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专利号: 2023105031679
申请人: 南通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-11-13
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于蒙特卡洛树的分布式量子线路映射方法,其特征在于,包括以下步骤:S1:建立分布式超导量子计算架构模型,具体包括:S11:分布式架构模型构建和S12:分布式量子网络拓扑图构建;

S2:分布式量子线路路由模式;具体包括S21:量子芯片:QPU间的路由模式,S22:QPU内的路由模式;

S3:分布式量子线路路由优化策略;具体包括S31:确定优化指标,S32:构建分布式量子线路路由的三层搜索树模型,S33:利用蒙特卡洛树搜索路由代价最低的路径。

2.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛树的分布式量子线路映射方法,其特征在于,当线路在单个QPU上无法执行时,需要将线路分布至X个QPU上执行,为此需要构建适合此线路的分布式量子计算底层架构模型,使用步骤S11,具体包括:S111:使用量子比特互连技术,在两个QPU间建立短程通信信道,实现量子态的传送;

S112:基于量子态传输模型,在X个QPU间建立通信链路,这些QPU构成了分布式量子架构;

其中,X大于等于2;

S113:在分布式量子架构的过程中,一条量子通信信道只会作用在两个量子位上,被作用的量子位称为通信量子位;

S114:量子通信只会发生在通信量子位间,所以称为通信受限;

S115:通信量子位用于量子态的发送和接收,并支持量子态操作,即执行量子门;

S116:QPU上的其他不支持量子通信的量子位称为数据量子位,用于执行常规的量子态操作;

S117:构建了分布式量子架构,建立的分布式架构模型的约束条件如下:式中,k为分区数,ai为架构i上的量子位数,n为初始电路量子位总数,ti为分区i中的通信量子位数,其中1≤ti≤ai‑1;

当X个QPU通过量子信道连接成拓扑结构时,使用步骤S12,具体包括:X个QPU的分布式模型描述为分布式量子网络拓扑图,分布式量子网络拓扑图将各个QPU视为网络中的节点,并定义它们之间的连接方式,使得分布式量子计算不再关注通信链路建立的具体量子位,只关注节点的连接关系;

其中,X大于等于2。

3.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛树的分布式量子线路映射方法,其特征在于,当匹配完合适的分布式架构和拓扑后,需要将分布式线路映射至X个QPU上执行,使用步骤S21,具体包括:S211:根据分布式量子网络拓扑图和分布式架构模型,建立分布式量子线路和分布式架构的映射关系,即将分布式线路的逻辑量子位分配至分布式架构的物理量子位;

S212:在映射后,不是所有的量子门都满足拓扑架构的近邻约束条件,需要通过量子位路由将不满足近邻约束的量子门作用的两个量子位路由至近邻位置;

QPU间的路由是基于量子比特互连的量子通信,将一次量子态传输操作定义为ST操作;

S213:在通信受限下,ST操作只能作用于通信链路连接的两个量子位上,通信量子位,以实现量子态的传输;

其中,X大于等于2;

当步骤S21执行后,仍然存在无法直接执行的全局量子门,使用步骤S22,具体包括:S221接收路由:由用于将接收端的通信量子位置空,以便发送端的通信量子位能将量子态传输至接收端;接收路由需要寻找距离通信量子位最近的空闲量子位,通过插入SWAP门的方式,将通信量子位上的量子态路由至此空闲量子位;

S222执行路由:由与集中式量子线路映射中的路由方式相同,只需实现量子门的近邻;

执行路由的方式与传统的集中式量子线路路由方法相同,只需要关注接收量子态后这部分可执行量子门的近邻约束,通过插入SWAP门使得这部分量子门完成近邻;

S223发送路由:由用于将需要传输的量子位路由至通信量子位上,以便执行ST操作;在执行路由结束后,需要进行发送路由将需要传输的量子态从数据量子位路由至传输量子态。

4.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛树的分布式量子线路映射方法,其特征在于,步骤S31具体为:分布式量子线路路由的过程中需要插入额外的SWAP门分布式量子线路映射中插入的SWAP门数由接收路由、执行路由、发送路由,这三种路由模式决定,线路QPU内路由所需的SWAP门数CSWAP用公式(2)表示,以及考虑QPU间的路由代价Croute由公式(3)表示:CSWAP=Creceive+Cexecute+Csend  (2)其中,ω1和ω2表示QPU间路由和QPU内路由的权重,n表示分布式线路的分块数;Creceive表示接收路由的SWAP门代价,Cexecute表示执行路由的SWAP门代价,Csend表示发送路由的SWAP门代价,ST是ST操作的数量,即ST门的数量;

步骤S32具体为:

由于三种QPU内路由模式为递进关系,上一层的路由结果直接影响到下一次的路由结果,所以在每一层中使用贪心的策略求取每一层路由的最低代价无法保证公式(2)中的总体代价最低,基于三种QPU内路由模式的递进关系,构建的三种路由模型的搜索树模型;在此搜索树模型中,第一层为接收路由R;第二层为执行路由E,第三层为每种执行路由后仅对应的一种发送路由S;

步骤S33具体为:

此搜索树中必存在一条路径,使得QPU内路由代价最低;使用基于蒙特卡洛树搜索的分布式量子线路路由优化策略,此策略算法的流程如下:Step1:初始化一个根节点,表示当前状态;

Step2:对于当前节点,利用启发式搜索选择一个未扩展的子节点,将它加入树中;

Step3:利用随机模拟来评估该子节点的路由代价,得到该子节点的权重;

Step4:更新树中所有经过的节点状态和对应的路由代价,避免重复搜索;

Step5:重复步骤2‑4,直到寻找到权重最低的路径,即路由代价最低的三个祖父孙节点。