[发明专利]面向嘈杂中型量子计算架构的量子寄存器分配方法和系统

说明书

本发明公开了一种面向嘈杂中型量子计算架构的量子寄存器分配方法和系统，包含量子电路解析方法、基于多重禁忌搜索的量子比特分配方法和量子操作错误率感知的优化方法。相应地，量子寄存器分配系统包含三个模块，即量子电路解析模块、基于禁忌搜索的量子比特分配模块以及量子操作错误率感知的优化模块。本发明面向当前有噪声中型量子计算架构上的量子寄存器分配问题，适用于量子比特受限连通约束和量子操作错误率波动大的量子计算场景，可在较短时间内为生成交互代价低且量子操作保真度高的量子比特分配方案，对于提高特定平台上量子计算的成功率具有积极意义。

技术领域

本发明属于量子信息技术领域。本发明涉及一种面向嘈杂中型量子计算架构的量子寄存器分配方法和系统。本发明用于将量子电路(/量子算法)中的逻辑量子比特分配给嘈杂中型量子计算架构的物理量子比特，并且优先选择总体交互代价低且量子操作保真度高的量子比特分配方案，从而有效提升量子电路在嘈杂中型量子计算架构上的计算成功率。

背景技术

随着量子物理技术的不断发展，量子计算机逐渐从理论概念演变为现实系统。近年来，IBM、Google以及Intel等公司陆续对外公布了其研发的原型量子计算机。这些量子计算机包含不足100个量子比特，且其上的量子操作极易出错，因此，它们又被称为有噪声中型量子计算机(NISQ,Noisy Intermediate-Scale Quantum)。NISQ计算机为在实际真实地进行量子计算提供了物理平台，但使用这些量子计算机存在以下障碍：(1)目前的NISQ计算机大多采用了连通受限的量子比特架构，在此类量子比特架构上，每个物理量子比特仅允许和少数近邻量子比特进行交互，这种约束限制了NISQ计算架构上可实现的两量子比特量子操作，即两量子比特的量子操作只能作用在一对近邻物理量子比特上。(2)量子操作错误率尤其是双量子比特量子操作错误率极高。目前的NISQ计算架构仅支持单量子比特量子操作和双量子比特量子操作，其中双量子比特量子操作的平均错误率是单量子比特量子操作的平均错误率的近十倍。由于双量子比特量子操作是影响量子计算成功率的主导元素，本发明的量子寄存器方法仅考虑双量子比特量子错误率，但是支持同时考虑单量子操作错误率。(3)在不同物理量子比特上的量子操作错误率波动极大，同样的量子操作作用在不同的物理量子比特上，错误率差异最大可达近10倍。图1展示了IBM公司的一款16量子比特NISQ计算架构，其中，结点表示物理量子比特，量子比特之间的连线表示与之关联的两个量子比特是可直接交互的，即两量子比特量子操作可作用在这两个量子比特上，连线上的百分比表示相关量子操作的错误率。从图1可以发现，双量子比特量子操作随着作用位置的不同，其错误率发生很大的波动，最小为2.96％，最大为26.84％。上述三个障碍严重制约了基于NISQ计算架构的量子计算的通用性、规模以及成功率。

NISQ量子计算机诞生于近3年以内，基于这些量子计算机的系统软件和工具的研究尚处于起始阶段，因此，缺乏有效的自动化手段帮助科研人员以及用户克服NISQ量子计算机面临的三个障碍。

发明内容

本发明的技术问题：

本发明面向嘈杂中型量子(NISQ)计算架构，通过感知NISQ计算架构上的量子比特受限连通约束以及量子操作错误率波动，提供一种以最小化交互代价和最大化量子计算成功率为目标的量子寄存器分配方法和系统。

本发明的技术方案：

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种面向嘈杂中型量子计算架构的量子寄存器分配方法和系统包含两个组件，分别是：一种基于面向嘈杂中型量子计算架构的量子寄存器分配方法和一套基于面向嘈杂中型量子计算架构的量子寄存器分配系统。

本发明的量子寄存器分配方法可以感知NISQ计算架构上的量子比特受限连通约束以及量子操作错误率波动，并基于多重禁忌搜索方法在全部量子比特分配可行解中，确定交互代价低并且量子操作保真度高的量子比特分配方案。