CN115169568B

CN115169568B - 量子计算处理方法、装置及电子设备

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Publication number: CN115169568B
Application number: CN202210858691.3A
Authority: CN
Inventors: 方堃
Original assignee: Beijing Baidu Netcom Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Baidu Netcom Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2022-07-20
Filing date: 2022-07-20
Publication date: 2023-03-10
Anticipated expiration: 2042-07-20
Also published as: CN115169568A

Abstract

本公开提供了一种量子计算处理方法、装置及电子设备，涉及计算机技术领域，具体涉及量子计算技术领域。具体实现方案为：获取量子计算模型对应的第一量子态信息和量子操作信息，量子计算模型包括M个量子***，第一量子态信息包括第一列表和第一列向量，第一列表按照第一列向量所表征的排列顺序存储M个量子***的标识，量子计算模型用于执行量子计算任务；基于第一量子态信息和量子操作信息进行量子态操作，得到第二量子态信息，第二量子态信息包括第二列表和第二列向量，第二列表按照第二列向量所表征的排列顺序存储N个量子***的标识；基于第二量子态信息，确定量子计算任务的任务结果。

Description

量子计算处理方法、装置及电子设备

技术领域

本公开涉及计算机技术领域，尤其涉及量子计算技术领域，具体涉及一种量子计算处理方法、装置及电子设备。

背景技术

量子计算的经典模拟中，通常使用列向量来存储量子态信息，且通常是按照默认的量子***顺序对用于表征量子态的列向量进行存储。

并且，基于量子态信息进行量子态操作之后，通常会对得到的列向量进行操作，以使得列向量对应的***顺序和默认***顺序一致。

发明内容

本公开提供了一种量子计算处理方法、装置及电子设备。

根据本公开的第一方面，提供了一种量子计算处理方法，包括：

获取量子计算模型对应的第一量子态信息和量子操作信息，所述量子计算模型包括M个量子***，所述第一量子态信息包括第一列表和用于表征所述M个量子***的量子态的第一列向量，所述第一列表按照所述第一列向量所表征的排列顺序存储所述M个量子***的标识，所述量子计算模型用于执行量子计算任务，M为正整数；

基于所述第一量子态信息和所述量子操作信息进行量子态操作，得到第二量子态信息，所述第二量子态信息包括第二列表和用于表征所述量子计算模型中N个量子***的量子态的第二列向量，所述第二列表按照所述第二列向量所表征的排列顺序存储所述N个量子***的标识，N为小于或等于M的正整数；

基于所述第二量子态信息，确定所述量子计算任务的任务结果。

根据本公开的第二方面，提供了一种量子计算处理装置，包括：

获取模块，用于获取量子计算模型对应的第一量子态信息和量子操作信息，所述量子计算模型包括M个量子***，所述第一量子态信息包括第一列表和用于表征所述M个量子***的量子态的第一列向量，所述第一列表按照所述第一列向量所表征的排列顺序存储所述M个量子***的标识，所述量子计算模型用于执行量子计算任务，M为正整数；

量子态操作模块，用于基于所述第一量子态信息和所述量子操作信息进行量子态操作，得到第二量子态信息，所述第二量子态信息包括第二列表和用于表征所述量子计算模型中N个量子***的量子态的第二列向量，所述第二列表按照所述第二列向量所表征的排列顺序存储所述N个量子***的标识，N为小于或等于M的正整数；

确定模块，用于基于所述第二量子态信息，确定所述量子计算任务的任务结果。

根据本公开的第三方面，提供了一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，该指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行第一方面中的任一项方法。

根据本公开的第四方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，该计算机指令用于使计算机执行第一方面中的任一项方法。

根据本公开的第五方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序在被处理器执行时实现第一方面中的任一项方法。

根据本公开的技术解决了量子计算模型的模拟效率比较低的问题，提高了量子计算模型的模拟效率。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：

图1是根据本公开第一实施例的量子计算处理方法的流程示意图；

图2是本实施例中一示例的用于表征量子态信息的数据结构的示意图；

图3是根据本公开第二实施例的量子计算处理装置的结构示意图；

图4是用来实施本公开的实施例的示例电子设备的示意性框图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

第一实施例

如图1所示，本公开提供一种量子计算处理方法，包括如下步骤：

步骤S101：获取量子计算模型对应的第一量子态信息和量子操作信息，所述量子计算模型包括M个量子***，所述第一量子态信息包括第一列表和用于表征所述M个量子***的量子态的第一列向量，所述第一列表按照所述第一列向量所表征的排列顺序存储所述M个量子***的标识，所述量子计算模型用于执行量子计算任务。

其中，M为正整数。

本实施例中，量子计算处理方法涉及计算机技术领域，尤其涉及量子计算技术领域，其可以广泛应用于量子计算模型的模拟场景下。本公开实施例的量子计算处理方法，可以由本公开实施例的量子计算处理装置执行。本公开实施例的量子计算处理装置可以配置在任意电子设备中，以执行本公开实施例的量子计算处理方法。该电子设备可以为服务器，也可以为终端设备，这里不进行具体限定。

量子计算模型可以为任一模型，如可以为量子电路模型、单向量子计算机(one-way quantum computer，1WQC)测量模式、量子网络协议计算模型、量子纠错码协议计算模型、基于测量的量子计算模型等。

该量子计算模型可以包括M个量子***，每个量子***可以对应一个量子比特，通常可以用大小为2×1的列向量来存储1个量子比特的量子态，且存储M个量子比特的量子态所需要的列向量大小为2^M×1。

相关技术中，量子态的矩阵表示需要确定其量子***的顺序，例如|0>₁|1>₂与|1>₂|0>₁在物理上表示同一个量子态，即量子***1处于零态，量子***2处于一态。但是如果忽略了量子***的标识，如|0>|1>和|1>|0>，则表示不同的量子态。为了避免混淆，通常会规定一套默认的***顺序，例如按照量子态从左到右的书写顺序，左边第一位开始对应第一个量子比特的量子态，第二位对应第2个量子比特的量子态，依次类推。规定默认顺序之后，所有量子态的矩阵表示都需要遵从这个顺序。

然而，对量子态进行矩阵运算时，不可避免的会打乱量子***的顺序，为了在操作后量子***和默认***顺序一致，需要进行一些额外的操作，导致量子计算模型的模拟效率比较低。另外，通过约定量子***默认顺序存储用于表征量子态的列向量的方式，并不适用于量子***个数会变化的场景，例如，带适应性量子测量的算法，测量一部分量子态，并通过测量结果调控其他量子态的演化。

而本实施例则是通过采用新的数据结构来存储量子态的矩阵表示，并按照该矩阵表示进行量子计算模型模拟过程中的量子态操作，以达到提高量子计算模型的模拟效率的目的。

图2是本实施例中一示例的用于表征量子态信息的数据结构的示意图，如图2所示，该数据结构规定用于表征量子态信息的数据包含两个部分，一部分是量子态列向量vector，另一部分是其对应的量子***标识构成的有序列表systems，这两部分的内容一一对应。通过同时存储量子态列向量及其对应量子***标识的方式，可以更加准确地对一个量子态进行刻画。

其中，量子态的一个基本操作可以和另一个量子态进行张量积操作。对于量子态列向量vector，可以将用于表征量子态的列向量进行张量积操作得到，对于有序列表systems，可以将张量积操作的量子***标识按照顺序进行前后拼接得到。

比如，针对两个量子***|0>₁|1>₂，其量子态信息的存储方式可以如下任一方式：

vector＝[[0],[1],[0],[0]]，systems＝[1,2]；

vector＝[[0],[0],[1],[0]]，systems＝[2,1]。

在具体实现中，可以通过程序语言定义用于表征量子态信息的数据结果，以Python为例，可以将该量子态定义为一个类QuantumState，该类有两个类属性，分别为vector和systems，对量子态的基本操作则可以实现为QuantumState类的类方法。

第一量子态信息可以为按照如图2所示的数据结构所定义并存储的量子计算模型中M个量子***的量子态信息，其可以包括两个部分，第一列向量和第一列表，第一列向量可以由M个量子***的量子态进行张量积操作得到，第一列表可以按照第一列向量所表征的张量积操作的排列顺序存储M个量子***的标识。其中，第一列表所存储的标识可以为数值标号，也可以为字母标识，这里不进行具体限定。

量子操作信息可以为量子计算模型模拟过程中所需要执行的量子态操作，其中，量子计算模型模拟过程中，量子态操作可以包括量子***置换操作、量子态演化操作、量子测量操作等。

量子操作信息可以包括一个、两个甚至是多个量子态操作的相关信息，且在包括两个甚至是多个量子态操作的相关信息的情况下，可以按照量子计算模型中量子态操作的模拟顺序排列这些信息，并在后续执行量子态操作时按照模拟顺序依次处理。

可以解析用于表征量子计算模型的信息来获取量子操作信息。

步骤S102：基于所述第一量子态信息和所述量子操作信息进行量子态操作，得到第二量子态信息，所述第二量子态信息包括第二列表和用于表征所述量子计算模型中N个量子***的量子态的第二列向量，所述第二列表按照所述第二列向量所表征的排列顺序存储所述N个量子***的标识。

其中，N为小于或等于M的正整数。

该步骤中，在对量子计算模型的模拟过程中，可以基于第一量子态信息和量子操作信息进行量子态操作，以实现量子计算模型的模拟。其中，量子态操作可以指的是对量子计算模型中量子***的量子态进行量子操作，其量子操作可以包括但不限于量子***置换操作、量子态演化操作、量子测量操作等。

在对量子态进行量子操作时，需要同时更新量子态列向量和对应量子***标识构成的有序列表，且任意量子操作都需要同时更新这两部分的数据，这样，通过同时存储和操作量子态列向量及其对应量子***标识的方式，可以更加准确地对一个量子态进行刻画，并有效克服相关技术中对量子态信息的存储方式在计算操作次数和适用场景上的缺点。

其中，第二列向量可以为执行量子态操作后得到的用于表征量子计算模型中N个量子***的量子态的列向量，第二列向量可以不是按照默认***顺序所存储的，其在执行量子态操作后无需额外执行一些操作以使得量子态按照默认***顺序存储，只需要相应更新第一列表即可，使得得到第二列表可以按照第二列向量所表征的排列顺序存储所述N个量子***的标识，这样，既可以准确对量子***的量子态进行刻画，又可以减少量子态操作后的额外操作，提高量子计算模型的模拟效率。

步骤S103：基于所述第二量子态信息，确定所述量子计算任务的任务结果。

该步骤中，可以基于第二量子态信息继续执行量子态操作，该量子态操作可以包括量子测量操作，以得到量子计算任务的任务结果。其中，量子计算模型不同，其所执行的量子计算任务不同，相应的，量子计算任务的任务结果也不同。如量子网络协议设计任务、量子纠错码协议设计任务等。

本实施例中，通过获取量子计算模型对应的第一量子态信息和量子操作信息，所述量子计算模型包括M个量子***，所述第一量子态信息包括第一列表和用于表征所述M个量子***的量子态的第一列向量，所述第一列表按照所述第一列向量所表征的排列顺序存储所述M个量子***的标识，所述量子计算模型用于执行量子计算任务；基于所述第一量子态信息和所述量子操作信息进行量子态操作，得到第二量子态信息，所述第二量子态信息包括第二列表和用于表征所述量子计算模型中N个量子***的量子态的第二列向量，所述第二列表按照所述第二列向量所表征的排列顺序存储所述N个量子***的标识；基于所述第二量子态信息，确定所述量子计算任务的任务结果。如此，通过同时存储和操作量子态列向量及其对应量子***标识的方式，可以更加准确地对一个量子态进行刻画，并有效克服相关技术中对量子态信息的存储方式在计算操作次数和适用场景上的缺点，从而可以提高量子计算模型的模拟效率，进而可以高效处理量子计算任务。

可选的，所述量子操作信息包括第一操作类型和第一标识，所述第一操作类型指示基于所述第一标识对所述M个量子***的顺序进行置换操作，所述量子态操作包括所述置换操作，所述步骤S102具体包括：

确定所述第一标识在所述第一列表中的位置索引；

在所述位置索引表征第一目标量子***的量子态在所述第一列向量的排列顺序未处于首位的情况下，基于所述位置索引，确定第一重组参数信息，所述第一目标量子***为所述第一标识对应的量子***；

基于所述第一重组参数信息，对所述第一列向量进行第一数据重组处理，得到所述第二列向量，所述第二列向量中所述第一目标量子***的量子态在所述第二列向量的排列顺序处于首位，且第二目标量子***的量子态在所述第一列向量的相对位置和所述第二目标量子***的量子态在所述第二列向量的相对位置保持不变，所述第二目标量子***包括所述M个量子***中除所述第一目标量子***之外的量子***；

按照所述第二列向量所表征的排列顺序更新所述第一列表，得到所述第二列表。

本实施方式中，量子操作信息可以包括量子***置换操作的相关信息，量子***置换操作的相关信息可以包括第一操作类型和第一标识，第一操作类型指示基于第一标识对M个量子***的顺序进行置换操作，该置换操作不会改变量子态的任何性质。

在解析到量子操作信息包括量子***置换操作的相关信息的情况下，可以确定第一标识在第一列表中的位置索引。其中，位置索引可以表征第一标识在第一列表中的位置，比如，第一标识为5，第一列表为[1,2,5,3,4]，若位置索引从0开始标号，则第一标识的位置索引为2。

在所述位置索引表征第一标识对应的量子***的量子态在第一列向量的排列顺序处于首位的情况下，即index＝0，则表示量子***的量子态已经排列在第一列向量的首位，可以将第一量子态信息确定为第二量子态信息。

在所述位置索引表征第一标识对应的量子***的量子态在第一列向量的排列顺序未处于首位的情况下，可以基于所述位置索引，确定第一重组参数信息，第一重组参数信息用于将第一标识对应的量子***的量子态置换至列向量的首位，并保持其他量子***的量子态在列向量中的排列顺序的相对位置不变。

位置索引不同，第一重组参数信息不同，位置索引与第一重组参数信息一一对应。

之后，可以基于所述第一重组参数信息，对所述第一列向量进行第一数据重组处理，得到所述第二列向量。具体的，可以采用变换reshape函数和转置transpose函数，对第一列向量进行第一数据重组处理。其中，reshape函数用于通过重组数据维度，来对第一列向量进行数据重组，如将一维列向量变换为二维矩阵，transpose函数用于转置数据维度，以将第一标识对应的量子***的量子态置换至列向量的首位，之后，再通过reshape函数将数据变换至一维列向量，得到第二量子态信息。

相应的，更新第一列表，得到第二列表，具体可以将第一标识从第一列表中删除，并将第一标识添加到删除后的列表首位，得到第二列表。

本实施方式中，通过确定所述第一标识在所述第一列表中的位置索引；在所述位置索引表征第一目标量子***的量子态在所述第一列向量的排列顺序未处于首位的情况下，基于所述位置索引，确定第一重组参数信息，所述第一目标量子***为所述第一标识对应的量子***；基于所述第一重组参数信息，对所述第一列向量进行第一数据重组处理，得到所述第二列向量；按照所述第二列向量所表征的排列顺序更新所述第一列表，得到所述第二列表。如此，可以基于如图2所示数据结构表征的第一量子态信息实现对M个量子***顺序的置换操作，为后续量子计算模型中量子态演化和量子测量奠定基础。

可选的，所述基于所述位置索引，确定第一重组参数信息，包括：

在所述位置索引表征所述第一目标量子***的量子态在所述第一列向量的排列顺序处于末位的情况下，确定所述第一重组参数信息为第一参数，所述第一参数包括两个重组变量和两个置换变量，所述重组变量的值基于所述第一列向量的长度确定；

在所述位置索引表征所述第一目标量子***的量子态在所述第一列向量的排列顺序未处于末位的情况下，确定所述第一重组参数信息为第二参数，所述第二参数包括三个重组变量和三个置换变量，所述重组变量的值基于所述第一列向量的长度和所述位置索引确定；

其中，所述重组变量用于控制数据重组的维度以及维度的长度，所述置换变量用于将所述第一目标量子***的量子态置换至用于表征所述M个量子***的量子态的列向量的首位。

本实施方式中，在位置索引表征第一目标量子***的量子态在第一列向量的排列顺序处于末位的情况下，可以将第一列向量划分为两个部分，分别为第一标识之前的向量部分和第一标识对应的向量部分，相应的，将第一重组参数信息确定为第一参数。

第一参数包括两个重组变量和两个置换变量，这两个重组变量是为了将第一列向量变换成二维矩阵，且每个重组变量可以控制该维度的数据长度，这两个置换变量是为了表征两个维度的顺序，以将第一标识对应的量子***的量子态置换至用于表征M个量子***的量子态的列向量的首位。

相应的，在所述位置索引表征所述第一目标量子***的量子态在所述第一列向量的排列顺序未处于末位的情况下，即处于位于首位和未位的中间位置，可以将第一列向量划分为三个部分，分别为第一标识之前的向量部分、第一标识对应的向量部分和第一标识之后的向量部分，相应的，将第一重组参数信息确定为第二参数。

第二参数包括三个重组变量和三个置换变量，这三个重组变量是为了将第一列向量变换成三维张量，且每个重组变量可以控制该维度的数据长度，这三个置换变量是为了表征三个维度的顺序，以将第一标识对应的量子***的量子态置换至用于表征M个量子***的量子态的列向量的首位。

具体的，基于第一标识对M个量子***的顺序进行置换操作的过程如下：

输入：第一量子态信息，包括量子态列向量即第一列向量，用vector表示，量子***标识列表即第一列表，用systems表示，需要前置的量子***的标识即第一标识，用A表示。

输出：量子***前置后的量子态列向量即第二列向量，用new_vector表示，以及对应量子***标识列表即第二列表，用new_systems表示。

步骤0：记systems的长度为size；

步骤1：在systems中找到A对应的位置索引，记为index；

步骤2_1：如果index＝0，则表示量子***已经在首位，直接返回vector和systems；

步骤2_2：如果index＝size–1，表示需要前置的量子***在systems的末位；

定义第一重组参数信息为第一参数，包括：new_shape＝[2^(size-1),2]，new_axis＝[1,0]，两个重组变量分别为2^(size-1)和2，两个置换变量分别为1和0；

步骤2_3：如果0<index<size-1，表示需要前置的量子***在systems中间；

定义第一重组参数信息为第二参数，包括：new_shape＝[2^index,2,2^{(size-index-1)}]，new_axis＝[1,0,2]，三个重组变量分别为2^index，2和2^{(size-index-1)}，三个置换变量分别为1、0和2；

步骤3：采用reshape函数和transpose函数对vector进行运算获得新的列向量即第二列向量，其运算过程如下所示：

new_vector＝reshape(transpose(reshape(vector,new_shape),new_axis),[2^size,1])；

步骤4：将A从systems中删除，并将A添加到删除后的列表的首位，得到new_systems。

需要说明的是，如果需要将量子***调整到指定顺序，而不仅仅是将某一个量子***置换至首位，可以通过反复调用置换操作的过程来实现。例如，需要将量子***[3,2,1]调整到[1,2,3]，可以先调用置换操作的过程将标识为2的量子***置换至首位，获得对应量子***的排列顺序[2,3,1]，在此基础之上，再调用置换操作的过程将标识为1的量子***置换至首位，从而获得量子***的排列顺序[1,2,3]对应的量子态列向量。

本实施方式中，通过根据位置索引所表征的第一目标量子***的量子态在第一列向量的排列顺序，定义第一重组参数信息，如此可以简单地实现对任意位置的量子***的量子态置换。

可选的，所述量子操作信息包括第二操作类型、演化矩阵和K个第二标识，所述第二操作类型指示基于所述演化矩阵对所述第二标识对应的量子***进行量子态演化操作，所述量子态操作包括所述量子态演化操作，K为正整数，所述步骤S102具体包括：

基于所述第一量子态信息和K个所述第二标识，确定第三量子态信息，所述第三量子态信息包括第三列表和用于表征所述M个量子***的量子态的第三列向量，第三目标量子***的量子态在所述第三列向量的排列顺序处于首位，所述第三目标量子***为K个所述第二标识对应的量子***，所述第三列表按照所述第三列向量所表征的排列顺序存储所述M个量子***的标识；

基于所述第二标识的数量，确定第二重组参数信息；

基于所述第二重组参数信息，对所述第三列向量进行第二数据重组处理，得到第一目标矩阵；

将所述第一目标矩阵与所述演化矩阵进行相乘处理，得到演化结果矩阵；

基于第三重组参数信息，对所述演化结果矩阵进行第三数据重组处理，得到所述第二列向量，所述第三重组参数信息基于所述第一列表的长度确定；并将所述第三列表确定为所述第二列表。

本实施方式中，量子操作信息可以包括量子态演化操作的相关信息，量子态演化操作的相关信息可以包括第二操作类型、演化矩阵和第二标识，第二操作类型指示基于演化矩阵对第二标识对应的量子***进行量子态演化操作。

量子态演化操作是对指定的量子***进行相应演化。例如，对第1个量子***实现泡利X门演化，对第2个量子***和第3个量子***进行控制非门演化等，所需要演化的量子门不同，其演化矩阵也不相同。

在解析到量子操作信息包括量子态演化操作的相关信息的情况下，可以基于第一量子态信息和K个所述第二标识，确定第三量子态信息。其中，K个所述第二标识可以构成一个列表，用labels表示，可以通过上述置换操作，将第一量子态和第一列表，可以按照labels的顺序进行置换，使得labels中的量子***在systems的最前面，并且保持labels中第二标识的相对位置不变。

比如，systems＝[0,1,2,3,4]，labels＝[3,4,1,2]，置换后得到的第三列表为[3,4,1,2,0]。

可以基于第二标识的数量，确定第二重组参数信息。比如，第二标识的数量为width，第二重组参数信息可以为shape＝[2^width,2^size-width]，其目的是将第三列向量变换为二维矩阵，且每维的数据长度分别为2^width和2^size-width，以基于该二维矩阵与演化矩阵进行演化运算。

相应的，第一目标矩阵即为二维矩阵，其行和列的长度分别为2^width和2^size-width。

之后，将所述第一目标矩阵与所述演化矩阵进行相乘处理，得到演化结果矩阵，并基于第三重组参数信息，将该演化结果矩阵变换至列向量，得到第二列向量，第三重组参数信息可以为[2^size,1]。

量子态演化操作的过程如下：

输入：第一量子态信息，包括量子态列向量即第一列向量，用vector表示，量子***标识列表即第一列表，用systems表示，需要进行量子态演化的量子***的列表labels，对应的量子门矩阵即演化矩阵，用gate表示。

输出：量子态演化后的量子态列向量以及对应的量子***标识列表。

步骤0：记systems的长度为size，labels的长度为width；

步骤1：通过置换操作过程，将vector和systems，按照labels的顺序进行置换，使得labels中量子***在systems列表的最前面，并且保持labels中量子***的相对位置不变；记置换操作后的量子态列向量即第三列向量为new_vector_tmp，对应的量子***标识列表即第三列表为new_systems；

步骤2：基于width确定第二重组参数信息，为shape＝[2^width,2^(size-width)]；

步骤3：采用reshape和transpose函数对第三列向量进行运算获得新的列向量，即为第二列向量，其运算过程如下；

new_vector＝reshape(gate@reshape(new_vector_tmp,shape),[2^size,1])；其中@为矩阵乘法，用于将第一目标矩阵(通过reshape(new_vector_tmp,shape)运算得到)与演化矩阵进行相乘处理，得到演化结果矩阵，之后，基于第三重组参数信息[2^size,1]，将演化结果矩阵变换至列向量，得到第二列向量；

步骤4：返回量子态列向量的计算结果new_vector和对应的量子***标识列表new_systems。

本实施方式中，通过基于所述第一量子态信息和K个所述第二标识，确定第三量子态信息；基于所述第二标识的数量，确定第二重组参数信息；基于所述第二重组参数信息，对所述第三列向量进行第二数据重组处理，得到第一目标矩阵；将所述第一目标矩阵与所述演化矩阵进行相乘处理，得到演化结果矩阵；基于第三重组参数信息，对所述演化结果矩阵进行第三数据重组处理，得到所述第二列向量，所述第三重组参数信息基于所述第一列表的长度确定；并将所述第三列表确定为所述第二列表。如此，可以基于第一量子态信息实现量子计算模型中量子态的演化。

需要说明的是，如果需要对量子态进行一连串的量子门演化，只需要重复调用量子态演化操作的过程即可。另外，基于第一量子态信息进行量子态演化操作的过程可以体现和相关技术中对量子计算模型的模拟方式的核心区别。具体地，经过量子态演化操作之后，其对应量子***与输入的量子***标识列表systems不一定相同。相关技术中，由于只考虑量子态列向量的存储，并默认所有的量子态对应量子***标识为从0开始的连续正整数，因此，在完成量子态的演化后，需要继续施加额外的操作，调整量子态的量子***顺序与默认顺序一致。

为方便理解如下给出一个具体示例。比如，有一个4个量子比特的量子态，量子***的排列顺序是[0,1,2,3]，在量子比特1上施加一个泡利X门。本实施例中，可以先调用上述置换操作，获得量子态列向量和对应的量子***顺序[1,0,2,3]，之后将泡利X门对应演化矩阵与量子态列向量做矩阵乘法，返回计算结果。此时，量子态的量子***顺序依然是[1,0,2,3]，与演化前的量子***顺序[0,1,2,3]不同，但这并不会影响后面的量子操作。然而，相关技术中，需要进一步将演化完的量子态的量子***顺序调整至默认顺序[0,1,2,3]，由于量子态列向量的维数通常较大，对大规模矩阵频繁进行这些额外的操作将会大大降低其计算效率。因此，本实施例中通过同时存储和操作量子态列向量及其对应量子***标识的方式，可以更加准确地对一个量子态进行刻画，并有效克服相关技术中对量子态信息的存储方式在计算操作次数和适用场景上的缺点，从而可以提高量子计算模型的模拟效率。

可选的，所述量子操作信息包括第三操作类型和第三标识，所述第三操作类型指示基于所述第三操作类型对应的测量基向量，对所述第三标识对应的量子***进行量子测量操作，所述量子态操作包括所述量子测量操作，所述步骤S102具体包括：

基于所述第一量子态信息和所述第三标识，确定第四量子态信息，所述第四量子态信息包括第四列表和用于表征所述M个量子***的量子态的第四列向量，第四目标量子***的量子态在所述第四列向量的排列顺序处于首位，所述第四目标量子***为所述第三标识对应的量子***，所述第四列表按照所述第四列向量所表征的排列顺序存储所述M个量子***的标识；

基于第四重组参数信息，对所述第四列向量进行第四数据重组处理，得到第二目标矩阵，所述第四重组参数信息基于所述第一列表的长度确定；

将所述测量基向量与所述第二目标矩阵进行相乘处理，得到第三目标矩阵；

基于第五重组参数信息，对所述第三目标矩阵进行第五数据重组处理，得到用于表征所述M个量子***除所述第四目标量子***之外的量子***的量子态的第五列向量，所述第五重组参数信息基于所述第一列表的长度确定；

基于所述第五列向量，确定所述第二列向量；并将所述第一列表中所述第三标识删除，得到所述第二列表。

本实施方式中，量子操作信息可以包括量子测量操作的相关信息，量子测量操作的相关信息可以包括第三操作类型和第三标识，第三操作类型指示基于第三操作类型对应的测量基向量，对第三标识对应的量子***进行量子测量操作。

量子测量操作是对量子态上指定的量子***进行测量，以获得相应测量结果和测量后的量子态。由于任何量子测量都可以等效替换成先对量子态进行相应的量子门演化，再进行Z测量(计算基下的测量)，因此，不失一般性的，以下以Z测量为例对量子测量操作的过程进行详细说明，其余测量操作与Z测量的方式同理类似。

在解析到量子测量操作的相关信息的情况下，可以基于第一量子态信息和第三标识，确定第四量子态信息。其中，可以通过上述置换操作，将第一量子态和第一列表，进行量子***的顺序置换，使得第三标识对应的量子***在systems的首位，并且保持其他量子***的顺序相对位置不变。

之后，可以基于第四重组参数信息，对第四列向量进行第四数据重组处理，其目的是将第三列向量变换为二维矩阵，以基于该二维矩阵与测量基向量进行测量运算，即将测量基向量与该二维矩阵(第二目标矩阵)进行相乘处理，得到第三目标矩阵。其中，第四重组参数信息可以为[2,2^size-1]。

基于第五重组参数信息，对所述第三目标矩阵进行第五数据重组处理，得到用于表征所述M个量子***除所述第四目标量子***之外的量子***的量子态的第五列向量。其中，第五重组参数信息可以为[2^size-1,1]。

之后，基于第五列向量，确定第三标识对应的量子***的量子态测量结果，同时根据量子态测量结果输出与量子态测量结果对应的第二列向量，以及将第一列表中第三标识删除，得到第二列表。如此，可以基于第一量子态信息实现对量子态的量子测量。

可选的，所述测量基向量包括第一测量基向量和第二测量基向量，所述第一测量基向量用于针对第一测量结果进行量子测量操作，所述第二测量基向量用于针对第二测量结果进行量子测量操作，所述第五列向量的数量为两个，所述基于所述第五列向量，确定所述第二列向量，包括：

基于第一目标列向量确定测量结果为所述第一测量结果的第一概率值；以及基于第二目标列向量确定测量结果为所述第二测量结果的第二概率值；所述第一目标列向量为基于所述第一测量基向量进行量子测量操作得到的所述第五列向量，所述第二目标列向量为基于所述第二测量基向量进行量子测量操作得到的所述第五列向量；

基于所述第一概率值和所述第二概率值所确定的概率分布进行随机数选取，得到所述第四目标量子***的量子态的目标测量结果；

在所述目标测量结果为所述第一测量结果的情况下，对所述第一目标列向量进行归一化处理，得到所述第二列向量；

在所述目标测量结果为所述第二测量结果的情况下，对所述第二目标列向量进行归一化处理，得到所述第二列向量。

本实施方式中，第一测量结果可以为0，第二测量结果可以为1，第一测量基向量用于针对第一测量结果进行量子测量操作，可以为行向量，用b0＝[[1,0]]表示，第二测量基向量用于针对第二测量结果进行量子测量操作，可以为行向量，用b1＝[[0,1]]表示。

量子测量操作的过程如下：

输入：量子态列向量vector(第一列向量)，量子***标识列表systems(第一列表)，需要测量的量子***标识(第三标识)，用B表示。

输出：测量结果以及量子测量后的量子态列向量(第二列向量)和对应的量子***标识列表(第二列表)。

步骤0：记systems的长度为size；

步骤1：记测量基向量b0＝[[1,0]]，b1＝[[0,1]]；

步骤2：通过调用置换操作的过程，将vector和systems中第三标识B对应的量子***顺序进行前置，使得第三标识B对应的量子***在systems的首位；记置换操作后的量子态列向量为new_vector_tmp(第四列向量)，对应的量子***标识列表为new_systems_tmp(第四列表)；

步骤3：通过reshape函数对量子态列向量进行运算获得新的列向量，即第五列向量，其运算过程如下：

new_vector0＝reshape(b0@reshape(new_vector_tmp,[2,2^(size-1)]),[2^(size-1),1])；

new_vector1＝reshape(b1@reshape(new_vector_tmp,[2,2^(size-1)]),[2^(size-1),1])；

其中，@为矩阵乘法，可以通过reshape(new_vector_tmp,[2,2^(size-1)])将第四列向量变换至二维矩阵，得到第二目标矩阵，分别将b0和b1与第二目标矩阵进行相乘处理，得到两个第三目标矩阵，再通过reshape函数分别将这两个第三目标矩阵变换至列向量，得到第五列向量new_vector0和第五列向量new_vector1；

步骤4：计算测量概率

基于第五列向量new_vector0确定测量结果为0的第一概率值prob0，prob0为new_vector0的向量模长的平方；

基于第五列向量new_vector1确定测量结果为1的第二概率值prob1，prob1为new_vector1的向量模长的平方；

步骤5：根据概率分布[prob0，prob1]，利用随机数选取函数，随机选取一个值outcome，其中，outcome∈{0,1}；

步骤6：如果outcome＝0，则返回测量结果为0，量子态列向量

(第二列向量)，对应的量子***标识列表为systems删去B构成的有序列表(第二列表)；如果outcome＝1，则返回测量结果为1，量子态列向量

(第二列向量)，对应的量子***标识列表为systems删去B构成的有序列表(第二列表)。

第二实施例

如图3所示，本公开提供一种量子计算处理装置300，包括：

获取模块301，用于获取量子计算模型对应的第一量子态信息和量子操作信息，所述量子计算模型包括M个量子***，所述第一量子态信息包括第一列表和用于表征所述M个量子***的量子态的第一列向量，所述第一列表按照所述第一列向量所表征的排列顺序存储所述M个量子***的标识，所述量子计算模型用于执行量子计算任务，M为正整数；

量子态操作模块302，用于基于所述第一量子态信息和所述量子操作信息进行量子态操作，得到第二量子态信息，所述第二量子态信息包括第二列表和用于表征所述量子计算模型中N个量子***的量子态的第二列向量，所述第二列表按照所述第二列向量所表征的排列顺序存储所述N个量子***的标识，N为小于或等于M的正整数；

确定模块303，用于基于所述第二量子态信息，确定所述量子计算任务的任务结果。

可选的，所述量子操作信息包括第一操作类型和第一标识，所述第一操作类型指示基于所述第一标识对所述M个量子***的顺序进行置换操作，所述量子态操作包括所述置换操作，所述量子态操作模块302包括：

第一确定单元，用于确定所述第一标识在所述第一列表中的位置索引；

第二确定单元，用于在所述位置索引表征第一目标量子***的量子态在所述第一列向量的排列顺序未处于首位的情况下，基于所述位置索引，确定第一重组参数信息，所述第一目标量子***为所述第一标识对应的量子***；

第一数据重组处理单元，用于基于所述第一重组参数信息，对所述第一列向量进行第一数据重组处理，得到所述第二列向量，所述第二列向量中所述第一目标量子***的量子态在所述第二列向量的排列顺序处于首位，且第二目标量子***的量子态在所述第一列向量的相对位置和所述第二目标量子***的量子态在所述第二列向量的相对位置保持不变，所述第二目标量子***包括所述M个量子***中除所述第一目标量子***之外的量子***；

更新单元，用于按照所述第二列向量所表征的排列顺序更新所述第一列表，得到所述第二列表。

可选的，所述第二确定单元，具体用于：

可选的，所述量子操作信息包括第二操作类型、演化矩阵和K个第二标识，所述第二操作类型指示基于所述演化矩阵对所述第二标识对应的量子***进行量子态演化操作，所述量子态操作包括所述量子态演化操作，K为正整数，所述量子态操作模块302包括：

第三确定单元，用于基于所述第一量子态信息和K个所述第二标识，确定第三量子态信息，所述第三量子态信息包括第三列表和用于表征所述M个量子***的量子态的第三列向量，第三目标量子***的量子态在所述第三列向量的排列顺序处于首位，所述第三目标量子***为K个所述第二标识对应的量子***，所述第三列表按照所述第三列向量所表征的排列顺序存储所述M个量子***的标识；

第四确定单元，用于基于所述第二标识的数量，确定第二重组参数信息；

第二数据重组处理单元，用于基于所述第二重组参数信息，对所述第三列向量进行第二数据重组处理，得到第一目标矩阵；

第一相乘处理单元，用于将所述第一目标矩阵与所述演化矩阵进行相乘处理，得到演化结果矩阵；

第三数据重组处理单元，用于基于第三重组参数信息，对所述演化结果矩阵进行第三数据重组处理，得到所述第二列向量，所述第三重组参数信息基于所述第一列表的长度确定；并将所述第三列表确定为所述第二列表。

可选的，所述量子操作信息包括第三操作类型和第三标识，所述第三操作类型指示基于所述第三操作类型对应的测量基向量，对所述第三标识对应的量子***进行量子测量操作，所述量子态操作包括所述量子测量操作，所述量子态操作模块302包括：

第五确定单元，用于基于所述第一量子态信息和所述第三标识，确定第四量子态信息，所述第四量子态信息包括第四列表和用于表征所述M个量子***的量子态的第四列向量，第四目标量子***的量子态在所述第四列向量的排列顺序处于首位，所述第四目标量子***为所述第三标识对应的量子***，所述第四列表按照所述第四列向量所表征的排列顺序存储所述M个量子***的标识；

第四数据重组处理单元，用于基于第四重组参数信息，对所述第四列向量进行第四数据重组处理，得到第二目标矩阵，所述第四重组参数信息基于所述第一列表的长度确定；

第二相乘处理单元，用于将所述测量基向量与所述第二目标矩阵进行相乘处理，得到第三目标矩阵；

第五数据重组处理单元，用于基于第五重组参数信息，对所述第三目标矩阵进行第五数据重组处理，得到用于表征所述M个量子***除所述第四目标量子***之外的量子***的量子态的第五列向量，所述第五重组参数信息基于所述第一列表的长度确定；

第六确定单元，用于基于所述第五列向量，确定所述第二列向量；并将所述第一列表中所述第三标识删除，得到所述第二列表。

可选的，所述测量基向量包括第一测量基向量和第二测量基向量，所述第一测量基向量用于针对第一测量结果进行量子测量操作，所述第二测量基向量用于针对第二测量结果进行量子测量操作，所述第五列向量的数量为两个；所述第六确定单元，具体用于：

本公开提供的量子计算处理装置300能够实现量子计算处理方法实施例实现的各个过程，且能够达到相同的有益效果，为避免重复，这里不再赘述。

本公开的技术方案中，所涉及的用户个人信息的收集、存储、使用、加工、传输、提供和公开等处理，均符合相关法律法规的规定，且不违背公序良俗。

根据本公开的实施例，本公开还提供了一种电子设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。

图4示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备的示意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。

如图4所示，设备400包括计算单元401，其可以根据存储在只读存储器(ROM)402中的计算机程序或者从存储单元408加载到随机访问存储器(RAM)403中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 403中，还可存储设备400操作所需的各种程序和数据。计算单元401、ROM 402以及RAM 403通过总线404彼此相连。输入/输出(I/O)接口405也连接至总线404。

设备400中的多个部件连接至I/O接口405，包括：输入单元406，例如键盘、鼠标等；输出单元407，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元408，例如磁盘、光盘等；以及通信单元409，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元409允许设备400通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

计算单元401可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元401的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元401执行上文所描述的各个方法和处理，例如量子计算处理方法。例如，在一些实施例中，量子计算处理方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元408。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 402和/或通信单元409而被载入和/或安装到设备400上。当计算机程序加载到RAM 403并由计算单元401执行时，可以执行上文描述的量子计算处理方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元401可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行量子计算处理方法。

本文中以上描述的***和技术的各种实施方式可以在数字电子电路***、集成电路***、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上***的***(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程***上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储***、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储***、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行***、装置或设备使用或与指令执行***、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体***、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的***和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。

可以将此处描述的***和技术实施在包括后台部件的计算***(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算***(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算***(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的***和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算***中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将***的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)和互联网。

计算机***可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，也可以为分布式***的服务器，或者是结合了区块链的服务器。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims

1.一种量子计算处理方法，包括：

基于所述第二量子态信息，确定所述量子计算任务的任务结果；

所述量子操作信息包括第一操作类型和第一标识，所述第一操作类型指示基于所述第一标识对所述M个量子***的顺序进行置换操作，所述量子态操作包括所述置换操作，所述基于所述第一量子态信息和所述量子操作信息进行量子态操作，包括：

确定所述第一标识在所述第一列表中的位置索引；

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于所述位置索引，确定第一重组参数信息，包括：

3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述量子操作信息包括第二操作类型、演化矩阵和K个第二标识，所述第二操作类型指示基于所述演化矩阵对所述第二标识对应的量子***进行量子态演化操作，所述量子态操作包括所述量子态演化操作，K为正整数，所述基于所述第一量子态信息和所述量子操作信息进行量子态操作，包括：

基于所述第二标识的数量，确定第二重组参数信息；

4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述量子操作信息包括第三操作类型和第三标识，所述第三操作类型指示基于所述第三操作类型对应的测量基向量，对所述第三标识对应的量子***进行量子测量操作，所述量子态操作包括所述量子测量操作，所述基于所述第一量子态信息和所述量子操作信息进行量子态操作，包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述测量基向量包括第一测量基向量和第二测量基向量，所述第一测量基向量用于针对第一测量结果进行量子测量操作，所述第二测量基向量用于针对第二测量结果进行量子测量操作，所述第五列向量的数量为两个，所述基于所述第五列向量，确定所述第二列向量，包括：

6.一种量子计算处理装置，包括：

确定模块，用于基于所述第二量子态信息，确定所述量子计算任务的任务结果；

所述量子操作信息包括第一操作类型和第一标识，所述第一操作类型指示基于所述第一标识对所述M个量子***的顺序进行置换操作，所述量子态操作包括所述置换操作，所述量子态操作模块包括：

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第二确定单元，具体用于：

8.根据权利要求6至7中任一项所述的装置，其中，所述量子操作信息包括第二操作类型、演化矩阵和K个第二标识，所述第二操作类型指示基于所述演化矩阵对所述第二标识对应的量子***进行量子态演化操作，所述量子态操作包括所述量子态演化操作，K为正整数，所述量子态操作模块包括：

9.根据权利要求6至7中任一项所述的装置，其中，所述量子操作信息包括第三操作类型和第三标识，所述第三操作类型指示基于所述第三操作类型对应的测量基向量，对所述第三标识对应的量子***进行量子测量操作，所述量子态操作包括所述量子测量操作，所述量子态操作模块包括：

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述测量基向量包括第一测量基向量和第二测量基向量，所述第一测量基向量用于针对第一测量结果进行量子测量操作，所述第二测量基向量用于针对第二测量结果进行量子测量操作，所述第五列向量的数量为两个；所述第六确定单元，具体用于：

11.一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-5中任一项所述的方法。

12.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行根据权利要求1-5中任一项所述的方法。