量子电路的故障仿真方法、系统、存储介质和电子设备技术方案

本发明专利技术涉及量子电路故障仿真技术领域，尤其涉及一种量子电路的故障仿真方法、系统、存储介质和电子设备，方法包括：获取待测试故障量子电路所对应的超算子，并获取超算子中的每个逻辑超算子所分别对应的Kraus矩阵集合；遍历选取每个Kraus矩阵集合中的每个Kraus矩阵，得到多个张量网络收缩，然后计算待测试故障量子电路中的故障的故障影响率。通过将待测试故障量子电路表示为多个Kraus矩阵集合，能够编码到在一组张量网络中，张量网络的收缩计算效率高，能够快速计算张量网络收缩，从而能够在很短的时间内完成故障仿真，且能够模拟大小超过5000个量子比特的故障量子电路，可满足NISQ时代的应用。时代的应用。时代的应用。

【技术实现步骤摘要】
量子电路的故障仿真方法、系统、存储介质和电子设备


[0001]本专利技术涉及量子电路故障仿真
，尤其涉及一种量子电路的故障仿真方法、系统、存储介质和电子设备。

技术介绍

[0002]在物理构建电路之前，仿真在数字电路验证、测试开发、设计调试和诊断中起着重要作用。具体来说，故障仿真是对有故障的数字电路进行仿真。其主要有两个目的：一是无故障（逻辑）仿真，帮助设计者验证数字电路的设计是否符合预期的功能描述；二是确定测试模式在检测感兴趣的故障时的效率，此类模式通常由自动测试模式生成器(ATPG)生成。现在故障仿真可以有效地应用于大规模集成电路，并已发展成电子设计自动化（EDA）的标准技术。
[0003]然而，目前在量子计算中，物理学家通常通过实验构建设计的量子电路，然后估计它们在存在量子故障时的性能。其中，量子故障不仅包括与经典故障一样的量子电路的设计错误和制造缺陷，还包括来自周围环境的量子噪声，而且，在当前的嘈杂中型量子（NISQ）时代中量子噪声是不可避免的。例如，研究者实现了一个具有四个量子比特和四个受控量子逻辑门的电路，用于HHL算法的实验（HHL算法可以在量子计算机上指数加速求解线性方程组）。在电路性能测试中，三种不同状态被输入到电路中，实际输出状态与理想输出状态相比的保真度分别为99.3%、82.5%和83.6%。谷歌也使用类似的方法来确认量子霸权（即超越经典计算），以0.2%的保真度对53量子比特的量子电路进行采样。
[0004]显然，由于实验实施量子电路的昂贵资源和严格条件（例如环境温度必须接近绝对零度）以及读取量子状态的不确定性，在物理构建它们之前对量子电路（在经典计算机上）进行故障仿真是有帮助的并且更具有性价比。另一方面，将经典电路的现有故障仿真方法直接推广到量子电路上可以想象是不会成功。一个主要原因是量子故障仿真通常是定量的，而不是经典故障仿真中定性的：量子电路的输入/输出是复数的向量或矩阵，而经典电路的输入/输出是布尔值，即0或1。这一根本区别需要以新的方式构建量子故障仿真。
[0005]目前主要有两种仿真量子故障的方法。一是针对特定设计错误（例如单个量子门缺失）和制造缺陷（例如实际制造出的量子CNOT门）的基于矢量的仿真方法。二是针对量子噪声引起的故障，提出了基于密度矩阵的仿真方法，并嵌入到几乎所有目前流行的量子电路编程平台中，如IBM的Qiskit、微软的Q#和谷歌的Cirq。它的策略是通过在每个感兴趣的故障的数学模型中直接应用矩阵运算来更新存储的量子态的密度矩阵。
[0006]不幸的是，由于状态空间的维数随着量子比特（qubits）的数量呈指数增长，目前上述的仿真方法的可扩展性（≤10 qubits）远未满足NISQ（NISQ为Noisy Intermediate
‑
Scale Quantum的缩写，表示：含噪声的中型量子）时代的应用（量子电路的比特数≥50qubits和的复数矩阵）。
的复数共轭，表示进行复数相乘。
[0013]本专利技术的一种量子电路的故障仿真系统的技术方案如下：包括获取模块、第一计算模块和第二计算模块；所述获取模块用于：获取待测试故障量子电路所对应的超算子，并获取所述超算子中的每个逻辑超算子所分别对应的Kraus矩阵集合；所述第一计算模块用于：从每个Kraus矩阵集合中分别选取一个Kraus矩阵，并基于输入状态数据和期望输出状态数据，计算一个张量网络收缩，直至遍历选取每个Kraus矩阵集合中的每个Kraus矩阵，得到多个张量网络收缩；其中，所述期望输出状态数据指：将所述输入状态数据输入已消除故障的待测试故障量子电路时，所输出的数据；所述第二计算模块用于：基于所有的张量网络收缩，计算所述待测试故障量子电路中的故障的故障影响率。
[0014]本专利技术的一种量子电路的故障仿真系统的有益效果如下：通过将待测试故障量子电路即有缺陷的量子电路表示为多个Kraus矩阵集合，能够编码到在一组张量网络中，张量网络的收缩计算效率高，能够快速计算张量网络收缩，从而能够在很短的时间内完成故障仿真，即得到待测试故障量子电路中的故障的故障影响率，通过仿真实验结果表明，本专利技术能够模拟大小超过5000个量子比特的故障量子电路，能够满足NISQ时代的应用，而且适用性广泛，既可以独立使用，也可以集成到当前开发的量子自动测试模式生成程序中，用于验证和检测量子电路的设计错误、制造缺陷和量子噪声效应。
[0015]在上述方案的基础上，本专利技术的一种量子电路的故障仿真系统还可以做如下改进。
[0016]进一步，所述第一计算模块具体用于：从每个Kraus矩阵集合中分别选取一个Kraus矩阵，并基于输入状态数据和期望输出状态数据，计算出的张量网络收缩为：，其中，表示所有逻辑超算子的总数量，表示的复数共轭转置，表示所述期望输出状态数据，表示：第个逻辑超算子所对应的Kraus矩阵集合中的第个Kraus矩阵；，表示所述输入状态数据，，，，表示第1个逻辑超算子所对应的Kraus矩阵集合中的Kraus矩阵的总数量，表示第个逻辑超算子所对应的Kraus矩阵集合中的Kraus矩阵的总数量，表示第个逻辑超算子所对应的Kraus矩阵集合中的Kraus矩阵的总数量，、、、和均为正整数。
[0017]进一步，所述第二计算模块具体用于：所述故障影响率为：，
其中，的复数共轭，表示进行复数相乘。
[0018]本专利技术的一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述任一项所述的一种量子电路的故障仿真方法。
[0019]本专利技术的一种电子设备，包括处理器和上述的存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例的一种量子电路的故障仿真方法的流程示意图；图2为待测试故障量子电路的结构示意图；图3为消除故障后的待测试故障量子电路的结构示意图；图4为图2的待测试故障量子电路的张量收缩示意图；图5为本专利技术实施例的一种量子电路的故障仿真系统的结构示意图。
具体实施方式
[0021]如图1所示，本专利技术实施例的一种量子电路的故障仿真方法，包括如下步骤：S1、获取待测试故障量子电路所对应的超算子，并获取所述超算子中的每个逻辑超算子所分别对应的Kraus矩阵集合；S2、从每个Kraus矩阵集合中分别选取一个Kraus矩阵，并基于输入状态数据和期望输出状态数据，计算一个张量网络收缩，直至遍历选取每个Kraus矩阵集合中的每个Kraus矩阵，得到多个张量网络收缩；其中，所述期望输出状态数据指：将所述输入状态数据输入已消除故障的待测试故障量子电路时，所输出的数据；其中，可根据实际情况设置输入状态数据，在量子计算的
内，输入状态数据指：量子状态对应的矩阵，期望输出状态数据具体也为量子状态对应的矩阵。
[0022]以“共有4个Kraus矩阵集合，且每个Kraus矩阵集合分别包括4个Kraus矩阵”为例，对从每个Kraus矩阵集合中分别选取一个Kraus矩阵的具体实现过程如下：1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种量子电路的故障仿真方法，其特征在于，包括：获取待测试故障量子电路所对应的超算子，并获取所述超算子中的每个逻辑超算子所分别对应的Kraus矩阵集合；从每个Kraus矩阵集合中分别选取一个Kraus矩阵，并基于输入状态数据和期望输出状态数据，计算一个张量网络收缩，直至遍历选取每个Kraus矩阵集合中的每个Kraus矩阵，得到多个张量网络收缩；其中，所述期望输出状态数据指：将所述输入状态数据输入已消除故障的待测试故障量子电路时，所输出的数据；基于所有的张量网络收缩，计算所述待测试故障量子电路中的故障的故障影响率。2.根据权利要求1所述的一种量子电路的故障仿真方法，其特征在于，从每个Kraus矩阵集合中分别选取一个Kraus矩阵，并基于输入状态数据和期望输出状态数据，计算出的张量网络收缩为：，其中，表示所有逻辑超算子的总数量，表示的复数共轭转置，表示所述期望输出状态数据，表示：第个逻辑超算子所对应的Kraus矩阵集合中的第个Kraus矩阵；，表示所述输入状态数据，，，，表示第1个逻辑超算子所对应的Kraus矩阵集合中的Kraus矩阵的总数量，表示第个逻辑超算子所对应的Kraus矩阵集合中的Kraus矩阵的总数量，表示第个逻辑超算子所对应的Kraus矩阵集合中的Kraus矩阵的总数量，、均为正整数。3.根据权利要求2所述的一种量子电路的故障仿真方法，其特征在于，所述故障影响率为：，其中，的复数共轭，表示进行复数相乘。4.一种量子电路的故障仿真系统，其特征在于，包括获取模块、第一计算模块和第二计算模块；所述获取模块用于：获取待测试故障量子电路所对应的超算子，并获取所述超算子中的每个逻辑超算子所分别对应的Kraus矩阵集合；...

【专利技术属性】
技术研发人员：官极，黄鸣宇，应明生，
申请(专利权)人：中国科学院软件研究所，
类型：发明
国别省市：