[發明專利]一種基于CPU和GPU協同的大規模量子電路模擬方法

在審

• 申請號: 202210232271.4
• 申請日: 2022-03-09
• 公開（公告）號: CN114595820A
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 楊海龍;仲書璋
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06N10/20
• 分類號: G06N10/20
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗;鄧治平

1.一種基于CPU和GPU協同的大規模量子電路模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：啟動量子電路模擬進程，讀取待計算量子電路的輸入，所述輸入包括量子比特的數量n、量子比特初始狀態Ψ、量子門集合G和量子門排布圖E；

步驟2：調用內存管理器，使用全振幅的方式對量子比特初始狀態Ψ進行存儲，存放在狀態數組s中；

步驟3：調用內存管理器，將狀態數組s分頁存儲，使用頁面作為后續數據遷移的基本單元；

步驟4：將量子門集合G中的量子門作為結點，量子門排布圖E中記錄的量子門之間的有向依賴作為邊，建立有向無環圖DAG；

步驟5：基于步驟4建立完成的有向無環圖DAG，將該有向無環圖DAG劃分為多個互相獨立的子電路S_i，構成子電路集合S，S_i中的子電路量子門集合記作G_i；

步驟6：調用執行器，對于劃分出的子電路集合S，每次取出一個子電路S_i，進入步驟7；

步驟7：遍歷子電路S_i中不存在數據依賴性的量子比特集合為Q，量子比特q∈Q，當且僅當對于子電路量子門集合G_i中的任意門g，如果僅作用到量子比特q，即：

步驟8：若量子比特集合Q為空集，進入步驟11；否則從量子比特集合Q中逐一取出量子比特q，記q的索引為index(q)，如果index(q)n-2k，即q在索引中的位置對應頁內偏移，進入步驟9，否則進入步驟10；

步驟9：遍歷量子比特索引的[n-2k,n-k-1]位，如果存在一個索引x，使得該索引x對應的量子比特則重映射q_x與q的索引，進入步驟8；

步驟10：遍歷量子比特索引的[n-k,n-1]位，如果存在一個索引x，使得索引x對應的量子比特則重映射q_x與q的索引，進入步驟8；

步驟11：在包含多個計算節點的集群上，對量子電路進行模擬，對于包含s個量子比特的子電路，其中每一個量子門表示為2^s*2^s的方陣A，n時刻s個量子比特的狀態表示為長度為2^s的向量Ψ_s(n)，n+1時刻s個量子比特的狀態表示為長度為2^s的向量Ψ_s(n+1)，則每一次量子門的作用表示為：

Ψ_s(n+1)＝A·Ψ_s(n)

計算過程中需要進行任務劃分，將計算任務以高k位為任務編號，均衡發送到可用的GPU中，進入步驟12；

步驟12：需要在計算節點之間發送數據時，發送方執行發送任務，接收方執行接收、加載和運行任務，對于每一個計算節點，開啟一個線程單獨處理發送任務；當發送任務結束之后，關閉該線程，接收、加載和運算任務使用原線程執行，結束后檢查所有子電路是否計算完畢，完畢則進入步驟13，否則返回步驟7；

步驟13：計算完步驟6子電路集合S中所有子電路，輸出最終的量子比特狀態Ψ_n：

Ψ_n＝[p_00…000,p_00…001,……,p_11…111]

其中p_00…000為經過所有量子門作用后，量子比特狀態為00…000的概率，為經過所有量子門作用后，量子比特狀態為a₀a₁…a_n-1的概率。