[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于CPU和GPU協(xié)同的大規(guī)模量子電路模擬方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210232271.4
• 申請(qǐng)日: 2022-03-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114595820A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊海龍;仲書(shū)璋
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06N10/20
• 分類(lèi)號(hào): G06N10/20
• 代理公司: 北京科迪生專(zhuān)利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 安麗;鄧治平

本發(fā)明針對(duì)量子電路模擬，公開(kāi)了一種基于CPU和GPU協(xié)同的大規(guī)模量子電路模擬方法，步驟包括：1)對(duì)量子比特信息分頁(yè)存儲(chǔ)，建立頁(yè)表管理數(shù)據(jù)；2)對(duì)輸入的量子電路進(jìn)行重排；3)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重映射；4)在通信時(shí)建立流水線(xiàn)緩存體系。本發(fā)明充分利用了量子電路的特性，對(duì)于量子電路模擬的訪(fǎng)存效率進(jìn)行了優(yōu)化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量子計(jì)算、高性能計(jì)算等領(lǐng)域，特別是涉及一種基于CPU和GPU協(xié)同的大規(guī)模量子電路模擬方法。

背景技術(shù)

隨著量子計(jì)算機(jī)和量子算法的發(fā)展，量子計(jì)算成為未來(lái)超越經(jīng)典計(jì)算最可能的手段。然而，由于量子計(jì)算機(jī)的保真度較差、研發(fā)和使用成本高等原因，在其上驗(yàn)證量子算法很不方便。因此使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬量子電路的運(yùn)行成為有效手段。量子模擬的方法主要分為兩類(lèi)，包括狀態(tài)向量(全振幅)方法和張量網(wǎng)絡(luò)方法：前者的規(guī)模受限于量子比特?cái)?shù)目，其內(nèi)存占用隨著量子比特增加呈指數(shù)增長(zhǎng)，每增加一個(gè)量子比特占用內(nèi)存將翻倍；后者利用張量的縮并和分解可以繞過(guò)指數(shù)墻限制，但對(duì)于較深的電路和糾纏較高的電路則性能較差。

QuEST基于狀態(tài)向量方法實(shí)現(xiàn)。它使用狀態(tài)向量數(shù)組存儲(chǔ)完整的狀態(tài)向量，并支持多控制量子比特的單量子比特門(mén)。其中，量子比特門(mén)的應(yīng)用通過(guò)使用各個(gè)對(duì)應(yīng)的小算子依次作用于整個(gè)狀態(tài)向量來(lái)進(jìn)行。雖然QuEST支持使用GPU加速，但其中的實(shí)現(xiàn)具有明顯的訪(fǎng)存瓶頸，存在很大的優(yōu)化空間；此外，僅支持單個(gè)GPU的限制也使得QuEST的GPU加速的問(wèn)題規(guī)模的擴(kuò)展性受限：QuEST將狀態(tài)向量存儲(chǔ)在顯存中以避免頻繁的主存與顯存之間的拷貝開(kāi)銷(xiāo)，因此當(dāng)量子比特超過(guò)31時(shí)，所需的內(nèi)存至少為64GB，超過(guò)了絕大多數(shù)GPU的顯存容量，QuEST將不能運(yùn)行。這類(lèi)大規(guī)模量子算法目前仍然不能被QuEST使用高性能GPU硬件對(duì)其模擬計(jì)算進(jìn)行加速。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明技術(shù)解決問(wèn)題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于CPU和GPU協(xié)同的大規(guī)模量子電路模擬方法，解決現(xiàn)有量子電路模擬軟件的訪(fǎng)存延遲問(wèn)題，分別從時(shí)間局部性、空間局部性的角度對(duì)于訪(fǎng)存進(jìn)行了有效的優(yōu)化，顯著提升了量子電路模擬的速度。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案，一種基于CPU和GPU協(xié)同的大規(guī)模量子電路模擬方法，包括如下步驟：

步驟1：?jiǎn)?dòng)量子電路模擬進(jìn)程，讀取待計(jì)算量子電路的輸入，輸入包括量子比特的數(shù)量n、量子比特初始狀態(tài)Ψ、量子門(mén)集合G和量子門(mén)排布圖E；

步驟2：調(diào)用內(nèi)存管理器，使用全振幅的方式對(duì)量子比特的初始狀態(tài)Ψ進(jìn)行存儲(chǔ)，存放在狀態(tài)數(shù)組s中；具體方法為：

(1)用概率的形式表示量子比特的狀態(tài)，若n＝1，即輸入電路僅包含一個(gè)量子比特q，其取值集合為{0,1}，兩種取值均以概率的形式存在，滿(mǎn)足：

p_q＝0+p_q＝1＝1

其中p_q＝0為該量子比特狀態(tài)為0的概率，p_q＝1為該量子比特狀態(tài)為1的概率

(2)若n1,對(duì)于n位量子比特q_n,其狀態(tài)Ψ_n的取值集合包含2ⁿ個(gè)元素，為從0到2^n-1的n位二進(jìn)制表示，即{00…000，00…001，00…010，……，11…111}，對(duì)于其中每一種取值q₀q₁…q_n-2q_n-1，第i位的數(shù)值q_i對(duì)應(yīng)第i位量子比特的取值；在給定的量子比特狀態(tài)下，每一種取值的排列組合都有一個(gè)出現(xiàn)的概率，所有可能狀態(tài)出現(xiàn)概率的求和同樣滿(mǎn)足等式：

p_00..000+p_00..001+……+p_11…111＝1