量子编程与线路优化的研究与实现

摘要

随着信息产业的迅猛发展和互联网技术的不断普及和深入，我们正逐渐步入大数据时代，这将加剧对计算能力的依赖。在此大背景下，量子计算作为一种具有巨大运算潜力的新型计算模式受到了越来越多政府，大型企业和研究机构的关注。但量子计算机的研发是一门交叉性学科，需要硬件和软件两方面相互促进、共同发展。　　关于量子软件的研究主要集中在量子算法和量子编程两方面，这将能够进一步帮助量子计算机发挥其计算能力。然而，由于量子本身具有的奇妙特性，在经典编程领域已取得辉煌成绩的方式和方法并不能直接应用在量子计算机上，比如以量子数据类型为控制卫式的 if 语句等。因此，设计能够充分发挥量子计算机真正并行性的量子编程语言至关重要。本文研究并设计了一款高级量子编程语言，该语言不仅包含量子数据类型，还按照“量子数据，经典控制”的思路实现了量子循环语句和量子条件语句。　　而由于量子态本身的脆弱、退相干现象以及量子逻辑门的误差，减小量子门线路深度对获得更准确的计算结果是至关重要的。此外，由于物理条件的限制，目前的量子芯片上的量子比特并非全连通的，这为设计量子程序带来了额外的困扰。我们应当在对量子程序编译时解决这一问题。本文提出一种新型的量子线路优化算法，该算法能够根据任意给定的量子比特排布，采用“贪心算法”的思想按照“整体量子比特调整”，“局部量子比特调整”和“单量子比特逻辑门合并”等三个步骤对原量子程序进行调整和优化，在使得编译后程序能够满足量子比特排布的前提下，尽可能的减小线路深度和使用的逻辑门数量。　　在现阶段，由于缺少高效可用的量子芯片，为了能够验证本研究提出的高级量子编程语言的有效性以及新型量子线路优化算法的可靠性，我们还设计并实现了一款名为的量子计算仿真平台，它具有高效性、易用性、开源性以及可扩展性。平台能够在量子程序的执行过程中，自动将输入的量子程序完成从高级量子编程语言到量子汇编语言再到线路图的转化，之后在经典计算机上模拟量子计算的执行过程，完成对该量子程序的计算。为了能更真实的模拟整个计算过程，平台在计算过程中对噪音进行了模拟，因此得到的结果与实际芯片的更为接近。我们还将设计的新型量子线路优化算法在该平台上进行了实现。实验结果表明，相较于IBM目前使用的标准化线路优化算法，该算法仅用74.7%的逻辑门就能完成相同的编译任务，且编译效率是IBM的标准算法的7.75倍。

目录

1 绪 论

1.1研究背景和意义

1.2.1量子编程

1.2.2量子计算仿真平台

1.3研究内容

1.4论文结构

2 量子计算

2.1基本概念和数学基础

2.1.1量子比特

2.1.2量子操作

2.1.3量子线路图

2.1.4量子计算的过程

2.2量子编程

2.3本章小结

3 量子线路优化算法

3.1问题背景

3.2算法步骤

3.2.1整体线路调整

3.2.2局部线路调整

3.2.3单量子比特逻辑门合并

3.3.1软件平台

3.3.2硬件平台

3.4实验结果及分析

3.4.1实验方案简述

3.4.2对比IBM的标准化算法

3.4.3不同量子比特排布上的表现

3.5本章小结

4 量子编程的研究与实现

4.1系统需求分析

4.2系统设计

4.2.1系统运行环境

4.2.2设计概念与处理流程

4.2.3体系结构

4.3量子编程

4.3.1量子数据结构

4.3.2量子程序结构

4.3.3量子逻辑门函数

4.4其他相关模块

4.4.1 Circuit模块

4.4.2 Noise模块

4.4.3实际物理设备模块

4.5量子计算云平台

4.6本章小结

5 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目

C. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

D. 学位论文数据集

致谢