在传统计算机上仿真量子电路的方法技术

在包括半导体集成电路的计算机处理单元上仿真量子电路模型的操作的方法，其包括如下操作：o将量子电路划分为旨在由聚合的n个量子位依次穿过的d个相邻层L

The method of simulating quantum circuit on traditional computer

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在传统计算机上仿真量子电路的方法
本专利技术涉及计算机科学领域，并且更具体地，涉及通过传统结构计算机量子逻辑电路的仿真，换句话说，使用包括逻辑门的处理器，每个逻辑门包含可被电子流穿过的晶体管的电路。
技术介绍
计算机(可比作处理器，两个术语同义)的设计，一般基于以其操作的算法仿真的先前阶段(换句话，分量逻辑电路的操作)，以预测一般行为，尤其是计算机在执行给定程序后将提供的结果。通过基于晶体管的基本逻辑门的组合，执行操作(例如加、减、乘)，其可执行应用于输入位(数值0或1)的逻辑功能，其结果是输出位(数值0或1)。例如，我们可引用逻辑功能NOT、AND、OR、NOR、NAND。通过半导体刻蚀工艺日益复杂化，晶体管的微型化可能实现，使得计算机的计算能力和存储容量(或内存)可能倍增。根据摩尔猜想(即定律)，在半导体上蚀刻晶体管的密度，自20世纪60年代以来，大约每两年增大一倍。只要晶体管仍在微米级，传统物理学(具有电定律)仍然适用，逻辑门执行的功能仍具有确定性，这使得可能在仿真算法中应用简单的线性代数。在传统计算机中(从某种意义上讲，传统计算机包含根据传统物理学电定律运行的晶体管)，可通过具有2n个分量的状态矢量对需要n个输入位(数值0或1)的程序输出(表示结果)进行建模，状态矢量代表输出位的可能数值集。因此，可以理解，输入位的增加，导致将输出位可能数值个数乘以2。换句话说，输入的任何线性增加(位的增加),导致所需计算能力(和/或内存)指数增加。鉴于日益增长的应用需求(例如计算机辅助医学、自动驾驶汽车的驾驶、高清晰度图像处理)，正在追求逻辑电路的微型化，并且目前正在实现纳米量级，甚至是原子量级。在这些量级上，信息不再通过电流量传递，电流量的属性可以通过传统物理学确定和预测，而是通过粒子(或量子)传递，粒子的属性，很大程度上是概率性的，对应量子物理学定律。在量子计算机中，量子位(qubit)(quantumbit，量子位的简称)表示存储信息的基本单元，与传统计算机中用于存储信息的基本单元的位类似。其中，位数值始终是，并且永久是0或1，具体取决于应用于位的操作(同一性：0→0或1→1；NOT：0→1或1→0)，由于概率性，量子位数值不确定。Benenti等人在2004年世界科学出版社出版的《量子计算和信息原理》，第一卷：基本概念，，中提出了量子位的明确定义。根据该定义，量子位是一个量子系统，其状态由波动函数ψ描述，在希尔伯特空间中，根据狄拉克的右括向量标记为|ψ>。波动函数|ψ>写成量子位可能数值的线性组合：|ψ>＝α|0>+β|1>其中，|0>和|1>代表传统位的数值0和1(或基态)，并且其中系数α和β，称为“概率振幅”，是根据以下关系式归一化的复数：|α|2+|β|2＝1从几何角度看，量子位可由(半径为1)布洛赫球表面上的点表示，其球坐标为θ(0≤θ≤π)和φ(0≤φ≤2π)。在这些条件下，量子位的状态|ψ>可以写成如下方程式：…或作为如下状态变量：这些方程反直觉地证明了量子位状态的连续性，该方程可以取无限大状态，只要不进行测量：从那一刻起，数值确定为(0或1)。这种连续性表示，在理论中，单个量子位能够存储无限量信息，这将会给量子计算机的计算和存储带来了特别吸引人的性能，其小巧紧凑也使得其成为吸引人的特质。但是，量子力学定律表明，一旦读取量子位状态，量子位状态就冻结；不可能找出振幅α和β的数值，因此不可能知道量子位的瞬时状态。根据当前所知信息，可以与传统位相似的方式使用量子位，换句话说，可以组合到计算机程序中处理的n个量子位(n为整数)的寄存器中。在具有2n维度的希尔伯特空间中，n个量子位的状态由的广义波动函数|ψ>描述：其中，|i>表示传统位组合的可能数值(或基态)，其中，系数αi是各个数值的概率振幅，根据如下关系归一化：因此，对于两个量子位(n＝2)：|ψ>＝α0|00>+α1|01>+α2|10>+α3|11>其中：|α0|2+|α1|2+|α2|2+|α3|2＝1与处理所有可能状态中寄存器单个状态的传统计算机不同，量子计算机理论上能够同步处理寄存器的所有可能状态，即2n。换句话说，量子计算机本质上并行执行计算。结果，量子位的增加将计算机的计算能力乘以2，因此，这是寄存器大小的指数函数。为了说明，对于n＝300(换句话说，300个量子位)，寄存器的大小，计算机因而可以同时处理的寄存器的状态个数(表征信息的各个状态)是这与可观测宇宙中预估粒子数对应。在不久的将来，可以期望量子计算机能够解决传统计算机目前无法解决的问题可成为现实，既由于不合理的计算能力，所述计算能力需要被调动，以及所需的计算时间。传统计算机上运行的传统算法无法在合理时间内解决一个著名数学问题示例，是自然数N的因式分解(通常为15＝3×5)。传统计算机在解决需要使用RSA(Rivest-Shamir-Aldeman)加密技术解决因式分解问题的能力相对不足，其中，公开密钥的生成取决于整数的乘积。Shor的量子算法(例如，详见《Shor量子因子算法，应用数学研讨会论文集》马里兰大学，2000年，Lomonaco撰写，中有关本算法的说明)，理论上允许自然整数N在一个时间内的因式分解问题，在其中所述时间内，数量级是渐近算法，这表示(在Landau的“大O记号”中)，属于O(log(N))的同类。Shor算法依赖于量子傅里叶变换的使用，其效率远比传统傅里叶变换的效率高。因此，到目前为止，可见在传统计算机上对量子逻辑电路建模的吸引力。但是，存储空间和计算能力是限制因素。因此，具有n个量子位的量子逻辑电路的已知建模，包括以2n×2n大小矩阵，以数学形式表示该电路(表示为U，称为操作矩阵)，其应用于大小为2n的初始状态向量E，输出最终状态矢量E’，大小也为2n且是E乘以U的矩阵乘积：E′＝U·E在Gerdt等人的《构建量子电路和计算其单一矩阵的数学程序》，物理物理学和通信研讨会，2007年10月，中对该建模进行特别测试。但是，Patrzyk等人在《面向量子计算仿真的新型环境》，计算机科学16(1)2015,103-129中，评估传统计算机仿真给定数量量子位(更精确地，存储操作矩阵)所需的存储能力(与存储器中可存储的位数相对应)，下文以表格形式描述了相关数值示例清单(表1，106页)(存储器以字节形式显示，前缀k、M和T分别对应运算符kilo、Mega和Tera)：量子位数量5102021存储器(状态51216kB16MB32MB存储器(操作16B16MB...

【技术保护点】
1.在计算机处理单元上仿真量子电路模型的操作的方法，所述计算机处理单元包括半导体集成电路，所述量子电路模型被配置用于处理预定义的n个输入量子位，(其中n是整数，使得n≥2)，并且所述量子电路模型包括一系列的d个基本量子门G

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170324 FR 17702991.在计算机处理单元上仿真量子电路模型的操作的方法，所述计算机处理单元包括半导体集成电路，所述量子电路模型被配置用于处理预定义的n个输入量子位，(其中n是整数，使得n≥2)，并且所述量子电路模型包括一系列的d个基本量子门Gk，(其中d是整数，使得d≥2，k是整数，1≤k≤d)，所述基本量子门选自存储在半导体集成电路存储器中的预定义量子门模型库，各个量子门模型与转移矩阵Uk相关联，包含行和列中的运算符，限定通过所述门的量子位的可能状态转换集，所述方法包括：
-配置所述量子电路的阶段，包括以下操作：
ο限定待处理的量子位的数量n，作为量子电路模型的输入；
ο选择d个量子门模型；
ο排列所选择的d个量子门模型，以构建量子电路模型；
-分析所配置的量子电路模型阶段，包括以下操作：
ο将所述量子电路划分为旨在由聚合的n个量子位依次穿过的d个相邻层Lk，各层包含一个量子门；
ο在三个预定义的量子门类型中，给电路的各个量子门分配类型：
·对角型门，其转移矩阵为对角；
·传统型门，其转移矩阵为非对角，并且包括具有0或1的数值的运算符，每行和每列仅有一个运算符；
·密实型门，既不是传统型也不是对角型；
-计算阶段，对于j...

【专利技术属性】
技术研发人员：西里尔·阿劳切，明赫·西恩·恩古延，
申请(专利权)人：布尔有限公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR