[發明專利]一種分布式的量子計算仿真方法和裝置

有效

• 申請號: 202010923077.1
• 申請日: 2020-09-04
• 公開（公告）號: CN112132287B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 張新;趙雅倩;李仁剛;姜金哲;李辰
• 申請（專利權）人: 蘇州浪潮智能科技有限公司
• 主分類號: G06N10/20
• 分類號: G06N10/20;G06N3/12;G06F30/27
• 代理公司: 北京連和連知識產權代理有限公司 11278
• 代理人: 張元;張濤

本發明公開了一種分布式的量子計算仿真方法和裝置，方法包括：將待仿真的量子線路轉化為以無向圖表示的張量網絡，并使用基于分布式系統的運算資源的遺傳算法將無向圖切分為多個子圖；將多個子圖分別在各個子進程節點上執行針對相連接的張量之間的張量縮并直到僅剩一個張量，以最終同時獲得多個子圖的零階張量；從各個子進程節點同時獲取和疊加多個子圖的零階張量以確定無向圖的零階張量，并將其作為正定算子取值測量元的概率幅來執行量子計算仿真。本發明能夠在分布式計算系統上執行基于密度矩陣的單振幅策略量子計算仿真，提高單振幅策略量子計算仿真的泛用性和易用性。

技術領域

本發明涉及量子計算領域，更具體地，特別是指一種分布式的量子計算仿真方法和裝置。

背景技術

量子計算是利用量子糾纏和態疊加原理的新型計算模式，會帶來強大的量子并行性，為后摩爾時代算力不足的問題帶來新的解決方案。其實，費恩曼針對經典計算機仿真量子體系內存開銷指數增長的問題，早在幾十年前就提出量子計算的概念。經過幾十年的發展，量子計算無論在硬件還是算法都取得很大的進展，尤其是隨著谷歌宣稱實現“量子霸權”，量子計算走進公眾視野。然而，整體而言，量子計算仍處于初級階段，距離大規?？扇蒎e的量子計算機還有很長的路要走。在這種背景下，基于經典計算機構建量子計算仿真平臺有很重要的意義：(1)可以為量子算法提供驗證平臺，而且也能為量子軟件、量子容錯的可靠性做驗證；(2)幫助理解經典計算和量子計算的界限，促進量子計算領域的發展。

構建量子計算仿真平臺是一個相對比較新的方向，目前有全振幅和單振幅的模式。全振幅模式需要存儲量子態的全部振幅，通過量子門對振幅進行調控，存儲一個N量子比特的振幅需要的向量維數是2N，存儲需求隨量子比特的增加指數增加，即使一個大型超算也很難仿真超過45量子比特的量子系統。最近，全振幅仿真也取得很大的進展，比如部分振幅仿真，以及雙比特門分解?；陉P聯電子體系量子態的MPS和PEPS技術也屬于全振幅仿真。這些新技術可以使全振幅仿真的規模突破45量子比特。

單振幅仿真是最近發展起來的一種策略，不用存儲量子態全部振幅，只需要計算POVM測量元的概率幅。單振幅策略很容易仿真量子霸權線路，甚至超過100量子比特的淺層量子線路。單振幅模式一般是把量子線路映射為張量網絡，縮并后的0階張量為所需概率幅。目前有基于路徑積分和密度矩陣的兩種策略，基于路徑積分策略的研究相對較多，目前可以仿真40層9*9量子比特的量子霸權線路，是最好的結果。

但是對于基于密度矩陣的量子計算仿真策略，國內外無具體可行的方案運行在分布式超算上，只有支持多線程的方案，運行在一個處理器內的多核上。針對現有技術中基于密度矩陣的單振幅策略量子計算仿真不支持分布式計算系統的問題，目前尚無有效的解決方案。

發明內容

有鑒于此，本發明實施例的目的在于提出一種分布式的量子計算仿真方法和裝置，能夠在分布式計算系統上執行基于密度矩陣的單振幅策略量子計算仿真，提高單振幅策略量子計算仿真的泛用性和易用性。

基于上述目的，本發明實施例的第一方面提供了一種分布式的量子計算仿真方法，包括執行以下步驟：

將待仿真的量子線路轉化為以無向圖表示的張量網絡，并使用基于分布式系統的運算資源的遺傳算法將無向圖切分為多個子圖；

將多個子圖分別在各個子進程節點上執行針對相連接的張量之間的張量縮并直到僅剩一個張量，以最終同時獲得多個子圖的零階張量；

從各個子進程節點同時獲取和疊加多個子圖的零階張量以確定無向圖的零階張量，并將其作為正定算子取值測量元的概率幅來執行量子計算仿真。

在一些實施方式中，將待仿真的量子線路轉化為以無向圖表示的張量網絡包括：

將量子線路中的量子比特的輸入態、操作門、和測量使用跡運算轉化為張量，并在無向圖中確定為頂點；