CN111401562A - 一种终端界面中量子线路的运行方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种终端界面中量子线路的运行方法及装置，方法包括：在终端界面接收用户针对量子线路的单步运行操作；响应所述单步运行操作，运行所述量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门，在所述终端界面显示运行结果，其中，所述量子线路中未运行的量子逻辑门处于可编辑状态。利用本发明实施例，能够使得用户在构建并运行量子线路时，能够单步一次一次运行量子线路，观察中间运行结果，且能够对未运行的量子线路再编辑，提升用户体验，填补相关技术的空白。
Description
技术领域
本发明属于量子计算技术领域，特别是一种终端界面中量子线路的运行方法及装置。
背景技术
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。
量子计算模拟是一个借助数值计算和计算机科学来仿真遵循量子力学规律的模拟计算，作为一个仿真程序，它依据量子力学的量子比特的基本定律，利用计算机的高速计算能力，刻画量子态的时空演化。
随着现代化技术的日益发展，量子技术使得数字化计算能力实现了指数级提升。量子比特位数越多，计算速度随之成倍增长，其发挥的功能也就越强大。但是，在为用户提供量子计算在线演示、教育科普及模拟服务方面，用户无法体验在计算机交互界面构建并运行量子线路时，运行方式往往是一次运行全部量子线路，无法打断或观察中间运行结果，且无法对量子线路再编辑，用户体验有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种终端界面中量子线路的运行方法及装置，以解决现有技术中的不足，它使得用户能够单步一次一次运行量子线路，观察中间运行结果，且能够对未运行的量子线路再编辑。
本申请的一个实施例提供了一种终端界面中量子线路的运行方法，包括：
在终端界面接收用户针对量子线路的单步运行操作；
响应所述单步运行操作，运行所述量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门，在所述终端界面显示运行结果，其中，所述量子线路中未运行的量子逻辑门处于可编辑状态。
可选的，在运行所述量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门之后，还包括：
在终端界面区别显示所述量子线路中已运行的量子逻辑门。
可选的，在运行所述量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门之后，还包括：
接收针对所述量子线路中未运行的量子逻辑门的编辑操作；其中，所述编辑操作包括：增加、删除和替换；
响应所述编辑操作，在终端界面显示编辑后的量子线路。
可选的，所述运行结果包括：量子态的概率和振幅。
本申请的又一实施例提供了一种终端界面中量子线路的运行装置，包括：
第一接收模块，用于在终端界面接收用户针对量子线路的单步运行操作；
响应运行模块，用于响应所述单步运行操作，运行所述量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门，在所述终端界面显示运行结果，其中，所述量子线路中未运行的量子逻辑门处于可编辑状态。
可选的，还包括：
区别显示模块，用于在终端界面区别显示所述量子线路中已运行的量子逻辑门。
可选的，还包括：
第二接收模块，用于接收针对所述量子线路中未运行的量子逻辑门的编辑操作；其中，所述编辑操作包括：增加、删除和替换；
响应显示模块，用于响应所述编辑操作，在终端界面显示编辑后的量子线路。
可选的，所述运行结果包括：量子态的概率和振幅。
本申请的又一实施例提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项中所述的方法。
本申请的又一实施例提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一项中所述的方法。
与现有技术相比，本发明首先在终端界面接收用户针对量子线路的单步运行操作，响应单步运行操作，运行量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门，在终端界面显示运行结果，其中，量子线路中未运行的量子逻辑门处于可编辑状态，使得用户在构建并运行量子线路时，能够单步一次一次运行量子线路，观察中间运行结果，且能够对未运行的量子线路再编辑，提升用户体验，填补相关技术的空白。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种终端界面中量子线路的运行方法的计算机终端的硬件结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种终端界面中量子线路的运行方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种量子线路的运行示意图；
图4是本发明实施例提供的一种量子线路的编辑示意图；
图5是本发明实施例提供的一种终端界面中量子线路的运行装置的结构示意图。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
目前，量子计算趋向于高级表达，对于对量子计算知之甚少的用户的初级学习，还不足以做到清晰的展示量子计算整个由简单到复杂的计算过程，例如是量子线路的计算演化和物理实现的可视化展示过程。为此，本发明实施例提供一种终端界面中量子线路的运行方法及装置、存储介质和电子装置。
下面首先详细介绍一种终端界面中量子线路的运行方法，该方法可以应用于电子设备，如移动终端，具体如手机、平板电脑；如计算机终端，具体如普通电脑等等。
下面以运行在计算机终端上为例对其进行详细说明。图1是本申请实施例的一种量子计算模拟硬件结构框图。如图1所示，计算机终端10可以包括一个或多个(图1中仅示出一个)处理器102(处理器102可以包括但不限于微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置)和用于存储数据的存储器104，可选地，上述计算机终端还可以包括用于通信功能的传输装置106以及输入输出设备108。本领域普通技术人员可以理解，图1所示的结构仅为示意，其并不对上述计算机终端的结构造成限定。例如，计算机终端10还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。
存储器104可用于存储应用软件的软件程序以及模块，如本申请实施例中的量子计算模拟方法对应的程序指令/模块，处理器102通过运行存储在存储器104内的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的方法。存储器104可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器104可进一步包括相对于处理器102远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至计算机终端10。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
传输装置106用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括计算机终端10的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输装置106包括一个网络适配器(Network Interface Controller，NIC)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输装置106可以为射频(Radio Frequency，RF)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。
需要说明的是，真正的量子计算机是混合结构的，它包含两大部分：一部分是经典计算机，负责执行经典计算与控制；另一部分是量子设备，负责运行量子程序进而实现量子计算。而量子程序是由量子语言如QRunes语言编写的一串能够在量子计算机上运行的指令序列，实现了对量子逻辑门操作的支持，并最终实现量子计算。具体的说，量子程序就是一系列按照一定时序操作量子逻辑门的指令序列。
在实际应用中，因受限于量子设备硬件的发展，通常需要进行量子计算模拟以验证量子算法、量子应用等等。量子计算模拟即借助普通计算机的资源搭建的虚拟架构(即量子虚拟机)实现特定问题对应的量子程序的模拟运行的过程。通常，需要构建特定问题对应的量子程序。本发明实施例所指量子程序，即是经典语言编写的表征量子比特及其演化的程序，其中与量子计算相关的量子比特、量子逻辑门等等均有相应的经典代码表示。
量子线路作为量子程序的一种体现方式，也称量子逻辑电路，是最常用的通用量子计算模型，表示在抽象概念下对于量子比特进行操作的线路，其组成包括量子比特、线路(时间线)，以及各种量子逻辑门，最后常需要通过量子测量操作将结果读取出来。
不同于传统电路是用金属线所连接以传递电压信号或电流信号，在量子线路中，线路可看成是由时间所连接，亦即量子比特的状态随着时间自然演化，在这过程中按照哈密顿运算符的指示，一直到遇上逻辑门而***作。
一个量子程序整体上对应有一条总的量子线路，本发明所述量子程序即指该条总的量子线路，其中，该总的量子线路中的量子比特总数与量子程序的量子比特总数相同。可以理解为：一个量子程序可以由量子线路、针对量子线路中量子比特的测量操作、保存测量结果的寄存器及控制流节点(跳转指令)组成，一条量子线路可以包含几十上百个甚至千上万个量子逻辑门操作。量子程序的执行过程，就是对所有的量子逻辑门按照一定时序执行的过程。需要说明的是，时序即单个量子逻辑门被执行的时间顺序。
需要说明的是，经典计算中，最基本的单元是比特，而最基本的控制模式是逻辑门，可以通过逻辑门的组合来达到控制电路的目的。类似地，处理量子比特的方式就是量子逻辑门。使用量子逻辑门，能够使量子态发生演化，量子逻辑门是构成量子线路的基础，量子逻辑门包括单比特量子逻辑门，如Hadamard门(H门，阿达马门)、泡利-X门、泡利-Y门、泡利-Z门、RX门、RY门、RZ门；多比特量子逻辑门，如CNOT门、CR门、iSWAP门、Toffoli门。量子逻辑门一般使用酉矩阵表示，而酉矩阵不仅是矩阵形式，也是一种操作和变换。一般量子逻辑门在量子态上的作用是通过酉矩阵左乘以量子态右矢对应的矩阵进行计算的。
参见图2，图2为本发明实施例提供的一种终端界面中量子线路的运行方法的流程示意图，可以包括如下步骤：
S201，在终端界面接收用户针对量子线路的单步运行操作；
具体的，可以接收用户针对量子线路的运行功能项的点击触发操作，运行功能项包括但不限于：单步运行、单步返回、全部运行和初始化。
其中，终端界面可以显示用户能够点击的各运行功能项按钮：
单步运行，是指运行一个执行时序内的量子逻辑门操作，得到一个时序后的量子线路所处的状态；
单步返回，是指退回到一个执行时序前的量子线路的状态；
全部运行，是指运行全部执行时序内的量子逻辑门操作，也就是一次性运行整条量子线路，得到全部量子逻辑门执行完成后的量子线路的状态；
初始化，是指退回到整条量子线路未运行时的默认初始状态。
S202，响应所述单步运行操作，运行所述量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门，在所述终端界面显示运行结果，其中，所述量子线路中未运行的量子逻辑门处于可编辑状态。
终端界面在接收到单步运行操作后会进行响应，即运行量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门，在终端界面的另一区域显示运行结果。其中，运行结果可以包括：量子态的概率和振幅值。处于同一个执行时序的量子逻辑门操作的量子比特不同，可以同时被执行。
具体的，在运行所述量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门之后，还可以在终端界面区别显示所述量子线路中已运行的量子逻辑门。
示例性的，如图3所示,量子线路可表示为：
第一个时序：H q[0]；
第二个时序：X q[0]；
第三个时序：Y q[1]；
第四个时序：Z q[0]，NOT q[1]；
其中，H表示H门，X表示泡利-X门，Y表示泡利-Y门，Z表示泡利-Z门，NOT表示非门。
此时，用户点击单步运行功能项，则运行H q[0]，显示运行后的量子态的振幅和概率(图中未示出)，图中H与X之间的竖线表示断点位置，即量子线路当前运行到该位置处。再次点击单步运行功能项，则从当前位置，继续运行下一时序中的X q[0]，更新显示此次运行后的量子态的振幅和概率，从而观察到量子态的中间演化过程，利于用户加深对量子计算原理的学习理解。
同理，可以继续点击单步运行，则会运行Y q[1]，最后一次点击单步运行，则运行Zq[0]，NOT q[1]。每次运行完成后，对已运行的量子逻辑门图标可以区别显示(图中未示出)，例如，原量子逻辑门图标为蓝色，运行后置为灰色。
具体的，在运行所述量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门之后，还可以接收针对所述量子线路中未运行的量子逻辑门的编辑操作；其中，所述编辑操作包括：增加、删除和替换；响应所述编辑操作，在终端界面显示编辑后的量子线路。
并且，接收用户针对量子线路的单步运行操作前，可以在终端界面接收用户针对量子线路的编辑操作。
具体的，编辑量子线路，主要是设置量子比特和操作量子比特的量子逻辑门，每个量子比特对应一条时间线，根据用户的构建需求，量子逻辑门被设置在时间线上。
其中，量子线路，也称量子逻辑电路，是最常用的通用量子计算模型，表示在抽象概念下对于量子比特进行操作的线路，其组成包括量子比特、线路(时间线)，以及各种量子逻辑门，最后常需要通过量子测量操作将结果读取出来。
不同于传统电路是用金属线所连接以传递电压信号或电流信号，在量子线路中，线路可看成是由时间所连接，亦即量子比特的状态随着时间自然演化，在这过程中按照哈密顿运算符的指示，一直到遇上逻辑门而***作。
在一种实现方式中，编辑操作可以包括但不限于：设置量子比特：增加或减少量子比特；设置量子逻辑门：该处无量子逻辑门，则可单击进行选择性的增加单个量子逻辑门或量子逻辑门的预设集合；该处存在量子逻辑门，可单击该量子逻辑门进行选择性的替换、删除或参数设置，也可双击该量子逻辑门实现快捷删除，还可按住该量子逻辑门的图标进行拖动等操作。
示例性的，终端为计算机，终端界面至少显示一个量子比特对应的表示、初始量子态和时间线，时间线上方显示有时序的编号。
参见图4，如图4a所示，第0位的量子比特表示为q[0]，0为比特位数，初始量子态为0态，表示为量子态右矢|0>，时间线为一条横线，时间线上方的数字1、2、3即为时序编号，表示第一个、第二个和第三个时序。用户点击时序1下方正对着的、q[0]对应的时间线处的功能项(不可见)，会弹出包括量子逻辑门的第一悬浮框，点击悬浮框中的量子逻辑门NOT门，则悬浮框消失，时间线上该处相应显示代表该NOT门的图标，同理，可在时序2正下方的时间线处，增加X门。点击用于设置量子比特数量的功能项“+”，增加一个量子比特，则终端界面在显示原有量子线路的基础上，增加显示一个量子比特的图标q[1]、初始量子态右矢|0>和时间线，最终显示效果如图4b所示，其中，设置量子比特数量的另一功能项“-”，用于减少一个量子比特，与功能项“+”的效果相反。
继续在q[1]对应的时间线上增加Y门和H门，增加方式与NOT门同理，得到图4c。单击图4c中的NOT图标，显示第二悬浮框，如图4d所示，该悬浮框中包含该图标表示的量子逻辑门的名称“非门”和矩阵形式
还包括替换和删除的操作功能项：单击“替换”，则显示第一悬浮框，用于选择量子逻辑门以替换该NOT门；单击“删除”，则删除该NOT门。此外，如果直接双击该NOT图标，则能够将其快捷删除；如果按住NOT门图标，能够将其进行拖动，例如拖动放到时序3下方的、q[0]对应的时间线位置处。
终端在接收用户的编辑操作后会进行响应，进而在界面中实时显示编辑后的量子线路。其中，可利用现有技术，实现：响应所述编辑操作，在所述终端界面显示编辑后的量子线路，在此不做赘述。
例如，用户通过点击设置量子比特的功能项，增加一个量子比特，则终端界面在显示原有量子线路的基础上，增加显示一个量子比特的图标、初始量子态和时间线，也就是在该终端界面会在响应后显示编辑后的量子线路。
可见，通过在终端界面接收用户针对量子线路的单步运行操作，响应单步运行操作，运行量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门，在终端界面显示运行结果，其中，量子线路中未运行的量子逻辑门处于可编辑状态，使得用户在构建并运行量子线路时，能够单步一次一次运行量子线路，观察中间运行结果，且能够对未运行的量子线路再编辑，提升用户体验，填补相关技术的空白。
参见图5，图5为本发明实施例提供的一种终端界面中量子线路的运行装置的结构示意图，与图2所示的流程对应，该装置可以包括：
第一接收模块501，用于在终端界面接收用户针对量子线路的单步运行操作；
响应运行模块502，用于响应所述单步运行操作，运行所述量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门，在所述终端界面显示运行结果，其中，所述量子线路中未运行的量子逻辑门处于可编辑状态。
具体的，还包括：
区别显示模块，用于在终端界面区别显示所述量子线路中已运行的量子逻辑门。
具体的，还包括：
第二接收模块，用于接收针对所述量子线路中未运行的量子逻辑门的编辑操作；其中，所述编辑操作包括：增加、删除和替换；
响应显示模块，用于响应所述编辑操作，在终端界面显示编辑后的量子线路。
具体的，所述运行结果包括：量子态的概率和振幅。
可见，通过在终端界面接收用户针对量子线路的单步运行操作，响应单步运行操作，运行量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门，在终端界面显示运行结果，其中，量子线路中未运行的量子逻辑门处于可编辑状态，使得用户在构建并运行量子线路时，能够单步一次一次运行量子线路，观察中间运行结果，且能够对未运行的量子线路再编辑，提升用户体验，填补相关技术的空白。
本发明实施例还一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。
具体的，在本实施例中，上述存储介质可以被设置为存储用于执行以下步骤的计算机程序：
S1，在终端界面接收用户针对量子线路的单步运行操作；
S2，响应所述单步运行操作，运行所述量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门，在所述终端界面显示运行结果。
具体的，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。
可见，通过在终端界面接收用户针对量子线路的单步运行操作，响应单步运行操作，运行量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门，在终端界面显示运行结果，其中，量子线路中未运行的量子逻辑门处于可编辑状态，使得用户在构建并运行量子线路时，能够单步一次一次运行量子线路，观察中间运行结果，且能够对未运行的量子线路再编辑，提升用户体验，填补相关技术的空白。
本发明实施例还提供一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。
具体的，上述电子装置还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。
具体的，在本实施例中，上述处理器可以被设置为通过计算机程序执行以下步骤：
S1，在终端界面接收用户针对量子线路的单步运行操作；
S2，响应所述单步运行操作，运行所述量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门，在所述终端界面显示运行结果。
可见，通过在终端界面接收用户针对量子线路的单步运行操作，响应单步运行操作，运行量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门，在终端界面显示运行结果，其中，量子线路中未运行的量子逻辑门处于可编辑状态，使得用户在构建并运行量子线路时，能够单步一次一次运行量子线路，观察中间运行结果，且能够对未运行的量子线路再编辑，提升用户体验，填补相关技术的空白。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种终端界面中量子线路的运行方法，其特征在于，包括：
在终端界面接收用户针对量子线路的单步运行操作；
响应所述单步运行操作，运行所述量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门，在所述终端界面显示运行结果，其中，所述量子线路中未运行的量子逻辑门处于可编辑状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在运行所述量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门之后，还包括：
在终端界面区别显示所述量子线路中已运行的量子逻辑门。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在运行所述量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门之后，还包括：
接收针对所述量子线路中未运行的量子逻辑门的编辑操作；其中，所述编辑操作包括：增加、删除和替换；
响应所述编辑操作，在终端界面显示编辑后的量子线路。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运行结果包括：
量子态的概率和振幅。
5.一种终端界面中量子线路的运行装置，其特征在于，包括：
第一接收模块，用于在终端界面接收用户针对量子线路的单步运行操作；
响应运行模块，用于响应所述单步运行操作，运行所述量子线路的下一执行时序中的量子逻辑门，在所述终端界面显示运行结果，其中，所述量子线路中未运行的量子逻辑门处于可编辑状态。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：
区别显示模块，用于在终端界面区别显示所述量子线路中已运行的量子逻辑门。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：
第二接收模块，用于接收针对所述量子线路中未运行的量子逻辑门的编辑操作；其中，所述编辑操作包括：增加、删除和替换；
响应显示模块，用于响应所述编辑操作，在终端界面显示编辑后的量子线路。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述运行结果包括：
量子态的概率和振幅。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1至4任一项中所述的方法。
10.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行所述权利要求1至4任一项中所述的方法。
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