[发明专利]中等规模有噪声量子计算机的量子位自适应映射方法

说明书

本发明提供了一种中等规模有噪声量子计算机的量子位自适应映射方法，属于量子计算技术领域。解决了量子线路中电路转换搜寻运算时间过长且缺乏全局优化的问题。其技术方案为：在电路转换寻找初始映射的过程中，利用路由代价评价的方式，相当于对整条量子线路进行了一个全局的的优化过程。本发明的有益效果为：本发明通过量子线路映射方式的自适应变化，评判路由代价值的方法，能够有效缩短逻辑量子线路作用到架构图上的线路总长度，减少量子算法的运行时间，提升复杂量子算法的计算效率，便于量子算法和应用的快速开发。

技术领域

本发明涉及量子计算技术领域，尤其涉及一种中等规模有噪声量子计算机的量子位自适应映射方法。

背景技术

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。IBM、英特尔和谷歌分别发布了他们的QC设备。随着技术的不断发展，现在已经进入嘈杂的中等尺度量子(NISQ)时代。虽然现有的QC设备所具有的量子位元的数量不足以进行量子纠错(QEC)，但预计这些设备将被用于解决可用的经典计算机能力之外的现实问题。

由于NISQ时代的技术限制，量子软件和硬件之间存在着差距。在基于最流行的电路模型设计量子程序时，总是假设量子位元和量子操作是完美的，任何量子物理化操作都可以应用。但在NISQ硬件上，量子位元的相干时间有限，量子操作并不完美。

NISQ器件上有限的二量子位耦合引起的量子位映射问题。双量子位元门是应用于两个量子位元上的量子运算的一种重要类型。它们可以产生量子纠缠，这是在经典计算中不存在的优势。

双量子算法门可以应用于量子算法中的任意两个逻辑量子位，但这一假设不适用于NISQ设备。当运行一个量子程序时，逻辑量子位元需要映射到物理量子位元，经典计算中的一个类比是寄存器分配，但对于NISQ设备上的物理量子位元，一个量子位元只能直接与其相邻的量子位元耦合。因此，对于一个特定的映射，双量子位门只能应用于有限的逻辑量子位对，其相应的物理量子位对支持直接耦合。这使得量子电路不能直接在NISQ设备上执行。

因此在编译过程中，需要进行电路转换才能与NISQ设备兼容。电路转换需要一个初始的逻辑到物理的量子位映射和中间映射过渡，它能够将两个量子位门中的两个逻辑量子位重新映射到两个耦合的物理量子位。这个问题现在的解决方案可以分为两种类型。一种类型是将这个问题表述成一个等价的数学问题，然后应用一个求解器。这些尝试的运行时间非常长，并且只能应用于小型情况。另一种方法是启发式搜索，但由于穷举映射搜索，它们的运行时间非常长，而且它们的初始映射解决方案缺乏全局优化的能力。

如何解决上述技术问题为本发明面临的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中等规模有噪声量子计算机的量子位自适应映射方法，解决了量子线路中电路转换搜寻运算时间过长且缺乏全局优化的问题，可以缩短量子线路中电路转换搜寻时间并产生一个基于全局的优化。

为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：一种基于中等规模有噪声量子计算机的量子位自适应映射方法，包括如下步骤：

步骤S1，输入量子线路，并构造一个空的映射与路由代价树中，为其添加一个空的树根；

步骤S2，根据输入的量子线路，对应所选取的架构图随机生成n个初代映射，作为根节点后的子节点加入映射与路由树中，每一个节点存储一个不同的映射方式；

步骤S3，根据S2中所选取的架构图，构造一个与之类似的拓扑结构的图；

步骤S4，对照S3中得到的拓扑结构图，创建一个空的代价表，计算每两点之间的距离，构成一张基于拓扑结构图的路由代价表。

步骤S5，对S2中生成的n个初代映射进行一个路由代价评估，并根据量子线路的大小与拓扑图的大小，设定一个分支概率，初代路由带价表1如下所示。

表1