CN113849187B - 面向量子线路噪声的编译优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向量子线路噪声的编译优化方法及装置。该方法包括：将待优化量子线路构建为一个有向无环图，基于图的遍历方法遍历所述待优化量子线路；针对遍历到的每个子线路，检查该子线路是否符合模式匹配规则，若符合，则根据模式匹配规则，使用噪声更低的目标量子逻辑门组替换该子线路中噪声更高的原量子逻辑门组，最终得到噪声更低的等价量子线路。本发明可以有效减小量子线路噪声，提高量子程序在真实量子计算机上的执行准确率，减少量子程序运行过程的资源和时间开销。

Description

面向量子线路噪声的编译优化方法及装置

技术领域

本发明涉及量子计算机技术领域，尤其涉及一种面向量子线路噪声的编译优化方法及装置。

背景技术

当前的量子计算机发展处于NISQ（带噪声的中等尺度量子计算机）阶段，量子噪声是建造大规模量子计算机的主要障碍。NISQ设备对算法可用的量子比特的数量和可达到的最大线路深度都有严格的限制。

量子编译是将用高级量子编程语言实现的量子算法翻译成量子计算机上可执行代码。由于量子计算机通常支持一组有限的基本操作，量子编译器需要将复杂的量子算法编译为量子计算机支持的基本操作。量子编译优化主要研究如何减少总量子门数及线路深度等，由于最终结果的准确性会受到***噪声的影响，针对NISQ设备的编译器应以最大化整体保真度为目标。量子编译优化对于量子计算机来说非常重要，现有的量子编译器采用了许多编译优化技术，其中减小噪声影响的优化主要通过尽量减少编译生成的量子操作数实现。

目前针对量子线路噪声较为有效的编译优化方法称为窥孔优化技术。该优化技术的思路是：编译器在遍历量子线路的过程中，找到某个子线路的特定模式，并将该子线路替换为具有较少量子操作或较短量子线路深度的等效子线路。该替换操作是等价替换，保持了原量子程序的语义，通过简化量子线路达到减少量子噪声的目的。

在真实量子计算机上，不同的量子逻辑门会有不同的噪声，上述编译优化方法主要通过简化量子线路的方式实现量子线路噪声的优化，该方法存在针对量子线路噪声的分析和优化不足，生成的量子线路噪声较高的问题，导致最终量子算法在真实量子计算机上执行的准确率较低，实际运行开销和成本较高。

发明内容

针对当前量子编译工具生成的量子线路噪声较高、执行准确率较低的问题，本发明提供一种面向量子线路噪声的编译优化方法及装置，提高量子算法在真实量子计算机上执行的准确率，减小因量子噪声导致的量子算法运行开销。

一方面，本发明提供一种面向量子线路噪声的编译优化方法，包括：

将待优化量子线路构建为一个有向无环图，基于图的遍历方法遍历所述待优化量子线路；

针对遍历到的每个子线路，检查该子线路是否符合模式匹配规则，若符合，则根据模式匹配规则，使用噪声更低的目标量子逻辑门组替换该子线路中噪声更高的原量子逻辑门组，最终得到噪声更低的等价量子线路。

进一步地，所述将待优化量子线路构建为一个有向无环图，具体包括：

将量子逻辑门对不同量子比特的操作作为有向无环图的节点，将量子比特状态的演化关系作为有向无环图的边，从而将整个待优化量子线路构建为一个有向无环图。

进一步地，在配置文件中预先定义模式匹配规则；所述模式匹配规则是指待替换原量子逻辑门组和目标量子逻辑门组作为替换过程中的规则，所述待替换原量子逻辑门组和所述目标量子逻辑门组为等价关系，且所述目标量子逻辑门组的噪声小于所述待替换原量子逻辑门组。

进一步地，所述使用噪声更低的目标量子逻辑门组替换该子线路中噪声更高的原量子逻辑门组，最终得到噪声更低的等价量子线路，具体为：

针对符合模式匹配规则的每个子线路，删除原量子逻辑门组后，在相应位置***目标量子逻辑门组，重新生成该子线路；

直至遍历并替换完成所有符合模式匹配规则的子线路后，最终得到噪声更低的等价量子线路。

另一方面，本发明提供一种面向量子线路噪声的编译优化装置，包括：

量子线路遍历模块，用于将待优化量子线路构建为一个有向无环图，基于图的遍历方法遍历所述待优化量子线路；

量子线路噪声优化模块，用于针对遍历到的每个子线路，检查该子线路是否符合模式匹配规则，若符合，则根据模式匹配规则，使用噪声更低的目标量子逻辑门组替换该子线路中噪声更高的原量子逻辑门组，最终得到噪声更低的等价量子线路。

进一步地，所述将待优化量子线路构建为一个有向无环图，具体包括：

将量子逻辑门对不同量子比特的操作作为有向无环图的节点，将量子比特状态的演化关系作为有向无环图的边，从而将整个待优化量子线路构建为一个有向无环图。

进一步地，所述量子线路噪声优化模块，还用于在配置文件中预先定义模式匹配规则；所述模式匹配规则是指待替换原量子逻辑门组和目标量子逻辑门组作为替换过程中的规则，所述待替换原量子逻辑门组和所述目标量子逻辑门组为等价关系，且所述目标量子逻辑门组的噪声小于所述待替换原量子逻辑门组。

进一步地，所述使用噪声更低的目标量子逻辑门组替换该子线路中噪声更高的原量子逻辑门组，最终得到噪声更低的等价量子线路，具体为：

针对符合模式匹配规则的每个子线路，删除原量子逻辑门组后，在相应位置***目标量子逻辑门组，重新生成该子线路；

直至遍历并替换完成所有符合模式匹配规则的子线路后，最终得到噪声更低的等价量子线路。

本发明的有益效果：

本发明提供的面向量子线路噪声的编译优化方法及装置，在量子程序的编译过程中，采用了基于图的量子线路遍历方法和基于模式匹配的量子线路噪声优化方法，即：首先将量子线路看作有向无环图，然后利用图遍历的方式遍历量子线路；接着根据量子逻辑门可相互转换的原理，在遍历量子线路的过程中，基于模式匹配规则，将噪声较高的量子逻辑门组等价替换为噪声较低的量子逻辑门组，从而得到和原量子线路等价且噪声更低的量子线路，实现在编译过程中降低整体量子线路噪声的目的，有效减小量子线路噪声，提高量子程序在真实量子计算机上的执行准确率，减少量子程序运行过程的资源和时间开销。

附图说明

图1为本发明实施例提供的面向量子线路噪声的编译优化方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的面向量子线路噪声的编译优化装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供一种面向量子线路噪声的编译优化方法，包括如下步骤：

S101：将待优化量子线路构建为一个有向无环图，基于图的遍历方法遍历所述待优化量子线路；

具体地，所述将待优化量子线路构建为一个有向无环图，具体包括：将量子逻辑门对不同量子比特的操作作为有向无环图的节点，将量子比特状态的演化关系作为有向无环图的边，从而将整个待优化量子线路构建为一个有向无环图。

基于图的遍历方法遍历所述待优化量子线路，具体为：将待优化量子线路抽象为有向无环图后，量子线路的遍历过程即为图的遍历过程，量子线路中的子线路遍历问题即为图中的子图查找问题。在量子线路的编译过程中，采用图遍历的方式遍历整个量子线路。

S102：针对遍历到的每个子线路，检查该子线路是否符合模式匹配规则，若符合，则根据模式匹配规则，使用噪声更低的目标量子逻辑门组替换该子线路中噪声更高的原量子逻辑门组，最终得到噪声更低的等价量子线路。

具体地，在配置文件中预先定义模式匹配规则；所述模式匹配规则是指待替换原量子逻辑门组和目标量子逻辑门组作为替换过程中的规则，所述待替换原量子逻辑门组和所述目标量子逻辑门组为等价关系，且所述目标量子逻辑门组的噪声小于所述待替换原量子逻辑门组。

在量子线路遍历过程中，基于已定义的模式匹配规则，实施量子线路中量子逻辑门组的等价替换。该等价替换过程包括原量子逻辑门组的删除和目标量子逻辑门组的***操作，为保证替换后量子线路的正确性，将采用重新生成量子线路的方法，即：所述使用噪声更低的目标量子逻辑门组替换该子线路中噪声更高的原量子逻辑门组，最终得到噪声更低的等价量子线路，具体为：针对符合模式匹配规则的每个子线路，删除原量子逻辑门组后，在相应位置***目标量子逻辑门组，重新生成该子线路；直至遍历并替换完成所有符合模式匹配规则的子线路后，最终得到噪声更低的等价量子线路。

实施例2

如图2所示，本发明实施例提供一种面向量子线路噪声的编译优化装置，包括：量子线路遍历模块和量子线路噪声优化模块；其中：

量子线路遍历模块用于将待优化量子线路构建为一个有向无环图，基于图的遍历方法遍历所述待优化量子线路。量子线路噪声优化模块用于针对遍历到的每个子线路，检查该子线路是否符合模式匹配规则，若符合，则根据模式匹配规则，使用噪声更低的目标量子逻辑门组替换该子线路中噪声更高的原量子逻辑门组，最终得到噪声更低的等价量子线路；此外，量子线路噪声优化模块还用于在配置文件中预先定义模式匹配规则；所述模式匹配规则是指待替换原量子逻辑门组和目标量子逻辑门组作为替换过程中的规则，所述待替换原量子逻辑门组和所述目标量子逻辑门组为等价关系，且所述目标量子逻辑门组的噪声小于所述待替换原量子逻辑门组。

作为一种可实施方式，所述将待优化量子线路构建为一个有向无环图，具体包括：将量子逻辑门对不同量子比特的操作作为有向无环图的节点，将量子比特状态的演化关系作为有向无环图的边，从而将整个待优化量子线路构建为一个有向无环图。

作为一种可实施方式，所述使用噪声更低的目标量子逻辑门组替换该子线路中噪声更高的原量子逻辑门组，最终得到噪声更低的等价量子线路，具体为：

针对符合模式匹配规则的每个子线路，删除原量子逻辑门组后，在相应位置***目标量子逻辑门组，重新生成该子线路；直至遍历并替换完成所有符合模式匹配规则的子线路后，最终得到噪声更低的等价量子线路。

和已有量子编译优化技术相比，本发明采用了基于模式匹配的量子线路噪声优化方法，使得优化后的量子线路中量子逻辑门的噪声降低，提高了量子算法在真实量子计算机上的执行准确率，减小了量子算法的运行开销。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.面向量子线路噪声的编译优化方法，其特征在于，包括：

将待优化量子线路构建为一个有向无环图，基于图的遍历方法遍历所述待优化量子线路；

针对遍历到的每个子线路，检查该子线路是否符合模式匹配规则，若符合，则根据模式匹配规则，使用噪声更低的目标量子逻辑门组替换该子线路中噪声更高的原量子逻辑门组，最终得到噪声更低的等价量子线路；所述使用噪声更低的目标量子逻辑门组替换该子线路中噪声更高的原量子逻辑门组，最终得到噪声更低的等价量子线路，具体为：针对符合模式匹配规则的每个子线路，删除原量子逻辑门组后，在相应位置***目标量子逻辑门组，重新生成该子线路；直至遍历并替换完成所有符合模式匹配规则的子线路后，最终得到噪声更低的等价量子线路；

其中，在配置文件中预先定义模式匹配规则；所述模式匹配规则是指待替换原量子逻辑门组和目标量子逻辑门组作为替换过程中的规则，所述待替换原量子逻辑门组和所述目标量子逻辑门组为等价关系，且所述目标量子逻辑门组的噪声小于所述待替换原量子逻辑门组。

2.根据权利要求1所述的面向量子线路噪声的编译优化方法，其特征在于，所述将待优化量子线路构建为一个有向无环图，具体包括：

将量子逻辑门对不同量子比特的操作作为有向无环图的节点，将量子比特状态的演化关系作为有向无环图的边，从而将整个待优化量子线路构建为一个有向无环图。

3.面向量子线路噪声的编译优化装置，其特征在于，包括：

量子线路遍历模块，用于将待优化量子线路构建为一个有向无环图，基于图的遍历方法遍历所述待优化量子线路；

量子线路噪声优化模块，用于针对遍历到的每个子线路，检查该子线路是否符合模式匹配规则，若符合，则根据模式匹配规则，使用噪声更低的目标量子逻辑门组替换该子线路中噪声更高的原量子逻辑门组，最终得到噪声更低的等价量子线路；所述使用噪声更低的目标量子逻辑门组替换该子线路中噪声更高的原量子逻辑门组，最终得到噪声更低的等价量子线路，具体为：针对符合模式匹配规则的每个子线路，删除原量子逻辑门组后，在相应位置***目标量子逻辑门组，重新生成该子线路；直至遍历并替换完成所有符合模式匹配规则的子线路后，最终得到噪声更低的等价量子线路；还用于在配置文件中预先定义模式匹配规则；所述模式匹配规则是指待替换原量子逻辑门组和目标量子逻辑门组作为替换过程中的规则，所述待替换原量子逻辑门组和所述目标量子逻辑门组为等价关系，且所述目标量子逻辑门组的噪声小于所述待替换原量子逻辑门组。

4.根据权利要求3所述的面向量子线路噪声的编译优化装置，其特征在于，所述将待优化量子线路构建为一个有向无环图，具体包括：

将量子逻辑门对不同量子比特的操作作为有向无环图的节点，将量子比特状态的演化关系作为有向无环图的边，从而将整个待优化量子线路构建为一个有向无环图。

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