【技术实现步骤摘要】
的n位二进制表示，即{00
…
000，00
…
001，00
…
010，
……
，11
…
111}，对于其中每一种取值q0q1…
q
n
‑2q
n
‑1，第i位的数值q
i
对应第i位量子比特的取值；在给定的量子比特状态下，每一种取值的排列组合都有一个出现的概率，所有可能状态出现概率的求和同样满足等式：
[0012]p
00..000
+p
00..001
+
……
+p
11
…
111
＝1
[0013](3)全振幅方式即精确存储每一种取值组合出现的概率，存入数组s中，该状态数组包含2
n
个元素，为2
n
个状态出现的概率；
[0014]步骤3：调用内存管理器，将状态数组s分页存储，使用页面作为后续数据迁移的基本单元。对于n位量子比特的索引q0q1…
q
n
‑2q
n
‑1，设置q
n
‑
2k
‑1q
n
‑
2k
…
q
n
‑1对应的2k位为页码，剩余(n
‑
2k)位为页内偏移，其中页码永远为偶数且被均分为两部分，页码q
n
‑
k
‑1q
n
‑
k
…>q
n
‑1对应的k位为任务划分中的任务编号，低k位与(n
‑
2k)位的页内偏移共(n
‑
k)位共同构成GPU显存索引，其取值范围即为一个GPU任务所计算的内存块大小。索引示意图如图3所示。
[0015]步骤4：将量子门集合G中的量子门作为结点，量子门排布图E中记录的量子门之间的有向依赖作为边，建立有向无环图DAG；设结点P所对应量子门的控制量子比特集合为C
P
，目标量子比特集合为T
P
，则对于原线路中先后出现的量子门A和量子门B，存在一条由A到B的有向边，当且仅当对于任意满足如下条件的量子比特x：
[0016]x∈(C
A
∪T
A
)∩(C
B
∪T
B
)
[0017]其对于原电路中量子门A和量子门B之间的任意一个量子门C，都满足：
[0018][0019]步骤5：基于步骤4建立完成的有向无环图，将该有向无环图划分为多个互相独立的子电路S
i
，构成集合S。S
i
中的量子门集合记作G
i
；假设DAG中没有前导的量子门集合为H，则划分子电路的步骤为：
[0020](1)如果集合非空，则从集合H中取出一个量子门H
i
，进入步骤(2)，否则进入步骤6；
[0021](2)以H
i
为初始结点，建立子电路S
i
，进入步骤(3)；
[0022](3)记子电路S
i
中量子比特数量为k，其中C
Gi
代表G
i
目标量子比特集合，T
Gi
代表G
i
控制量子比特集合，GPU的显存为t bit；遍历所有量子门集合G，如果：
[0023]①
存在量子门G
j
，对于G
j
在DAG中的前导结点集合G
’
，使得对于满足：
[0024]G
′
i
∈S
i
[0025]②
对于
①
中的量子门G
j
，令k'＝|∪
Gi∈S
{(C
Gi
∪T
Gi
)∪(C
Gj
∪T
Gj
)}|，满足2
k
'<t；
[0026]如果
①②
满足，则令k＝k',进入步骤(4)，否则进入步骤(5)；
[0027](4)将量子门G
j
添加进子电路S
i
，将量子门G
j
视作G
i
，进入步骤(3)；
[0028](5)对于子电路S
i
中的所有量子门g,即将量子门g和以g为端点的边从DAG图中删除，重新遍历DAG，设置集合H为当前没有前导的量子门集合，将子电路S
i
添加进子电路集合S，返回步骤(1)。
[0029]步骤6：调用执行器，对于划分出的子电路集合S，每次取出一个子电路S
i
，进入步骤7；
[0030]步骤7：遍历子电路S
i
记子电路S
i
中不存在数据依赖性的量子比特集合为Q，量子比
特q∈Q，当且仅当对于子电路量子门集合G
i
中的任意门g，如果其作用到量子比特q，仅作用到量子比特q，即：
[0031][0032]步骤8：若量子比特集合Q为空集，进入步骤11；否则从量子比特集合Q中逐一取出量子比特q，记q的索引为index(q)，如果index(q)<n
‑
2k，即q在索引中的位置对应页内偏移，进入步骤9，否则进入步骤10；
[0033]步骤9：遍历量子比特索引的[n
‑
2k,n
‑
k
‑
1]位。如果存在一个索引x，使得x对应的量子比特则重映射q
x
与q的索引。规则为,在步骤2中建立的每一种状态中：
[0034](1)如果不存在数据依赖性的量子比特q
x
＝取出的量子比特q,保持不变；
[0035](2)如果q
x
≠q，则交换s[q0q1…
q
x
…
q
…
q
n
‑2q
n
‑1]与s[q0q1…
(1
‑
q
x
)
…
(1
‑
q)
…
q
n
‑2q
n
‑1]的取值，即交换q与q
x
在步骤3建立的分页存储中的页码位置。如图3所示，图中量子比特数n＝15，页码数2k＝8。第1行中[0,7]中浅色的方块即对应q
x
，经过数据交换后被存储在[8,15]位，如第2行所示。
[0036]如果不存在x或者交换完成，则将取出的量子比特q放回量子比特集合Q，返回步骤8。
[0037]步骤10：遍历量子比特索引的[n
‑
k,n
‑
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于CPU和GPU协同的大规模量子电路模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：启动量子电路模拟进程，读取待计算量子电路的输入，所述输入包括量子比特的数量n、量子比特初始状态Ψ、量子门集合G和量子门排布图E；步骤2：调用内存管理器，使用全振幅的方式对量子比特初始状态Ψ进行存储，存放在状态数组s中；步骤3：调用内存管理器，将状态数组s分页存储，使用页面作为后续数据迁移的基本单元；步骤4：将量子门集合G中的量子门作为结点，量子门排布图E中记录的量子门之间的有向依赖作为边，建立有向无环图DAG；步骤5：基于步骤4建立完成的有向无环图DAG，将该有向无环图DAG划分为多个互相独立的子电路S
i
，构成子电路集合S，S
i
中的子电路量子门集合记作G
i
；步骤6：调用执行器，对于划分出的子电路集合S，每次取出一个子电路S
i
，进入步骤7；步骤7：遍历子电路S
i
中不存在数据依赖性的量子比特集合为Q，量子比特q∈Q，当且仅当对于子电路量子门集合G
i
中的任意门g，如果仅作用到量子比特q，即：步骤8：若量子比特集合Q为空集，进入步骤11；否则从量子比特集合Q中逐一取出量子比特q，记q的索引为index(q)，如果index(q)<n
‑
2k，即q在索引中的位置对应页内偏移，进入步骤9，否则进入步骤10；步骤9：遍历量子比特索引的[n
‑
2k,n
‑
k
‑
1]位，如果存在一个索引x，使得该索引x对应的量子比特则重映射q
x
与q的索引，进入步骤8；步骤10：遍历量子比特索引的[n
‑
k,n
‑
1]位，如果存在一个索引x，使得索引x对应的量子比特则重映射q
x
与q的索引，进入步骤8；步骤11：在包含多个计算节点的集群上，对量子电路进行模拟，对于包含s个量子比特的子电路，其中每一个量子门表示为2
s
*2
s
的方阵A，n时刻s个量子比特的状态表示为长度为2
s
的向量Ψ
s
(n)，n+1时刻s个量子比特的状态表示为长度为2
s
的向量Ψ
s
(n+1)，则每一次量子门的作用表示为：Ψ
s
(n+1)＝A
·
Ψ
s
(n)计算过程中需要进行任务划分，将计算任务以高k位为任务编号，均衡发送到可用的GPU中，进入步骤12；步骤12：需要在计算节点之间发送数据时，发送方执行发送任务，接收方执行接收、加载和运行任务，对于每一个计算节点，开启一个线程单独处理发送任务；当发送任务结束之后，关闭该线程，接收、加载和运算任务使用原线程执行，结束后检查所有子电路是否计算完毕，完毕则进入步骤13，否则返回步骤7；步骤13：计算完步骤6子电路集合S中所有子电路，输出最终的量子比特状态Ψ
n
：Ψ
n
＝[p
00
…
000
,p
00
…
001
,
……
,p
11
…
111
]其中p
00
…
000
为经过所有量子门作用后，量子比特状态为00
…
000的概率，为经过所有量子门作用后，量子比特状态为a0a1…
a
n
‑1的概率。
2.根据权利要求1所述的基于CPU和GPU协同的大规模量子电路模拟方法，其特征在于：所述步骤2中，使用全振幅的方式对量子比特初始状态Ψ进行存储的方法如下：(1)用概率的形式表示量子比特的状态，若n＝1，即输入电路仅包含一个量子比特q，其取值集合为{0,1}，两种取值均以概率的形式存在，满足：p
q＝0
+p
q＝1
＝1其中p
q＝0
为该量子比特状态为0的概率，p
q＝1
为该量子比特状态为1的概率；(2)若n>1,对于n位量子比特q
n
,其状态Ψ
n
的取值集合包含2
n
个元素，为从0到2
n
‑1的n位二进制表示，即{00
…
000，00
…
001，00
…
010，
……
，11
…
111}，对于其中每一种取值q0q1…
q
n
‑2q
n
‑1，第i位的数值q
i
对应第i位量子比特的取值；在给定的量子比特状态下，每一种取值的排列组合都有一个出现的概率，所有可能状态出现概率的求和同样满足等式：p
00..000
+p
00..001
+
……
+p
11
…
111
＝1(3)全振幅方式即精确存储每一种取值组合出现的概率，存入状态数组s中，该状态数组s包含2
n
个元素，为2
n
个状态出现的概率。3.根据权利要求1所述的基于CP...
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