，利用所述目标线性约束条件，得到所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间；
输出单元，用于输出所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间。
11.根据权利要求10所述的装置，其中
处理单元，还用于基于所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间，对所述N个量子操作进行排布，得到排布后的量子线路；
输出单元，还用于输出排布后的量子线路。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述目标线性约束条件是基于需要存在顺序关系的两个量子操作之间各量子操作的以下至少之一所得：量子操作的起始时间、量子操作作用于量子比特所持续的持续时间。
13.根据权利要求10-12任一项所述的装置，其中，所述处理单元，还用于：
以所述N个量子操作中各量子操作作为节点，以需要满足正确性限制规则的两个量子操作之间的顺序关系建立有向实线边，构建所述量子线路所对应的初始有向无环图；其中，所述初始有向无环图中的有向实线边用于指示自身所对应的两个量子操作的执行顺序；
在存在串扰冲突的两个量子操作之间，建立双向虚线边，得到包含有双向虚线边以及有向实线边的初始有向无环图；
选择双向虚线边中的一个指向作为目标指向，并基于目标指向将双向虚线边变更为有向实线边；
在所有双向虚线边全部变更为有向实线边的情况下，得到所述目标有向无环图。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述处理单元，具体用于：
在不形成闭合环的条件下，选择双向虚线边中的一个指向作为目标指向。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述处理单元，具体用于：
基于预设策略，从双向虚线边的两个指向中选取出目标指向；其中，所述预设策略为：可达节点总数大的节点，指向可达节点总数小的节点；所述可达节点总数表示当前节点经由有向实线边所能到达的其他节点的数量。
16.根据权利要求10-15任一项所述的装置，其中，所述处理单元，还用于：
确定目标函数；其中，所述目标函数用于表征所述量子线路的退相干错误；
在量子操作的起始时间作为待处理参数的情况下，以及在所述目标线性约束条件的情况下，最小化所述目标函数；
在确定满足预设要求的情况下，得到所述N个量子操作中各量子操作的目标起始时间。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述处理单元，具体用于：
确定所述量子线路中各量子比特的操作周期，所述量子比特的操作周期是基于作用于所述量子比特的量子操作的持续时间所得；
基于所述量子线路中所有量子比特的操作周期，得到所述目标函数。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，
所述量子比特的操作周期基于如下两个参数所得：
作用于所述量子比特的所有量子操作中最后一个量子操作的结束时间，作用于所述量子比特的所有量子操作中第一个量子操作的起始时间。
19.一种电子设备，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1-9中任一项所述的方法。
20.一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1-9中任一项所述的方法。
21.一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现根据权利要求1-9中任一项所述的方法。
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