一种用于量子计算机的量子比特映射和量子门调度方法技术

本发明专利技术涉及一种用于量子计算机的量子比特映射和量子门调度方法，包括如下步骤：步骤S1、输入量子线路数据；步骤S2、在计算机中初始化调度状态；步骤S3、基于所述量子线路，采用调度序列优化生成方法生成量子门并行执行的调度序列；其中，通过采用启发式调度机制以量子门为调度粒度，支持量子门的执行时长不统一且可配置；基于评估可调度门的代价函数而构建启发式贪心算法较快地解决量子门并行调度问题；并将启发式贪心算法嵌入到蒙特卡洛树并行搜索框架，能给出更佳的并行调度结果；步骤S4、在量子计算机中按照生成的调度序列运行量子计算过程。本发明专利技术为门级量子线路产生合法的高效量子门调度序列，以缩短量子线路在量子计算机上的执行时长。上的执行时长。上的执行时长。

【技术实现步骤摘要】
一种用于量子计算机的量子比特映射和量子门调度方法


[0001]本专利技术涉及量子计算机以及量子计算程序调度计算领域，具体涉及一种面向中性原子量子计算机的量子比特映射和量子门调度方法。

技术介绍

[0002]量子计算机是基于量子力学原理，存储、处理量子信息的计算装置。现有的量子计算机可以通过光学装置等方法实现。
[0003]在量子计算机中，量子计算过程通常表示为量子线路的形式，本专利技术采用有向无环图（DAG）表示量子线路，图1展示了四个量子门的DAG表示形式的例子，左侧是OpenQASM程序的片段，它包含四个量子门，右侧是该程序对应的DAG表示形式，在右侧DAG中，每个节点表示一个量子门，例如：有向边<CX q2,q3,CX q1,q2>及边上的量子比特q2表示弧头节点 CX q1,q
2 依赖弧尾节点 CX q2,q
3 执行，附在边上的量子比特q2表示是被对应两个量子门共用到的量子比特。
[0004]目前以及未来的一段时间属于NISQ时代，这期间的量子硬件存在许多硬件限制，比特数目较少，计算过程保真度低，相干时长短。如何最大化的发挥NISQ时代的量子计算机的价值成为一个重要研究问题。
[0005]目前已有基于各种物理系统的量子计算机，主要包括超导、离子、中性原子、硅基半导体等等。
[0006]量子硬件存在一些限制和特征，而量子程序是硬件无关的。量子程序要在设备上运行，需要被编译为硬件支持的操作，并经过充分的优化以提高运行效率和保真度。它首先需要经过前端和硬件无关优化过程，转换为低级的量子线路，再经由硬件相关优化过程转换为硬件支持的操作。
[0007]超导和中性原子量子计算机都拥有量子比特连接限制，它要求，一个多比特门作用于k个量子比特，则这k个量子比特必须两两连通。
[0008]超导的量子比特连通关系由量子比特连通图描述，图中存在边相连的量子比特是连通的。而对于NAQC，一般设定量子比特之间的最大作用距离R
b
，即一个量子比特和它欧氏距离小于R
b
的量子比特连通。
[0009]当前的量子计算机并不满足量子比特全连通，所述全连通表示任意两个量子比特之间都是连通的。对此一种通常的应对策略是：对于一个输入的逻辑线路，编译器建立并在执行过程中维护逻辑比特到物理比特的映射关系，我们将逻辑线路中的量子门称为工作门，量子线路的执行过程是工作门和SWAP门的交替执行，当某工作门不满足量子比特连接限制时，可以通过执行若干SWAP门，改变量子比特映射，从而使得它满足比特连接性。SWAP门之所以能够改变量子比特映射，是因为它能交换它所作用的两个物理比特的状态，从而相当于交换这两个物理比特到逻辑比特的映射关系。我们将向逻辑线路中插入SWAP门的过程称为量子比特映射。
[0010]参见图2所示，是一个超导量子计算机（Quantum Computer，QC）的例子(量子比特
之间按物理实现的直接连接)：参见图3所示，是一个中性原子超导量子计算机的例子(长程连接的最大作用距离R
b
=2)：以上，Q
i
(q
j
)表示逻辑比特q
j
映射到物理比特Q
i
。逻辑线路中的量子比特都是逻辑比特，CX是一种两比特门，如果是三比特门或者四比特门需要它作用的量子比特的两两距离都满足连接限制。
[0011]中性原子量子计算机存在并行限制，它要求，任一多控门拥有一定限制区域，限制区域重叠的门不能并行。如图4所示，量子门CX Q2,Q3不能和CX Q0,Q1并行执行。所述的限制区域是物理区域，如果要考虑逻辑门（工作门）的限制区域，则根据量子比特映射把逻辑门转换为对应的物理门，其所对应物理门的限制区域即逻辑门的限制区域。
[0012]确定限制区域的过程如下：令g.reg表示一个多比特门g作用的量子比特集合，量子门的限制半径是它作用的任意两个量子比特的最大距离的一半，即：函数d计算空间中两点的欧氏距离，Q
i
.pos：物理比特Q
i
在空间中的位置坐标；则g的限制区域为：U
Q∈g.reg
{p|d(p,Q.pos)≤r(g)}，p是限制区域中的点，也就是说限制区域内的一点需要满足d(p,Q.pos)≤r(g)，也就是p到g作用的某个量子比特Q的距离不大于g的限制半径；直观来看，限制区域就是以门作用的量子比特为圆心，r(g)为半径画圆。

技术实现思路

[0013]针对中性原子量子比特的连通性基于里德堡长程相互作用、限制区域重叠的量子门不能并行执行等硬件约束，本专利技术提出一种适配中性原子量子计算机的量子比特映射和量子门调度方法。它为输入的门级量子线路产生合法的高效量子门调度序列，以缩短量子线路在中性原子量子计算机上的执行时长。本专利技术提出的启发式调度机制以量子门为调度粒度，支持量子门的执行时长不统一且可配置；基于提出的评估可调度门的代价函数而构建的启发式贪心算法能较快地解决量子门调度问题；而将启发式贪心算法嵌入到进一步提出的蒙特卡洛树并行搜索框架，则能给出更佳的并行调度结果。
[0014]本专利技术的技术方案为：一种用于量子计算机的量子比特映射和量子门调度方法，包括如下步骤：步骤S1、输入量子线路数据；步骤S2、在计算机中初始化调度状态；步骤S3、基于所述量子线路，采用调度序列优化生成方法生成量子门并行执行的调度序列；其中，通过采用启发式调度机制以量子门为调度粒度，满足量子比特连接性约束(直接连接或一定范围内的长程连接)，支持量子门的执行时长不统一且可配置，支持多比特量子门执行期间对其周边区域量子比特操作的限制约束；基于提出的评估可调度门的代价函数而构建启发式贪心算法较快地解决量子门并行调度问题；并将启发式贪心算法嵌入到蒙特卡洛树并行搜索框架，能给出更佳的并行调度结果；步骤S4、在量子计算机中按照生成的调度序列运行量子计算过程。
[0015]进一步的，所述的步骤S3中，采用调度序列优化生成方法生成调度序列，是指采用启发式贪心算法生成调度序列，具体包括：步骤311、给量子线路中的各量子门赋予权重；步骤312、根据当前调度状态生成当前可调度门集合，将未被调度线路中没有前驱且满足连接限制的量子门加入可调度门集合，将所有满足比特连接限制的SWAP门加入可调度门集合，并筛选SWAP门；步骤313、根据代价函数选择代价最小的可调度门，记为目标调度门；步骤314、将目标调度门的开始执行时间设置为它所需的计算资源都被释放的时间，将目标调度门及其开始执行时间加入调度序列，更新当前调度状态的计算资源被释放时间，如果目标调度门是工作门，则将其从当前调度状态的未调度线路中删除，如果目标调度门是SWAP门，则更新当前调度状态的量子比特映射；步骤315、如果当前调度状态为终止状态，输出生成的调度序列，否则回到步骤311。
[0016]进一步的，采用调度序列优化生成方法生成调度序列，是指采用蒙特卡洛树搜索算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于量子计算机的量子比特映射和量子门调度方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、输入量子线路数据；步骤S2、在计算机中初始化调度状态；步骤S3、基于所述量子线路，采用调度序列优化生成方法生成量子门并行执行的调度序列，包括：采用启发式贪心算法生成调度序列以及采用蒙特卡洛树搜索算法生成调度序列，其中，所述启发式贪心算法采用启发式调度机制，以量子门为调度粒度，满足量子比特连接性约束，支持量子门的执行时长不统一且可配置，支持多比特量子门执行期间对其周边区域量子比特操作的限制约束；所述的启发式贪心算法是基于评估可调度门的代价函数而构建的；步骤S4、在量子计算机中按照生成的调度序列运行量子计算过程。2.根据权利要求1所述的一种用于量子计算机的量子比特映射和量子门调度方法，其特征在于，所述的步骤S3中，采用调度序列优化生成方法生成量子门并行执行的调度序列，是指采用启发式贪心算法生成调度序列，具体包括：步骤311、给量子线路中的各量子门赋予权重；步骤312、根据当前调度状态生成当前可调度门集合，将未被调度线路中没有前驱且满足连接限制的量子门加入可调度门集合，将所有满足比特连接限制的SWAP门加入可调度门集合，并筛选SWAP门；步骤313、根据代价函数选择代价最小的可调度门，记为目标调度门；步骤314、将目标调度门的开始执行时间设置为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张昱，李永尚，陈铭瑜，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：