[发明专利]量子电路的仿真

说明书

用于对包括多个量子逻辑门的量子电路进行仿真的方法、系统和装置。在一个方面中，方法包括以下动作：将多个量子逻辑门表示为一个或多个经典布尔变量的函数，该一个或多个经典布尔变量的函数定义了无向图形模型，其中，每个经典布尔变量表示模型中的顶点并且相应经典布尔变量的每个函数表示与相应经典布尔变量对应的顶点之间的团；将从量子电路获得特定输出位串的概率表示为函数的第一乘积之和；以及通过直接地评估函数的乘积之和来计算从量子电路获得特定输出位串的概率。计算的配分函数用于对实现量子电路的量子计算硬件进行(i)校准、(ii)验证或(iii)基准测试。

技术领域

本说明书涉及量子计算。

背景技术

量子电路是用于量子计算的模型，其中，计算是量子逻辑门的序列——n量子位(n-qubit)寄存器上的可逆变换。

发明内容

本说明书描述了用于对量子电路进行仿真的技术。具体地，描述了用于二维量子电路的配分函数仿真和使用受控相位门的量子电路的仿真的方法以及系统。

通常，在本说明书中描述的主题的一个创新方面可以实现为一种用于对量子电路进行仿真的方法，其中，量子电路包括多个量子逻辑门，该方法包括：将多个量子逻辑门表示为一个或多个经典布尔(Boolean)变量的函数，其中，一个或多个经典布尔变量的函数定义了无向图形模型，每个经典布尔变量表示无向图形模型中的顶点并且相应经典布尔变量的每个函数表示与相应经典布尔变量对应的顶点之间的团(clique)；将从量子电路获得特定输出位串的概率表示为函数的第一乘积之和；以及通过直接地评估函数的乘积之和来计算从量子电路获得特定输出位串的概率。

该方面的其他实施方式包括对应的计算机系统、装置和记录在一个或多个计算机存储设备上的计算机程序，计算机系统、装置和计算机程序中的每个被配置为执行该方法的动作。一个或多个计算机的系统可以被配置为借助在系统上安装软件、固件、硬件或其组合来执行特定操作或动作，该软件、固件、硬件或其组合在操作中使得系统执行动作。一个或多个计算机程序可以被配置为借助包括指令来执行特定操作或动作，该指令在由数据处理装置执行时使得该装置执行动作。

前述和其他实施方式可以各自可选地、单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。在一些实施方式中，直接地评估函数的乘积之和包括应用用于对无向图形模型执行精确推断的技术。

在一些实施方式中，应用用于对无向图形模型执行精确推断的技术包括应用变量消除算法。

在一些实施方式中，应用变量消除算法包括：近似定义的无向图形模型的树宽；基于近似的树宽来确定用于变量消除算法的消除顺序；以及通过以确定的消除顺序执行变量消除算法来评估函数的乘积之和。

在一些实施方式中，应用变量消除算法包括：确定用于变量消除算法的垂直消除顺序；以及使用确定的顺序执行变量消除算法。

在一些实施方式中，经典布尔变量列举(i)量子电路在其上操作的量子位的系统中的每个量子位，并且对于每个量子位列举(ii)沿着量子位的世界线的新变量。

在一些实施方式中，通过直接地评估函数的乘积之和来计算从量子电路获得特定输出位串的概率，包括：将每个世界线中的第一个经典布尔变量的值固定为零；以及将量子位j(qubit j)的世界线中的最后一个经典布尔变量的值固定为位串中的与位置j对应的值。

在一些实施方式中，将多个量子逻辑门表示为一个或多个经典布尔变量的函数，包括，针对每个对角的一个量子位的量子逻辑门：将量子逻辑门表示为单变量函数，该单变量函数采用对量子逻辑门的矩阵表示的对角线上的元素进行索引的经典布尔变量作为输入并且提供该元素的值作为输出。

在一些实施方式中，单变量函数的每个输入经典布尔变量被映射到无向图形模型中的与该变量对应的顶点。