CN115775030A - 基于模式匹配的量子程序重写方法、装置及电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模式匹配的量子程序重写方法、装置及电子装置，本发明通过确定量子程序中的原始线路的第一中间表示，以及确定模式线路的第二中间表示，量子线路的中间表示为储存量子线路的数据结构，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路；在确定所述第一中间表示的子中间表示与所述第二中间表示匹配时，实例化替换线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；用实例化后的所述替换线路的第三中间表示替换所述子中间表示，得到第四中间表示，以及基于所述第四中间表示重写所述量子程序，从而提高量子程序重写的效率。

Description

基于模式匹配的量子程序重写方法、装置及电子装置

技术领域

本发明属于量子计算技术领域，特别是基于模式匹配的量子程序重写方法、装置及电子装置。

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。量子计算机因其具有相对普通计算机更高效的处理数学问题的能力，例如，能将破解RSA密钥的时间从数百年加速到数小时，故成为一种正在研究中的关键技术。

在实际应用过程中，受限于同一物理体系的量子计算机的软件层和物理层支持的量子逻辑门的不同、不同物理体系的量子计算机物理层支持的量子逻辑门的不同、以及退相干时间较短和量子比特规模较小等因素，量子程序需要进行重写，以使得其能够在量子计算机上被运行。目前采用的方法为手动查找和替换相关的量子逻辑门。该种方法对于小规模的量子线路具有不错的结果，然而一旦量子线路规模变大，这种方法将会耗费巨大的时间和精力，效率低下。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于模式匹配的量子程序重写方法、装置、介质及电子装置，旨在提高量子程序重写的效率。

本申请的一个实施例提供了一种基于模式匹配的量子程序重写方法，所述方法包括：

确定量子程序中的原始线路的第一中间表示，以及确定模式线路的第二中间表示，量子线路的中间表示为储存量子线路的数据结构，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路；

在确定所述第一中间表示的子中间表示与所述第二中间表示匹配时，实例化替换线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

用实例化后的所述替换线路的第三中间表示替换所述子中间表示，得到第四中间表示，以及基于所述第四中间表示重写所述量子程序。

可选的，量子线路的中间表示包括以下其中一种：线网、有向无环图、规范形式。

可选的，若量子线路的中间表示为有向无环图，在所述确定模式线路的第二中间表示方面，包括：

从模式库中获取模式文件，所述模式文件包括src模块，所述src模块用于记录所述模式线路的线路参数；

读取所述src模块，得到所述模式线路的线路参数；

基于所述模式线路的线路参数构造所述模式线路的第二有向无环图。

可选的，所述方法还包括：

建立有向无环图i与有向无环图j的映射规则，所述映射规则包括结构映射规则和语义映射规则，所述结构映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j节点之间的同构关系，所述语义映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j有向边之间的同构关系。

可选的，在所述确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配方面，包括：

基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立，所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

可选的，所述子有向无环图的节点对应第一量子逻辑门，所述第二有向无环图的节点对应第二量子逻辑门；在所述基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立方面，包括：

在所述第一量子逻辑门的操作类型参数与所述第二量子逻辑门的操作类型参数、所述第一量子逻辑门的量子比特参数与所述第二量子逻辑门的量子比特参数且所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均匹配时，确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立。

可选的，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数匹配包括以下其中一种：

所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均不存在，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均为常数且相等，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数为常数且所述第二量子逻辑门的旋转角度参数为变量。

可选的，所述子有向无环图的有向边对应第一量子比特，所述第二有向无环图的有向边对应第二量子比特，在所述基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立方面，包括：

在所述第一量子比特的类型与所述第二量子比特的类型、所述第一量子比特的前向依赖节点与所述第二量子比特的前向依赖节点、所述第一量子比特的后向依赖节点与所述第二量子比特的后向依赖节点均匹配时，确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

可选的，所述模式文件还包括dst模块，所述dst模块用于记录所述替换线路的线路参数，所述替换线路的线路参数包括所述替换线路的逻辑门参数；所述逻辑门参数包括第三量子逻辑门的操作类型参数、所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数；在所述实例化替换线路方面，包括：

基于所述映射规则更新所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数；

基于所述第三量子逻辑门的操作类型参数、更新后的所所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数确定实例化后的所述替换线路。

可选的，在所述用实例化后的所述替换线路的第三中间表示替换所述子中间表示，得到目标线路的第四中间表示方面，包括：

确定实例化后的所述替换线路的第三有向无环图；

确定所述第三有向无环图入度为0的节点和出度为0的节点；

确定所述入度为0的节点在所述第一有向无环图中的前向依赖节点，以及确定所述出度为0的节点在所述第一有向无环图中的后向依赖节点；

删去所述子有向无环图，将所述入度为0的节点与所述入度为0的节点在所述第一有向无环图中的前向依赖节点连接，以及将所述出度为0的节点与所述出度为0的节点在所述第一有向无环图中的后向依赖节点连接，得到第四有向无环图。

本申请的又一实施例提供了一种基于模式匹配的量子程序重写装置，所述装置包括：

中间表示确定单元，用于确定量子程序中的原始线路的第一中间表示，以及确定模式线路的第二中间表示，量子线路的中间表示为储存量子线路的数据结构，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路；

线路实例化单元，用于在确定所述第一中间表示的子中间表示与所述第二中间表示匹配时，实例化替换线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

程序重写单元，用于用实例化后的所述替换线路的第三中间表示替换所述子中间表示，得到第四中间表示，以及基于所述第四中间表示重写所述量子程序。

可选的，量子线路的中间表示包括以下其中一种：线网、有向无环图、规范形式。

可选的，若量子线路的中间表示为有向无环图，在所述确定模式线路的第二中间表示方面，所述中间表示确定单元，具体用于：

从模式库中获取模式文件，所述模式文件包括src模块，所述src模块用于记录所述模式线路的线路参数；

读取所述src模块，得到所述模式线路的线路参数；

基于所述模式线路的线路参数构造所述模式线路的第二有向无环图。

可选的，所述线路实例化单元还用于：

建立有向无环图i与有向无环图j的映射规则，所述映射规则包括结构映射规则和语义映射规则，所述结构映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j节点之间的同构关系，所述语义映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j有向边之间的同构关系。

可选的，在所述确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配方面，所述线路实例化单元，具体用于：

基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立，所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

可选的，所述子有向无环图的节点对应第一量子逻辑门，所述第二有向无环图的节点对应第二量子逻辑门；在所述基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立方面，所述线路实例化单元具体用于：

在所述第一量子逻辑门的操作类型参数与所述第二量子逻辑门的操作类型参数、所述第一量子逻辑门的量子比特参数与所述第二量子逻辑门的量子比特参数且所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均匹配时，确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立。

可选的，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数匹配包括以下其中一种：

所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均不存在，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均为常数且相等，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数为常数且所述第二量子逻辑门的旋转角度参数为变量。

可选的，所述子有向无环图的有向边对应第一量子比特，所述第二有向无环图的有向边对应第二量子比特，在所述基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立方面，所述线路实例化单元具体用于：

在所述第一量子比特的类型与所述第二量子比特的类型、所述第一量子比特的前向依赖节点与所述第二量子比特的前向依赖节点、所述第一量子比特的后向依赖节点与所述第二量子比特的后向依赖节点均匹配时，确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

可选的，所述模式文件还包括dst模块，所述dst模块用于记录所述替换线路的线路参数，所述替换线路的线路参数包括所述替换线路的逻辑门参数；所述逻辑门参数包括第三量子逻辑门的操作类型参数、所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数；在所述实例化替换线路方面，所述线路实例化单元具体用于：

基于所述映射规则更新所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数；

基于所述第三量子逻辑门的操作类型参数、更新后的所所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数确定实例化后的所述替换线路。

可选的，在所述用实例化后的所述替换线路的第三中间表示替换所述子中间表示，得到目标线路的第四中间表示方面，所述程序重写单元具体用于：

确定实例化后的所述替换线路的第三有向无环图；

确定所述第三有向无环图入度为0的节点和出度为0的节点；

确定所述入度为0的节点在所述第一有向无环图中的前向依赖节点，以及确定所述出度为0的节点在所述第一有向无环图中的后向依赖节点；

删去所述子有向无环图，将所述入度为0的节点与所述入度为0的节点在所述第一有向无环图中的前向依赖节点连接，以及将所述出度为0的节点与所述出度为0的节点在所述第一有向无环图中的后向依赖节点连接，得到第四有向无环图。

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，本发明提供的一种基于模式匹配的量子程序重写方法，通过将预先给定的需要匹配的量子线路作为模式线路，然后将该模式线路的中间表示与量子程序中的原始线路的中间表示进行匹配，匹配成功后，将模式线路对应的替换线路的中间表示实例化后替换匹配到的子中间表示，实现了原始线路中间表示的重写，进而实现了原始线路以及量子程序的重写；由于本方法中，需要匹配的量子线路是作为预先给定的模式，因此，电子装置可以自动识别和比对，不需要人工操作，从而提高了量子程序重写的效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于模式匹配的量子程序重写方法的计算机终端的硬件结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种基于模式匹配的量子程序重写方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种线网中间表示的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种DAG中间表示的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种规范形式中间表示的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种原始线路的DAG图；

图7为本发明实施例提供的一种替换线路的DAG图；

图8为本发明实施例提供的一种原始线路中子线路的替换过程图；

图9为本发明实施例提供的一种基于模式匹配的量子程序重写装置的结构示意图。

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。

本发明实施例首先提供了一种基于模式匹配的量子程序重写方法，该方法可以应用于电子设备，如计算机终端，具体如普通电脑、量子计算机等。

下面以运行在计算机终端上为例对其进行详细说明。图1为本发明实施例提供的一种基于模式匹配的量子程序重写方法的计算机终端的硬件结构框图。如图1所示，计算机终端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)和用于存储基于模式匹配的量子程序重写方法的存储器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基于模式匹配的量子程序重写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。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成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(X门)、泡利-Y门(Y门)、泡利-Z门(Z门)、RX门、RY门、RZ门等等；多比特量子逻辑门，如CNOT门、CR门、iSWAP门、Toffoli门等等。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。

模式匹配(PatternMatching)的概念最早在字符串匹配问题中使用。此处的模式匹配指的是给定一个子串，在给定的字符串中找到与该子串相同的所有子串。在量子计算中，同样可以基于模式匹配的思想实现线路优化。

参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于模式匹配的量子程序重写方法的流程示意图。所述方法包括：

步骤201：确定量子程序中的原始线路的第一中间表示，以及确定模式线路的第二中间表示，量子线路的中间表示为储存量子线路的数据结构，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路；

其中，量子线路的中间表示包括以下其中一种：线网、有向无环图、规范形式。

线网是量子线路中最常见的中间表示，在线网中，每个量子比特利用线表示，每个量子逻辑门用线上的圆形或方形表示。相对于其他中间表示，线网中间表示最易于理解，其在量子程序中一般采用链表等数据结构保存，因此在线路优化时子图查找等操作复杂度较高。

有向无环图(DirectedAcyclicGraph，DAG)用于表示量子线路上量子逻辑门之间的执行约束。在DAG中，节点代表的是量子逻辑门，有向边代表的是量子比特。如，双量子逻辑门CNOT(q_i，q_j)当且仅当所有在其前面作用于q_i或者q_j的量子逻辑门都已经被执行完毕时执行。DAG中节点的顺序可以利用拓扑排序确定。在量子程序中，DAG的中间表示相对线网较复杂，但是运行子图匹配算法时不需要再转变结构。

由于量子逻辑门对易关系的存在，实现量子算法的量子线路并不是唯一的。为了方便研究，这里引入另外一种量子线路的中间表示——规范形式，这一中间表示并不会因为对易关系而发生改变。一个量子线路的规范形式是具有以下两个特征的DAG图：一、图中每个顶点对应于量子线路中的一个量子逻辑们。可以以某种顺序为线路中的每个量子逻辑门标上序号，并利用这些序号作为顶点的标签；二、图中如果存在从节点a到节点b的边a->b，说明能够通过对易操作将量子逻辑门a放到紧邻量子逻辑门b的左边，但是量子逻辑门a与b之间不能对易。规范形式的易读性与执行子图匹配算法的难易程度介于线网与DAG之间。

下面，结合图3、图4和图5对线网、DAG和规范形式的中间表示做一个说明。

如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种线网中间表示的结构示意图。上边的三条横线表示的是量子比特q₀、q₁、q₂，下面的双横线表示的是经典比特c，经典比特上的3表示数量。上述横线上的方框或圆形及其内的标识表示的是量子逻辑门。最后的三个操作量子逻辑门下的0、1、2表示将测量的结果分别存储到经典量子比特0、1、2上。

如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种DAG中间表示的结构示意图。图中每一个节点包括序号和量子逻辑门。如序号为0的节点的量子逻辑门为X[q₀]，序号为1的节点的量子逻辑门为CNOT[q₁，q₂]。有向线段表示量子比特q₀、q₁或q₂。

如图5所示，图5为本发明实施例提供的一种规范形式中间表示的结构示意图。与DAG图类似，图中每一个节点包括序号和量子逻辑门。如序号为0的节点的量子逻辑门为CNOT[q₀，q₁]，序号为1的节点的量子逻辑门为CNOT[q₀，q₂]。这里节点0、节点1和节点2之间存在对易关系，因此其虽存在作用相同的量子比特，但是不存在量子逻辑门之间的执行约束。需要说明的是，量子逻辑门的对易指的是，如果量子逻辑门A，B的矩阵形式满足[A，B]＝AB-BA＝0，那么就称量子逻辑门A与量子逻辑门B对易。

具体的，若量子线路的中间表示为有向无环图，所述确定模式线路的第二中间表示，包括：

从模式库中获取模式文件，所述模式文件包括src模块，所述src模块用于记录所述模式线路的线路参数；

读取所述src模块，得到所述模式线路的线路参数；

基于所述模式线路的线路参数构造所述模式线路的第二有向无环图。

其中，模式线路和其对应的替换线路以预设的格式存储于模式库中。模式线路包括两种，一种为通用线路的模式线路，另一种为特定门的模式线路。通用线路的模式线路例如包括基本模式线路、H门消除模式线路、对易模式线路、基于经验的模式线路、算法模块优化模式线路、Bridge门模式线路；特定门的模式线路例如包括基于浮动R_z门的优化模式，量子化学中针对CNOT线路的优化模式。

如下所示，是本实施例提供的一种Bridge门的模式描述格式文件：

其中，qubits模块用于描述模式线路所使用的比特个数，src模块用于描述模式线路的线路参数，dst模块用于描述模式线路对应的替换线路的线路参数。src模块或dst模块包括cost单元与circuit单元，cost单元用于描述运行线路的开销，circuit模块用于描述线路的逻辑门参数。

步骤202：在确定所述第一中间表示的子中间表示与所述第二中间表示匹配时，实例化替换线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

进一步地，所述方法还包括：

建立有向无环图i与有向无环图j的映射规则，所述映射规则包括结构映射规则和语义映射规则，所述结构映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j节点之间的同构关系，所述语义映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j有向边之间的同构关系。

其中，有向无环图DAG用三元组G＝<Q,V,E>定义，所述G表示DAG，所述Q＝{0，1，2，3···}表示量子线路作用的量子比特序号，所述V和所述E表示DAG中的节点集和有向边集。所述节点集V中的任意一个节点v＝(op，qlist，angle)对应于量子线路中的一个量子逻辑门，所述op用于表示量子逻辑门的操作类型参数，所述qlist用于表示量子逻辑门的量子比特参数，所述angle用于表示量子逻辑门的旋转角度参数。所述有向边集E中的任意一条有向边e＝(<v_i，v_j>，q)用于表示量子逻辑门v_i和v_j之间的量子比特依赖关系。这意味着v_j依赖于在v_i。

具体地，在所述确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配方面，包括：

基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立，所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

进一步地，所述子有向无环图的节点对应第一量子逻辑门，所述第二有向无环图的节点对应第二量子逻辑门；在所述基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立方面，包括：

在所述第一量子逻辑门的操作类型参数与所述第二量子逻辑门的操作类型参数、所述第一量子逻辑门的量子比特参数与所述第二量子逻辑门的量子比特参数且所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均匹配时，确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立。

其中，所述第一量子逻辑门的操作类型参数与所述第二量子逻辑门的操作类型参数匹配是指两者的操作类型相同，所述第一量子逻辑门的量子比特参数与所述第二量子逻辑门的量子比特参数匹配是指两者具有一一对应关系。

其中，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数匹配包括以下其中一种：

所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均不存在，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均为常数且相等，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数为常数且所述第二量子逻辑门的旋转角度参数为变量。

例如对于某些量子逻辑门X门、H门、CNOT门等，都不包括旋转角度参数，那么第一量子逻辑门如果是这些不包括旋转角度参数的量子逻辑门，其对应的第二量子逻辑门也应该是这些不包括旋转角度参数的量子逻辑门；又例如第一量子逻辑门和第二量子逻辑门都是含旋转角度参数的量子逻辑门，如R门等，那么第一量子逻辑门和第二量子逻辑门的旋转角度参数相等；还例如第一量子逻辑门和第二量子逻辑门都是含旋转角度参数的量子逻辑门，第一量子逻辑门是在具体的线路中，其旋转角度参数是固定值，而为了增加模式线路的普适性，将其旋转角度参数用变量代替，后续可以依据不同的子线路令旋转角度参数取不同的值，在这种情况下，两者也是匹配的。

进一步地，所述子有向无环图的有向边对应第一量子比特，所述第二有向无环图的有向边对应第二量子比特，在所述基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立方面，包括：

在所述第一量子比特的类型与所述第二量子比特的类型、所述第一量子比特的前向依赖节点与所述第二量子比特的前向依赖节点、所述第一量子比特的后向依赖节点与所述第二量子比特的后向依赖节点均匹配时，确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

其中，量子比特的类型例如又控制比特和目标比特，第一量子比特的类型为控制比特，则第二量子比特的类型也应该为控制比特；第一量子比特的类型为目标比特，则第二量子比特的类型也应该为目标比特。所述第一量子比特的前向依赖节点对应的量子逻辑门与所述第二量子比特的前向依赖节点对应的量子逻辑门是匹配的，所述第一量子比特的后向依赖节点对应的量子逻辑门与所述第二量子比特的后向依赖节点对应的量子逻辑门是匹配的，量子逻辑门的匹配可以参照前述实施例。

具体的，所述模式文件还包括dst模块，所述dst模块用于记录所述替换线路的线路参数，所述替换线路的线路参数包括所述替换线路的逻辑门参数；所述逻辑门参数包括第三量子逻辑门的操作类型参数、所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数；在所述实例化替换线路方面，包括：

基于所述映射规则更新所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数；

基于所述第三量子逻辑门的操作类型参数、更新后的所所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数确定实例化后的所述替换线路。

举例说明，如图6所示，图6为本发明实施例提供的一种原始线路的DAG图。若当前使用的量子设备不能执行Toffoli门，则需要找到Toffoli门的替换线路，对替换线路进行实例化。如图7所示，图7为本发明实施例提供的一种替换线路的DAG图。图6中原始线路的Toffoli门与模式线路中量子比特的映射关系如下：原始线路q₀<->模式线路q₂，原始线路q₁<->模式线路q₁，原始线路q₂<->模式线路q₀。因此需要对图7中的量子比特参数进行修改，将q₀替换成q₂,将q₂替换成q₀，q₁保持不变。由于图7中的量子逻辑门都不包括旋转角度参数，因此不需要对旋转参数进行实例化。将量子逻辑门的三个参数均实例化后即可得到实例化后的替换线路。

步骤203：用实例化后的所述替换线路的第三中间表示替换所述子中间表示，得到第四中间表示，以及基于所述第四中间表示重写所述量子程序。

具体地，在所述用实例化后的所述替换线路的第三中间表示替换所述子中间表示，得到目标线路的第四中间表示方面，包括：

确定实例化后的所述替换线路的第三有向无环图；

确定所述第三有向无环图入度为0的节点和出度为0的节点；

确定所述入度为0的节点在所述第一有向无环图中的前向依赖节点，以及确定所述出度为0的节点在所述第一有向无环图中的后向依赖节点；

删去所述子有向无环图，将所述入度为0的节点与所述入度为0的节点在所述第一有向无环图中的前向依赖节点连接，以及将所述出度为0的节点与所述出度为0的节点在所述第一有向无环图中的后向依赖节点连接，得到第四有向无环图。

进一步地，在得到第四有向无环图之后，所述方法还包括：

确定所述第四有向无环图中每个节点的入度与出度是否与该节点对应的量子逻辑门的量子比特参数是否一致，若不一致，则确定基于该节点的前向依赖节点和后向依赖节点，以及将该节点与前向依赖节点和/或后向依赖节点连接，得到新的第四有向无环图。

举例说明，如图8所示，图8为本发明实施例提供的一种原始线路中子线路的替换过程图。实例化后的替换线路的DAG图可以根据上一实施例中实例化后的替换线路得到。将实例化后的替换线路的DAG中的节点重新编号。首先确定该替换线路的DAG的入度为0的节点和出度为0的节点，入度为0的节点为序号为7的节点，出度为0的节点为序号为18、19、21的节点。序号为7的节点的前向依赖节点为序号为1的节点，序号为21的节点的后向依赖节点为序号为3的节点，序号为18的节点的后向依赖节点为序号为4的节点，序号为19的节点的后向依赖节点为序号为5的节点。

删除序号为2的节点，以及将序号为7的节点与序号为1的节点通过有向线段连接，将序号为21的节点与序号为3的节点通过有向线段连接，将序号为18的节点与序号为4的节点通过有向线段连接，将序号为19的节点与序号为5的节点通过有向线段连接，得到第四DAG。

此时，可以发现序号为0的节点对应的量子逻辑门的的量子比特参数为q₀,而出度为0；序号为1的节点对应的量子逻辑门的的量子比特参数为q₁和q₂,而出度为1；序号为8的节点对应的量子逻辑门的的量子比特参数为q₁和q₂,而入度为1；序号为10的节点对应的量子逻辑门的的量子比特参数为q₀和q₂,而入度为1；因此需要补齐这些节点的出度和入度。

可以确定，序号为0的节点的后向依赖节点为序号为10的节点，序号为1的节点的后向依赖节点为序号为7和8的节点。将序号为0的节点与序号为10的节点通过有向线段连接，将序号为1的节点与序号为8的节点通过有向线段连接，得到新的第四DAG图。

这里我们将原始线路中需要与替换线路连接的节点0和1称为T_in节点，节点3、4和5称为T_out节点；将替换线路中需要与T_in连接的节点7、8、10称为S_in节点，需要与T_out连接的节点18、19、21称为S_out节点。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于模式匹配的量子程序重写方法，通过将预先给定的需要匹配的量子线路作为模式线路，然后将该模式线路的中间表示与量子程序中的原始线路的中间表示进行匹配，匹配成功后，将模式线路对应的替换线路的中间表示实例化后替换匹配到的子中间表示，实现了原始线路中间表示的重写，进而实现了原始线路以及量子程序的重写；由于本方法中，需要匹配的量子线路是作为预先给定的模式，因此，电子装置可以自动识别和比对，不需要人工操作，从而提高了量子程序重写的效率。

参见图9，图9为本发明实施例提供的一种基于模式匹配的量子程序重写装置的结构示意图，与图2所述的方法流程相对应，所述装置包括：

中间表示确定单元901，用于确定量子程序中的原始线路的第一中间表示，以及确定模式线路的第二中间表示，量子线路的中间表示为储存量子线路的数据结构，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路；

线路实例化单元902，用于在确定所述第一中间表示的子中间表示与所述第二中间表示匹配时，实例化替换线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

程序重写单元903，用于用实例化后的所述替换线路的第三中间表示替换所述子中间表示，得到第四中间表示，以及基于所述第四中间表示重写所述量子程序。

可选的，量子线路的中间表示包括以下其中一种：线网、有向无环图、规范形式。

可选的，若量子线路的中间表示为有向无环图，在所述确定模式线路的第二中间表示方面，所述中间表示确定单元901，具体用于：

从模式库中获取模式文件，所述模式文件包括src模块，所述src模块用于记录所述模式线路的线路参数；

读取所述src模块，得到所述模式线路的线路参数；

基于所述模式线路的线路参数构造所述模式线路的第二有向无环图。

可选的，所述线路实例化单元902还用于：

建立有向无环图i与有向无环图j的映射规则，所述映射规则包括结构映射规则和语义映射规则，所述结构映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j节点之间的同构关系，所述语义映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j有向边之间的同构关系。

可选的，在所述确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配方面，所述线路实例化单元902，具体用于：

基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立，所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

可选的，所述子有向无环图的节点对应第一量子逻辑门，所述第二有向无环图的节点对应第二量子逻辑门；在所述基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立方面，所述线路实例化单元902具体用于：

在所述第一量子逻辑门的操作类型与所述第二量子逻辑门的操作类型、所述第一量子逻辑门的量子比特参数与所述第二量子逻辑门的量子比特参数且所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均匹配时，确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立。

可选的，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数匹配包括以下其中一种：

所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均不存在，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均为常数且相等，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数为常数且所述第二量子逻辑门的旋转角度参数为变量。

可选的，所述子有向无环图的有向边对应第一量子比特，所述第二有向无环图的有向边对应第二量子比特，在所述基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立方面，所述线路实例化单元902具体用于：

在所述第一量子比特的类型与所述第二量子比特的类型、所述第一量子比特的前向依赖节点与所述第二量子比特的前向依赖节点、所述第一量子比特的后向依赖节点与所述第二量子比特的后向依赖节点均匹配时，确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

可选的，所述模式文件还包括dst模块，所述dst模块用于记录所述替换线路的线路参数，所述替换线路的线路参数包括所述替换线路的逻辑门参数；所述逻辑门参数包括第三量子逻辑门的操作类型参数、所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数；在所述实例化替换线路方面，所述线路实例化单元902具体用于：

基于所述映射规则更新所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数；

基于所述第三量子逻辑门的操作类型参数、更新后的所所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数确定实例化后的所述替换线路。

可选的，在所述用实例化后的所述替换线路的第三中间表示替换所述子中间表示，得到目标线路的第四中间表示方面，所述程序重写单元903具体用于：

确定实例化后的所述替换线路的第三有向无环图；

确定所述第三有向无环图入度为0的节点和出度为0的节点；

确定所述入度为0的节点在所述第一有向无环图中的前向依赖节点，以及确定所述出度为0的节点在所述第一有向无环图中的后向依赖节点；

删去所述子有向无环图，将所述入度为0的节点与所述入度为0的节点在所述第一有向无环图中的前向依赖节点连接，以及将所述出度为0的节点与所述出度为0的节点在所述第一有向无环图中的后向依赖节点连接，得到第四有向无环图。

本发明的再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：

确定量子程序中的原始线路的第一中间表示，以及确定模式线路的第二中间表示，量子线路的中间表示为储存量子线路的数据结构，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路；

在确定所述第一中间表示的子中间表示与所述第二中间表示匹配时，实例化替换线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

用实例化后的所述替换线路的第三中间表示替换所述子中间表示，得到第四中间表示，以及基于所述第四中间表示重写所述量子程序。

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。

本发明的再一实施例还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：

确定量子程序中的原始线路的第一中间表示，以及确定模式线路的第二中间表示，量子线路的中间表示为储存量子线路的数据结构，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路；

在确定所述第一中间表示的子中间表示与所述第二中间表示匹配时，实例化替换线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

用实例化后的所述替换线路的第三中间表示替换所述子中间表示，得到第四中间表示，以及基于所述第四中间表示重写所述量子程序。

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 (13)

1.一种基于模式匹配的量子程序重写方法，其特征在于，所述方法包括：

确定量子程序中的原始线路的第一中间表示，以及确定模式线路的第二中间表示，量子线路的中间表示为储存量子线路的数据结构，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路；

在确定所述第一中间表示的子中间表示与所述第二中间表示匹配时，实例化替换线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

用实例化后的所述替换线路的第三中间表示替换所述子中间表示，得到第四中间表示，以及基于所述第四中间表示重写所述量子程序。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，量子线路的中间表示包括以下其中一种：线网、有向无环图、规范形式。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，若量子线路的中间表示为有向无环图，所述确定模式线路的第二中间表示，包括：

从模式库中获取模式文件，所述模式文件包括src模块，所述src模块用于记录所述模式线路的线路参数；

读取所述src模块，得到所述模式线路的线路参数；

基于所述模式线路的线路参数构造所述模式线路的第二有向无环图。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

建立有向无环图i与有向无环图j的映射规则，所述映射规则包括结构映射规则和语义映射规则，所述结构映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j节点之间的同构关系，所述语义映射规则用于表示所述有向无环图i与所述有向无环图j有向边之间的同构关系。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图匹配，包括：

基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立，所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述子有向无环图的节点对应第一量子逻辑门，所述第二有向无环图的节点对应第二量子逻辑门；所述基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立，包括：

在所述第一量子逻辑门的操作类型参数与所述第二量子逻辑门的操作类型参数、所述第一量子逻辑门的量子比特参数与所述第二量子逻辑门的量子比特参数且所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均匹配时，确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图节点之间的同构关系成立。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数匹配包括以下其中一种：

所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均不存在，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数与所述第二量子逻辑门的旋转角度参数均为常数且相等，所述第一量子逻辑门的旋转角度参数为常数且所述第二量子逻辑门的旋转角度参数为变量。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述子有向无环图的有向边对应第一量子比特，所述第二有向无环图的有向边对应第二量子比特，所述基于所述映射规则确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立，包括：

在所述第一量子比特的类型与所述第二量子比特的类型、所述第一量子比特的前向依赖节点与所述第二量子比特的前向依赖节点、所述第一量子比特的后向依赖节点与所述第二量子比特的后向依赖节点均匹配时，确定所述第一有向无环图的子有向无环图与所述第二有向无环图有向边之间的同构关系成立。

9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述模式文件还包括dst模块，所述dst模块用于记录所述替换线路的线路参数，所述替换线路的线路参数包括所述替换线路的逻辑门参数；所述逻辑门参数包括第三量子逻辑门的操作类型参数、所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数；所述实例化替换线路，包括：

基于所述映射规则更新所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数；

基于所述第三量子逻辑门的操作类型参数、更新后的所所述第三量子逻辑门的量子比特参数和所述第三量子逻辑门的旋转角度参数确定实例化后的所述替换线路。

10.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述用实例化后的所述替换线路的第三中间表示替换所述子中间表示，得到目标线路的第四中间表示，包括：

确定实例化后的所述替换线路的第三有向无环图；

确定所述第三有向无环图入度为0的节点和出度为0的节点；

确定所述入度为0的节点在所述第一有向无环图中的前向依赖节点，以及确定所述出度为0的节点在所述第一有向无环图中的后向依赖节点；

删去所述子有向无环图，将所述入度为0的节点与所述入度为0的节点在所述第一有向无环图中的前向依赖节点连接，以及将所述出度为0的节点与所述出度为0的节点在所述第一有向无环图中的后向依赖节点连接，得到第四有向无环图。

11.一种基于模式匹配的量子程序重写装置，其特征在于，所述装置包括：

中间表示确定单元，用于确定量子程序中的原始线路的第一中间表示，以及确定模式线路的第二中间表示，量子线路的中间表示为储存量子线路的数据结构，所述模式线路为预先给定的需要匹配的量子线路；

线路实例化单元，用于在确定所述第一中间表示的子中间表示与所述第二中间表示匹配时，实例化替换线路，所述替换线路为与所述模式线路的功能等价且允许用于替换的量子线路；

程序重写单元，用于用实例化后的所述替换线路的第三中间表示替换所述子中间表示，得到第四中间表示，以及基于所述第四中间表示重写所述量子程序。

12.一种存储介质，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10任一项中所述的方法。

13.一种电子装置，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10任一项中所述的方法。

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