一种基于中等规模有噪声量子计算机的量子位交互拓扑结构及其映射方法技术

本发明专利技术公开了一种基于中等规模有噪声量子计算机(NISQ)的量子位交互拓扑结构及其映射方法，所述拓扑结构的最小单元为一阶蜂巢，所述一阶蜂巢的中心和各顶点位置用于放置量子逻辑线路中的各量子位，所述拓扑结构以一阶蜂巢为最小单元进行拓扑形成L阶蜂巢结构，利用蜂巢结构来增加量子线路逻辑映射过程中最近邻量子位的总对数，降低了所有非近邻的量子位交互时插入交换门的数量，同时利用映射方法来初始化各量子位在拓扑结构中的位置，进一步降低了在实际量子物理线路运行过程中需要插入交换门的数量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于中等规模有噪声量子计算机的量子位交互拓扑结构及其映射方法
本专利技术涉及量子计算模型的计算系统设计方法，尤其涉及一种基于中等规模有噪声量子计算机的量子位交互拓扑结构及其映射方法。
技术介绍
随着量子计算的不断发展，其对诸多领域可能带来的潜在或直接的颠覆性影响被得到越来越多的学者认同。虽然早期量子计算在实用化过程中还存在许多问题，但近年来随着诸如两能级体系量子处理器(离子阱、超导等)、量子算法(Shor算法等)、量子编码(QECC量子纠错码等)等一系列技术难题被攻克，尤其是随着IBM-Q、Rigetti等真实量子系统的公开，量子计算受到了越来越多学者的关注。量子逻辑线路映射作为量子算法到量子处理器中间环节，其相关研究具有重要的理论意义和实际应用价值。现有量子逻辑线路在往二维拓扑结构映射时，由于量子位进行交互时遵循最近邻原则，因此拓扑结构需要实现尽可能多的量子位可最近邻。目前大部分拓扑结构均使用“二维网格”或类网格的拓扑设计，上述拓扑结构存在以下缺点：每个量子位最多可以与四个相邻的量子位进行交互，最近邻量子位的总对数较少，因此要实现所有非近邻量子位进行交互时需要数量较多的交换门。在线路的实现过程中，每插入一个交换门就会增加线路的执行时间和成本，因此，最大限度的减少交换门的数量是非常重要的；因此又出现一些“二维网络”量子位的优化算法，即通过相关算法在“二维网格”的拓扑结构中优化各量子位的在拓扑结构中的位置来降低实际量子线路运算过程中需要插入交换门的数量，但是上述优化算法较为复杂。因此，需要一个新的二维拓扑结构从根本上增加最近邻量子位的总对数，降低所有非近邻的量子位交互时插入交换门的数量。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种基于中等规模有噪声量子计算机的量子位交互拓扑结构及其映射方法，利用蜂巢结构来增加量子线路逻辑映射过程中最近邻量子位的总对数，降低了所有非近邻的量子位交互时插入交换门的数量，同时利用映射方法来初始化各量子位在拓扑结构中的位置，进一步降低了在实际量子线路运算过程中需要插入交换门的数量。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于中等规模有噪声量子计算机的量子位交互拓扑结构，所述拓扑结构的最小单元为一阶蜂巢，所述一阶蜂巢的中心和各顶点位置用于放置量子逻辑线路中的各量子位，所述拓扑结构以一阶蜂巢为最小单元进行拓扑形成L阶蜂巢结构。进一步地，所述一阶蜂巢的中心位置放置量子权重LWk最大的量子位，其中，N为量子逻辑线路中量子门总数，i为与量子位交互的量子门在量子逻辑线路中的序号，M为量子逻辑线路中量子位总数；所述一阶蜂巢的各顶点位置放置的量子位由一次量子门深度遍历算法及量子门对应量子位之间的最短曼哈顿距离确定。进一步地，所述L阶蜂巢的中心位置依次放置量子权重LWk按照降序排列的量子位，所述L阶蜂巢的各顶点放置的量子位由L次量子门深度遍历算法及量子门对应量子位之间的最短曼哈顿距离确定。本专利技术还提供一种基于中等规模有噪声量子计算机的量子位交互拓扑结构的映射方法，其特征在于，包括如下步骤：S0：确定L阶蜂巢中心位置的量子位：根据量子位总数确定蜂巢阶数L，同时将L个量子位按照量子权重降序排列依次映射到L阶蜂巢的中心位置；S1：确定L阶蜂巢各顶点位置的量子位：根据L阶蜂巢中心位置的量子位结合L次量子门深度遍历算法确定量子逻辑线路中剩余M-L个量子位映射到L阶蜂巢的各顶点位置，如果所有量子位全部映射至L阶蜂巢则结束映射，如果还有量子位未进行映射则进入S2；S2：确定未进行映射的量子位在L阶蜂巢中的位置：根据未处理的量子门对应量子位之间的最短曼哈顿距离确定剩余量子位在L阶蜂巢中的位置。进一步地，步骤S1包括如下步骤：S11：对量子权重最大的量子位进行一次量子门深度遍历：对与量子权重最大的量子位交互的所有量子门进行遍历，遍历顺序依照量子门的序列进行，从而确定量子权重最大的量子位对应的一阶蜂巢各顶点的量子位，若L＝1，进入S13，若L>1，进入S12；S12：按照量子权重降序序列，对位于L阶蜂巢中心位置的剩余L-1个量子位分别按照S11中的量子门深度遍历方法确定各中心位置的量子位对应的一阶蜂巢各顶点的量子位，从而确定L阶蜂巢各顶点的量子位，从而实现将量子逻辑线路中剩余M-L个量子位映射到L阶蜂巢的各顶点位置。S13：判定量子逻辑线路中所有量子位是否映射完毕，若还存在量子位未进行映射则进入S2；若所有量子位全部映射完毕则结束映射。本专利技术的有益效果在于：(1)利用一阶蜂巢可提供每个量子位可与六个相邻的量子位进行交互，实现了增加最近邻量子位的总对数的目的，从而减低了在实现所有非近邻量子位进行交互时需要数量较少的交换门；由于量子线路实际运算中不需要对所有量子位进行交互，因此通过初始化蜂巢结构中各位置的量子位来降低量子线路实际运算中需要交换门的数量，从而降低了线路成本；(2)本专利技术还提供了量子逻辑线路向蜂巢拓扑结构映射的方法，采用量子权重定蜂巢中心位置的量子位，同时结合量子门深度遍历法及最短曼哈顿距离定蜂巢结构各顶点位置的量子位，从而精确地降低了量子线路实际运算的成本。附图说明图1为本专利技术一实施例中蜂巢拓扑结构图；图2为本专利技术一实施例中9个量子位对应的二维网格结构图；图3为本专利技术一实施例中9个量子位对应的二阶蜂巢结构图；图4为本专利技术一实施例中二阶蜂巢非近邻两个量子位实现交互的过程图；图5为本专利技术一实施例中存在12个量子位，12个量子门的量子逻辑线路；图6为本专利技术一实施例中三阶蜂巢各位置的量子位的一种映射过程图；图7为本专利技术一实施例中三阶蜂巢各位置的量子位的另一种映射过程图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利技术的限制；为了更好地说明本专利技术的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。本专利技术实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本专利技术的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于中等规模有噪声量子计算机的量子位交互拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构的最小单元为一阶蜂巢，所述一阶蜂巢的中心和各顶点位置用于放置量子逻辑线路中的各量子位，所述拓扑结构以一阶蜂巢为最小单元进行拓扑形成L阶蜂巢结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于中等规模有噪声量子计算机的量子位交互拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构的最小单元为一阶蜂巢，所述一阶蜂巢的中心和各顶点位置用于放置量子逻辑线路中的各量子位，所述拓扑结构以一阶蜂巢为最小单元进行拓扑形成L阶蜂巢结构。


2.根据权利要求1所述的基于中等规模有噪声量子计算机的量子位交互拓扑结构，其特征在于，所述一阶蜂巢的中心位置放置量子权重LWk最大的量子位，



其中，N为量子逻辑线路中量子门总数，i为与量子位交互的量子门在量子逻辑线路中的序号，M为量子逻辑线路中量子位总数；
所述一阶蜂巢的各顶点位置放置的量子位由一次量子门深度遍历算法及量子门对应量子位之间的最短曼哈顿距离确定。


3.根据权利要求2所述的基于中等规模有噪声量子计算机的量子位交互拓扑结构，其特征在于，所述L阶蜂巢的中心位置依次放置量子权重LWk按照降序排列的量子位，所述L阶蜂巢的各顶点放置的量子位由L次量子门深度遍历算法及量子门对应量子位之间的最短曼哈顿距离确定。


4.根据权利要求3所述的基于中等规模有噪声量子计算机的量子位交互拓扑结构的映射方法，其特征在于，包括如下步骤：
S0：确定L阶蜂巢中心位置的量子位：根据量子位总数确定蜂巢阶数L，同时将L个量子位按照量子权重降序排列依次映射到L阶蜂巢...

【专利技术属性】
技术研发人员：管致锦，丁飞，程学云，朱鹏程，张超，牛义仁，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32