[发明专利]具有连续参数的大规模量子电路的自动优化

说明书

本公开描述了用于优化胜过传统计算机的量子计算中期望的大小和类型的量子电路的自动化技术的实施方式。本公开示出了如何处理连续门参数并报告了能够优化大规模量子电路的一组快速算法。对于所考虑的基准套件，所描述的技术获得门数的大量减少。特别地，与先前的方法相比，本公开中的技术在明显更少的时间内提供更好的优化，同时进行最小的结构改变以便保留底层量子算法的基本布局。这些技术提供的结果有助于缩小可在现有量子计算硬件上运行的计算与更高级的计算之间的差距，这些更高级计算在量子计算硬件中实施更具挑战性，但有望胜过传统计算机可以实现的计算。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2018年10月18日提交的题为“AUTOMATED OPTIMIZATION OFLARGE-SCALE QUANTUM CIRCUITS WITH CONTINUOUS PARAMETERS”的美国非临时申请16/164,586号和2017年10月19日提交的题为“AUTOMATED OPTIMIZATION OF LARGE-SCALEQUANTUM CIRCUITS WITH CONTINUOUS PARAMETERS”的美国临时专利申请62/574,480号的优先权，其全部内容通过引用并入于此。

政府许可权

本发明是在美国陆军研究局(Army Research Office)授予的W911NF1610349和美国国家科学基金会授予的CCF1526380的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

本公开的各方面总体上涉及电路优化，并且更具体地，涉及具有连续参数的大规模量子电路的自动优化。

背景技术

大规模量子电路可以以不同的方式实施。受困(trapped)原子离子的使用是量子信息处理(quantum information processing,QIP)方法之一，其已实现了通用且完全可编程的量子计算机。受困原子离子也是量子信息网络(quantum information networks,QINs)的主导平台。期待基于受困原子离子的系统或网络，受困原子离子可改善此类系统或网络的整体通信。

因此，期待开发出允许各种类型的QIP系统中的大规模量子电路更好优化(例如，较少数量的门)的有效技术，QIP系统包括基于受困原子离子的QIP系统以及基于例如超导电路的QIP系统。

发明内容

以下给出了一个或多个方面的简化概述，以便提供对这些方面的基本理解。该概述不是所有考虑到的方面的详尽概述，并且既不旨在表明所有方面的关键或重要要素，也不旨在描绘任何或所有方面的范围。其目的是以简化形式呈现一个或多个方面的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

本文描述了具有连续参数的大规模量子电路的自动优化的技术。例如，本公开的各方面描述了用于优化胜过传统计算机的量子计算中所期望的大小和类型的量子电路的自动化方法的实施。本文描述的技术阐明了如何处理连续的门参数，并且可以应用于能够优化大规模量子电路的一组快速算法。这些技术与以前的方法相比能够在明显更少的时间内提供更好的优化，同时对结构进行最小的更改以保留底层量子算法的基本布局。这些技术提供的结果有助于缩小可在现有量子计算硬件上运行的计算与更高级计算之间的差距，这些更高级的计算在量子计算硬件中实施更具挑战性，但有望胜过传统计算机可以实现的计算。

在一示例中，描述了一种用于优化量子电路的方法，该方法包括：接收网表，该网表包含关于形成所述量子电路的量子门的第一列表的信息；对关于量子门的第一列表的所述信息执行相位多项式(phase-polynomial)归约运算(reduction operation)，以产生与量子门的所述第一列表功能等效的量子门的第二列表，量子门的所述第二列表中的量子门的数量小于量子门的所述第一列表中的量子门的数量；生成包含关于量子门的所述第二列表的信息的新网表；以及提供所述新网表，以使用量子门的所述第二列表来实施所述量子电路的功能。