[发明专利]一种新型通用量子门及量子线路优化方法

说明书

本发明公开一种新型通用量子门及量子线路优化方法，该方法包括如下内容：分析基础量子门的作用效果及概率幅的变化过程，现有的通用量子门组合和量子门之间的等价关系，及GPU环境下量子门仿真过程中的数据依赖关系，提出新型通用量子门{C‑Z、H、T}，同时采用GPU环境，仿真实现基础量子门操作，仿真过程中可以根据需要输入对应的量子门，利用新型通用量子门组合和量子门的分解和合并策略，对制备GHZ态的量子线路和量子Grover算法线路进行优化，在仿真环境中验证了优化线路的可用性和高效性。

技术领域

本发明属于量子信息科学技术领域，具体涉及一种新型通用量子门及量子线路优化 方法，本发明适用于相关研究人员设计、计算量子线路，优化和仿真验证量子线路。

背景技术

近年来，量子计算是信息科学领域研究前沿之一。在量子计算机实用化之前，量子计算仿真技术是开展量子计算理论研究的重要手段。目前，对于量子算法的仿真研究大 都是小规模的和对特定算法的仿真实现。随着量子算法比特位数的增加，人们对量子仿 真的规模和正确率提出了更高的要求，仿真规模的限制将阻碍量子计算理论的发展。在 量子线路仿真软件的研究中，目前已经开发出多款量子线路仿真软件，但大多针对工作 站实现，仅仅能进行小规模的量子线路仿真同时算法单一，通用仿真算法不多。为了提 高量子仿真的规模，解决多比特量子线路仿真中所存在的时空开销巨大的问题，目前国 外学者进行了通过分布式存储和分布式计算技术，将量子计算仿真中所需要的巨大时空 消耗分摊到各个节点，并取得了较好的并行效果。针对量子线路的优化方法，缺乏一定 的系统性，根据量子门的作用效果来研究的量子算法的的研究较少。因此设计出适合普 适的仿真优化算法对于量子计算发展具有非常重要的意义。

为此，需要一种根据基础量子门的量子线路优化方法，并根据不同的量子算法设计 出相应的优化线路具有非常重要的意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种新型通用量子门及量 子线路优化方法，在GPU环境下对优化后的量子线路进行仿真，验证了本方法的高效性。其可减少量子线路门的数量，提高仿真的效率。同时仿真环境的中间过程的可视化便于 观察概率福的变化过程，提供量子线路仿真模型，提高对量子算法的理解度，提供新的 通用量子门，提高量子仿真的效率。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种新型通用量子门，新型通用量子门的组合：{C-Z，H，T}，该组合量子门实现 任意的量子算法的仿真，即任意的量子线路可以拆分为以上三种门的组合形式；在GPU 环境下实现量子仿真实现，包括九种基础的量子门：H、Pauli-X、Pauli-Y、Pauli-Z、S、 T、、CNOT、C-Z、Toffoli，及量子傅里叶变换算法即QFT算法。

本发明根据基础量子门的作用效果和相互的等价关系，提出了新的通用量子门的组 合{C-Z，H，T}，利用GPU环境实现基本量子门的仿真实现，实现对任意的量子算法 的仿真。

进一步的，H门的作用效果是绕着X-Z轴的180度旋转，T门的作用效果是将|1>增加一个相位因子e^iπ/4；任意Hilbert空间的量子操作可以分解为单量子计算门和CNOT 门的组合，C-Z门可以替换CNOT门替换公式为

进一步的，在实现仿真时，T门的仿真时间小于S门的仿真时间，S门和T门之间 的等价关系为：S＝T²：

进一步的，受控非门与H门和受控相位门之间的等价关系为：

根据矩阵相乘的结果显示为：