基于GPU集群的通用量子线路仿真优化方法研究

摘要

伴随着量子计算的飞速发展，量子计算机的研究成果不断涌现，在量子计算机实用化前，量子计算仿真技术仍是研究人员开展研究的重要手段。量子线路作为量子计算仿真实现最具代表性的模型，一直是国内外学者的研究热点。本文以量子线路为主要研究对象，针对量子线路的设计和优化开展分析研究，提出了适合GPU集群环境的通用量子门组合，设计了GPU集群环境下的量子门等价替换方法和量子线路等价规则（简称量子计算仿真线路优化方法），对量子算法进行仿真线路的设计和优化。具体工作包括以下几个方面： 第一，针对基础量子门的仿真效率问题，分析量子计算中通用量子门的组合及GPU集群环境下量子门仿真实现的数据依赖关系；提出了适合GPU集群环境的通用量子门组合（受控Z门，Hadamard门，π8门）；通过实验验证了其具有更高的仿真效率。 第二，分析基础量子门的等价关系，以适合GPU集群环境仿真实现的量子门组合为基础，提出了适合GPU集群环境的量子门等价替换方法和量子线路等价规则；通过在GPU集群环境下的实验，验证所提出的优化方法的有效性，为本文后续针对具体量子算法的仿真线路设计与优化提供了有效的指导。 第三，针对典型的量子算法如量子隐形传态、量子Fourier变换和Grover量子搜索算法，利用本文所提出的仿真线路优化方法对其线路进行设计和优化；实验结果显示，优化后量子算法的线路具有更高的仿真效率。其中，量子隐形传态仿真效率提高了63%，在进行33位算法仿真时，量子Fourier变换的仿真效率提高了16.7%，Grover量子搜索算法的仿真效率提高了55.6%；通过总结，进一步说明了本文所提出的量子算法仿真线路设计与优化方法具有普适性。 本文研究了GPU集群环境下的量子计算仿真线路的设计和优化方法，提高了GPU集群环境下量子算法的仿真效率，对我国量子计算仿真技术的发展起到较大的推动作用。

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