[發明專利]一種基于模擬退火的量子寄存器分配方法和系統

在審

• 申請號: 202010434037.0
• 申請日: 2020-05-21
• 公開（公告）號: CN111626423A
• 公開（公告）日: 2020-09-04
• 發明（設計）人: 衛麗華;朱鵬程
• 申請（專利權）人: 宿遷學院
• 主分類號: G06N10/00
• 分類號: G06N10/00
• 代理公司: 南通錦惠知識產權代理事務所(普通合伙) 32384
• 代理人: 錢靚

本發明公開了一種面向線性最近鄰量子計算架構的量子寄存器分配方法，其屬于量子計算和量子信息技術領域。量子寄存器分配方法使用組合優化領域中的重要數學模型?二次分配問題模型表示量子寄存器分配問題，并使用模擬退火方法求解該問題，其包含三個組成部分：量子電路解析方法，基于重退火技術的模擬退火方法以及爬山搜索法。相應地，量子寄存器分配系統包含三個模塊，分別是：量子電路解析模塊、模擬退火模塊以及爬山搜索模塊。本發明適用于線性最近鄰量子計算架構上的量子寄存器分配問題，尤其適用于量子比特數目超過10，手工分配或者蠻力分配法不可行的場景，其可在較短時間內生成量子比特交互代價近最優的量子比特分配方案。

技術領域：

本發明屬于量子計算和量子信息技術領域。本發明涉及一種面向線性最近鄰量子計算架構的量子寄存器分配方法的量子寄存器分配方法和系統。本發明用于將量子電路(/量子算法)中的邏輯量子比特分配到線性排列的物理量子比特，其可以為基于線性最近鄰架構的量子計算機快速生成量子比特交互代價近最優的量子比特分配方案。

背景技術：

線性最近鄰量子計算架構是量子計算設備物理實現技術中最常用的一種架構。在這種架構下，所有的物理量子比特被排列在一個一維拓撲結構中，如圖1所示，其中，圖中的結點表示物理量子比特，每個物理量子比特最多存在兩個近鄰量子比特。線性最近鄰量子計算架構支持單量子比特和雙量子比特量子操作，其中，每個雙量子比特量子操作只能作用在一對近鄰的量子比特上，圖1中的每條邊便代表一類允許的雙量子比特量子操作。允許任意兩個量子比特的量子交互操作是實現通用量子計算的必要條件，而線性最近鄰計算架構僅允許少量的盡量量子比特對可以相互交互，因此，線性最近鄰約束成為使用這些量子計算設備實現通用量子電路(/量子算法)的主要障礙之一。有效的量子寄存器分配方法再配合SWAP門(量子交換門，用于交換兩個近鄰量子比特的量子態，如圖2所示)的插入可以有效克服這個障礙，從而可以在線性最近鄰量子架構上實現各種量子計算任務。量子寄存器分配方法用于將量子電路中的邏輯量子分配給線性最近鄰架構上的物理量子比特，其對于實現近鄰交互所需插入的SWAP門數有著重要影響。在電路的近鄰化過程中，插入的SWAP門越多，量子計算的總時延將越長，并且量子計算的成功率將越低。因此，為了降低SWAP門數并提升量子計算的成功率，需要對量子寄存器分配方法進行精心的設計。

本發明涉及的量子寄存器分配方法和系統屬于量子計算機系統軟件范疇，是基于線性最近鄰架構的量子計算機運行量子電路(\量子算法)的必備系統，其對推進量子計算的發展和應用具有重要意義。由于關于量子計算機的研究仍處于初級階段，相關系統軟件和工具的研究非常少，其中關于量子寄存器分配方法和系統的研究仍處于空白階段。

發明內容：

為解決上述問題，本發明面向線性最近鄰量子計算架構，基于模擬退火技術，提供了一種以最小化交互代價(SWAP門數)為目標的量子寄存器分配方法和系統。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：一種基于模擬退火的量子寄存器分配方法和一套量子寄存器分配系統。

量子寄存器分配方法使用組合優化領域中的常用數學模型-二次分配問題模型表示量子寄存器分配問題，其包含三個組成部分，分別是量子線路解析方法、基于重退火技術的模擬退火方法以及爬山搜索方法。

量子電路解析方法用于將量子電路解析為邏輯量子比特交互頻度矩陣，并將線性最近鄰量子計算架構解析為物理量子比特交互距離矩陣。

爬山搜索法從模擬退火返回的置換開始，對其鄰域進行貪婪搜索，以返回代價更少的置換。

量子寄存器分配系統包含三個模塊，分別是：量子電路解析模塊、模擬退火模塊以及爬山搜索模塊。其基于給定的量子電路和量子計算架構可以快速生成總體交互代價近最優的量子比特分配方案。