一种单振幅量子计算模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种单振幅量子计算模拟方法，包括：配置并行设置的分布式计算节点，计算节点包括相互通信的主核和从核；配置目标量子程序和目标量子态分量至各计算节点的主核，各主核根据目标量子程序和目标量子态分量，构建目标量子程序对应的无向图；其中，无向图的边对应量子逻辑门，顶点对应量子逻辑门所操作量子比特的量子态；边用张量表示，其元素由对应量子逻辑门的酉矩阵和边的顶点取值决定；各主核根据预设拆分原则，获得不同的子无向图；各主核与对应的各从核配合，计算每一个子无向图，获得对应的目标子振幅；合并所有目标子振幅，获得目标量子态分量的振幅。应用本发明专利技术实施例，可实现涉及50个甚至更多个量子比特的量子计算模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种单振幅量子计算模拟方法
本专利技术属于量子计算
，更具体地，涉及一种单振幅量子计算模拟方法。
技术介绍
量子计算机(quantumcomputer)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。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。量子计算机可执行多种经典计算机不能实现的任务，比如量子模拟和分解大质因数。在量子计算前进的道路上，我们应该首先实现“量子霸权”，即需要先实现量子比特数在50以上，并且有着高保真度的量子计算机。但在真正实现“量子霸权”的量子计算机之前，我们可以先通过量子计算的相关理论，实现量子虚拟机，进行量子计算模拟，从而实现量子计算机的软硬件解耦，为量子程序和量子应用的发展打下基础。量子计算模拟，通常采用全振幅模拟，即一次性模拟量子比特末态的所有振幅，但全振幅模拟基于酉变换进行计算，其内存开销随量子比特数呈指数增长。如要对涉及30个量子比特的量子计算进行模拟时，内存开销需16GByte(吉字节)；40个量子比特时，内存开销需16TByte(太字节)，即210*(16GByte)；50个量子比特时，内存开销则需16PByte(拍字节)，即210*(16TByte)。这对于提供量子计算模拟服务的普通云平台甚至是超级计算平台来说都是难以承受的，学术界目前全振幅模拟器最大仅可模拟到49个量子比特，是基于世界最大的超级计算机的模拟结果，但它并没有对外提供云服务，这非常不利于量子程序和量子应用的研究与发展。此种情况下，单振幅模拟，即一次性只模拟出一个振幅的方案开始被提出，而这种模式则对内存需求将小很多。因此，可以看出，在当前平台内存资源受限的情况下，单量子态分量振幅的量子计算模拟的相关研究与实现对于量子计算的发展显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种单振幅量子计算模拟方法，以实现涉及50个甚至更多个量子比特的计算模拟。为达到上述目的，本专利技术实施例公开了单振幅量子计算模拟方法及装置。具体技术方案如下：第一方面，本专利技术实施例公开了一种单振幅量子计算模拟方法，所述方法包括：配置并行设置的分布式计算节点，所述分布式计算节点包括相互通信的主核和从核；配置目标量子程序和目标量子态分量至各所述计算节点的主核，各所述主核根据所述目标量子程序和所述目标量子态分量，构建所述目标量子程序对应的无向图；其中，所述无向图的边对应所述目标量子程序中的量子逻辑门，所述无向图的顶点对应所述量子逻辑门执行前或执行后、所操作的量子比特的量子态；所述无向图的边用张量表示，所述张量中的元素由对应量子逻辑门的酉矩阵和所述边连接的顶点的取值共同决定；各所述主核根据所述预设拆分原则，获得不同的子无向图；各所述主核与对应的各所述从核配合，计算每一个所述子无向图，获得对应的目标子振幅；合并所有所述目标子振幅，获得所述目标量子态分量的振幅。可选地，所述各所述主核与对应的各所述从核配合，计算所述子无向图，获得对应的目标子振幅的步骤，包括：各所述主核与对应的各所述从核配合，针对所述子无向图中每一顶点，对该顶点的所有连接边执行融合操作，获得一条目标边；基于该顶点的取值，对所述目标边执行降阶操作，并删除该顶点；对所有降阶后的所述目标边的张量求积，获得所述子无向图对应的目标子振幅。可选地，所述融合操作的过程，包括：所述主核确定待融合的第一条边和第二条边；所述主核与对应的各所述从核配合，根据所述第二条边的第二顶点组中不与所述第一条边相连接的顶点，对所述第一条边的第一张量执行升阶操作；所述主核配置对应的各所述从核的第一计算参数；所述第一计算参数包括所述第一条边的第一顶点组与所述第二顶点组中重合顶点的位置对应关系；所述主核对应的各所述从核从所述第一张量中获得第一目标数量个第一目标元素，并根据所述位置对应关系从所述第二条边的第二张量中获得每一所述第一目标元素对应的第二目标元素；所述主核对应的各所述从核将所述第一目标元素与对应的所述第二目标元素相乘，并以所得乘积更新所述第一目标元素；所述主核删除所述第二条边，并将所述第二条边的除所述该顶点之外的其他顶点连接至所述第一条边。可选地，所述第一计算参数还包括：所述第一张量的第一长度；所述第一目标数量由以下方式确定：判断所述主核对应的各所述从核的总数量是否小于所述第一长度；若所述总数量小于所述第一长度，根据所述第一长度和所述总数量，确定所述第一目标数量；若所述总数量等于所述第一长度，将所述第一目标数量确定为1；若所述总数量大于所述第一长度，从所述主核对应的各所述从核中确定所述第一长度个第一目标从核，将所述第一目标从核对应的所述第一目标数量确定为1；将除所述第一目标从核之外的其他所述从核对应的所述第一目标数量确定为0。可选地，所述升阶操作的过程包括：所述主核创建第一临时张量，所述第一临时张量的阶数为待升的阶数与待升阶张量的阶数之和；所述待升的阶数为：所述第二顶点组中不与所述第一条边相连接的顶点数；所述主核配置对应的各所述从核的第二计算参数；所述主核对应的各所述从核根据所述第二计算参数，从所述待升阶张量中获取第二目标数量个不同的元素，并以所述第二目标数量个不同的元素更新所述第一临时张量；所述主核使用更新后的所述第一临时张量替代所述待升阶张量。可选地，所述第二计算参数包括所述待升阶张量的第二长度；所述第二目标数量由以下方式确定：判断所述主核对应的各所述从核的总数量是否小于所述第二长度；若所述总数量小于所述第二长度，根据所述第二长度和所述总数量，确定所述第二目标数量；若所述总数量等于所述第二长度，将所述第二目标数量确定为1；若所述总数量大于所述第二长度，从所述主核对应的各所述从核中确定所述第二长度个第二目标从核，将所述第二目标从核对应的所述第二目标数量确定为1；将除所述第二目标从核之外的其他所述从核对应的所述第二目标数量确定为0。可选地，所述降阶操作的过程包括：所述主核创建第二临时张量；其中，所述第二临时张量的阶数为：待降阶张量的阶数减1得到的差；所述主核配置对应的各所述从核的第三计算参数；其中，所述第三计算参数包括所述待降阶张量的第三长度；所述主核对应的各所述从核根据所述第三计算参数，从所述待降阶张量中分别获取第三目标数量个第三目标元素和每一所述第三目标元素对应的第四目标元素；其中，所述第三目标元素与对应的所述第四目标元素的位置差值为第一数量，所述第一数量为：所述第三长度除以2获得的商；所述主核配置对应的各所述从核对所述第三目标元素和对应的所述第四目标元素执行求和操作，获得第五目标元素，并以所述第五目标元素更新所述第二临时张量；所述主核使用更新后的所述第二临时张量替代所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单振幅量子计算模拟方法，其特征在于，所述方法包括：/n配置并行设置的分布式计算节点，所述分布式计算节点包括相互通信的主核和从核；/n配置目标量子程序和目标量子态分量至各所述计算节点的主核，各所述主核根据所述目标量子程序和所述目标量子态分量，构建所述目标量子程序对应的无向图；其中，所述无向图的边对应所述目标量子程序中的量子逻辑门，所述无向图的顶点对应所述量子逻辑门执行前或执行后、所操作的量子比特的量子态；所述无向图的边用张量表示，所述张量中的元素由对应量子逻辑门的酉矩阵和所述边连接的顶点的取值共同决定；/n各所述主核根据预设拆分原则，获得不同的子无向图；/n各所述主核与对应的各所述从核配合，计算每一个所述子无向图，获得对应的目标子振幅；/n合并所有所述目标子振幅，获得所述目标量子态分量的振幅。/n

【技术特征摘要】
1.一种单振幅量子计算模拟方法，其特征在于，所述方法包括：
配置并行设置的分布式计算节点，所述分布式计算节点包括相互通信的主核和从核；
配置目标量子程序和目标量子态分量至各所述计算节点的主核，各所述主核根据所述目标量子程序和所述目标量子态分量，构建所述目标量子程序对应的无向图；其中，所述无向图的边对应所述目标量子程序中的量子逻辑门，所述无向图的顶点对应所述量子逻辑门执行前或执行后、所操作的量子比特的量子态；所述无向图的边用张量表示，所述张量中的元素由对应量子逻辑门的酉矩阵和所述边连接的顶点的取值共同决定；
各所述主核根据预设拆分原则，获得不同的子无向图；
各所述主核与对应的各所述从核配合，计算每一个所述子无向图，获得对应的目标子振幅；
合并所有所述目标子振幅，获得所述目标量子态分量的振幅。


2.根据权利要求1所述的单振幅量子计算模拟方法，其特征在于，所述各所述主核与对应的各所述从核配合，计算所述子无向图，获得对应的目标子振幅的步骤，包括：
各所述主核与对应的各所述从核配合，针对所述子无向图中每一顶点，对该顶点的所有连接边执行融合操作，获得一条目标边；基于该顶点的取值，对所述目标边执行降阶操作，并删除该顶点；
对所有降阶后的所述目标边的张量求积，获得所述子无向图对应的目标子振幅。


3.根据权利要求2所述的单振幅量子计算模拟方法，其特征在于，所述融合操作的过程，包括：
所述主核确定待融合的第一条边和第二条边，所述主核与对应的各所述从核配合，根据所述第二条边的第二顶点组中不与所述第一条边相连接的顶点，对所述第一条边的第一张量执行升阶操作；
所述主核配置对应的各所述从核的第一计算参数；所述第一计算参数包括所述第一条边的第一顶点组与所述第二顶点组中重合顶点的位置对应关系；
所述主核对应的各所述从核从所述第一张量中获得第一目标数量个第一目标元素，并根据所述位置对应关系从所述第二条边的第二张量中获得每一所述第一目标元素对应的第二目标元素；
所述主核对应的各所述从核将所述第一目标元素与对应的所述第二目标元素相乘，并以所得乘积更新所述第一目标元素；
所述主核删除所述第二条边，并将所述第二条边的除所述该顶点之外的其他顶点连接至所述第一条边。


4.根据权利要求3所述的单振幅量子计算模拟方法，其特征在于，所述第一计算参数还包括：所述第一张量的第一长度；
所述第一目标数量由以下方式确定：
判断所述主核对应的各所述从核的总数量是否小于所述第一长度；
若所述总数量小于所述第一长度，根据所述第一长度和所述总数量，确定所述第一目标数量；
若所述总数量等于所述第一长度，将所述第一目标数量确定为1；
若所述总数量大于所述第一长度，从所述主核对应的各所述从核中确定所述第一长度个第一目标从核，将所述第一目标从核对应的所述第一目标数量确定为1；将除所述第一目标从核之外的其他所述从核对应的所述第一目标数量确定为0。


5.根据权利要求3所述的单振幅量子计算模拟方法，其特征在于，所述升阶操作的过程包括：
所述主核创建第一临时张量，所述第一临时张量的阶数为待升的阶数与待升阶张量的阶数之和；所述待升的阶数为：所述第二顶点组中不与所述第一条边相连接的顶点数；
所述主核配置对应的各所述从核的第二计算参数；
所述主核对应的各所述从核根据所述第二计算参数，从所述待升阶张量中获取第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞磊，窦猛汉，
申请(专利权)人：合肥本源量子计算科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34