一种基于NCV量子门序列等价变换的量子线路化简方法技术

本发明专利技术提供了一种基于NCV量子门序列等价变换的量子线路化简方法，属于量子计算技术领域。解决了NCV量子门序列的线路化简问题。其技术方案为：包括以下步骤：S1、在实验集中形成NCV线路集合；S2、将规则研究延伸到NCV门库中；S3、通过真值表的方式进行等价性验证；S4、通过遍历的方式在NCV线路中找到特定可化简的子线路时，进行线路替换；S5、利用真值表进行验算整理出五组规律，并对NCV量子门序列进行运用，减少线路代价。本发明专利技术的有益效果为：本发明专利技术进一步化简了NCV线路，降低了NCV线路的量子代价，缩短了线路执行时间，且进一步降低线路映射过程中错误率的问题，使线路变换更加灵活。使线路变换更加灵活。使线路变换更加灵活。

【技术实现步骤摘要】
一种基于NCV量子门序列等价变换的量子线路化简方法


[0001]本专利技术涉及量子计算
，尤其涉及一种基于NCV量子门序列等价变换的量子线路化简方法。

技术介绍

[0002]近年来，量子计算是一个蓬勃发展的研究领域。相比于其他已知的经典方法，量子计算通过利用叠加、纠缠和相移等量子力学特质，能够更快地解决某些实际相关问题，如数据库搜索、密码破译、药物研发等。通过在量子计算机上运行量子线路，完成相应量子算法的执行。正因为如此，在论文：Lin C C,Sur
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Kolay S,Jha N K.PAQCS:Physical Design
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Aware Fault
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Tolerant Quantum Circuit Synthesis[J].IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systems,2015,23(7):1221
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1234.记载到，量子线路的合成和技术映射，即在有针对性的量子计算机架构上自动生成给定功能的量子线路，已经成为一个活跃的研究领域。
[0003]在论文：Nabila Abdessaied,Rolf Drechsler.Reversible and Quantum Circuits Optimization and Complexity Analysis[M],Springer Nature,2018.记载到，量子线路是一种表示量子运算序列的量子计算模型。每一个操作都由一个量子门来表示，线路是一些级联的量子门，其中线路代表一个量子系统，最终通过映射到量子计算机的物理拓扑结构上完成执行。
[0004]量子计算由可逆逻辑发展而来。可逆逻辑合成在纳米技术、信息安全和低功耗设计等方面发挥着重要作用，也成为近年来研究的热点。它实现了给定可逆门的网络级联，并尽可能保证低成本。在论文：Li J,Li N,Zhang Y,et al.A survey on quantum cryptography[J].Chinese Journal of Electronics,2018,27(2):223
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228.记载到：在无扇出和无反馈的情况下，在输入和输出之间不丢失信息位，因此可逆门级联线路理论上可以实现零能耗。可逆门是一个n位函数，它将每个可能的输入向量映射到唯一的输出向量，如Toffoli门和Fredkin门等。
[0005]在论文：孙晓明.量子计算若干前沿问题综述[J].中国科学:信息科学,2016,46(8):982
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1002记载到：为了降低可逆网络的成本，通常需要寻找性能良好的综合算法和有效的简化方法。综合算法包括布尔可满足性、动态规划和一些启发式算法。简化方法包括基于数据结构的优化、模板匹配和基于简单规则的优化。
[0006]在论文：Devitt S J,Munro W J,Nemoto K.Quantum error correction for beginners[J].Reports on Progress in Physics,2013,76(7):076001.记载到：在量子逻辑综合中有很多不同种类的量子门集合，即量子门库。如NCV门库和Clifford+T门库。NCV门库包括一个单量子位门，双量子位门CNOT门、controlled
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V门，controlled
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V+门。
[0007]目前对量子线路的等价变换规则及其应用进行了广泛的研究，而这些研究存在以下缺点：
[0008](1)对NCV门序列等价变换规则研究较少
[0009]目前主流的量子门库包括NCV门库和Clifford+T门库等，人们大多关注Clifford+T门库的等价变换规则，相比之下，对NCV门序列的等价变换规则研究较少且不够详细，且在NCV线路的优化中，不能较好的应用。
[0010](2)基于模板匹配的线路化简方法时间复杂度大
[0011]经典的基于模板匹配的NCV线路化简技术需要在量子线路中匹配每个模板，算法的时间复杂度较大，只适用于小规模NCV量子线路的化简。
[0012](3)生成的NCV门序列代价偏大
[0013]当线路存在大量NCV量子门序列时，由于在线路映射前需要进行优化，才可以在一定程度上减少错误率等，故映射前的优化工作十分重要，而目前生成的NCV线路代价都偏大。
[0014]如何解决上述技术问题为本专利技术面临的课题。

技术实现思路

[0015]本专利技术的目的在于提供一种基于NCV量子门序列等价变换的量子线路化简方法。解决了基于模板匹配的线路化简方法时间复杂度大，生成的NCV门序列代价偏大的问题，使得量子线路变换也更加灵活。
[0016]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用技术方案具体为：
[0017]S1、搜索RevLib实验集中的NCV线路，形成NCV线路集合；
[0018]S2、基于Clifford+T门库的优化规则研究，将规则研究延伸到NCV门库中；
[0019]S3、通过真值表的方式进行等价性验证；
[0020]S4、通过遍历的方式找到特定可化简的子线路时，利用化简规则对其恒等替换；
[0021]S5、利用真值表进行验算整理出五组规律，并对NCV量子门序列进行运用，减少线路代价，五组规律是基于量子态|0>和|1>经过NOT门、CNOT门、V门、V+门进行输出的。
[0022]所述步骤S5中规律1中，利用真值表，表1为换件规则一(a)线路恒等式的证明，表2为换件规则一(b)线路恒等式的证明，表1和表2分别表示如下：
[0023]表1换件规则一(a)恒等证明
[0024][0025]表2换件规则一(b)恒等证明
[0026][0027]。
[0029]所述步骤S5中规律2中，利用真值表，表3为换件规则二(a)线路恒等式的证明，表4
为换件规则二(b)线路恒等式的证明，表3和表4分别表示如下：
[0030]表3换件规则二(a)恒等证明
[0031][0032]表4换件规则二(b)恒等证明
[0033][0035]所述步骤S5中规律3中，利用真值表，表5给出换件规则三(a)线路恒等式的证明，表6给出换件规则三(b)线路恒等式的证明，表5和表6分别表示如下：
[0036]表5换件规则三(a)恒等证明
[0037][0038]表6换件规则三(b)恒等证明
[0039][0040][0042]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0043](1)显著减少了量子线路的代价
[0044]通过NCV量子门序列等价变换规则的应用，使得量子线路的变化换更加灵活，显著减少了映射过程中需要的量子门数，降低了量子代价，而量子代价的降低又可以提高量子线路在量子设备上的运行效率，使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于NCV量子门序列等价变换的量子线路化简方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、搜索RevLib实验集中的NCV线路，形成NCV线路集合；S2、基于Clifford+T门库的优化规则研究，将规则研究延伸到NCV门库中；S3、通过真值表的方式进行等价性验证；S4、通过遍历的方式找到特定可化简的子线路时，利用化简规则对其恒等替换；S5、利用真值表进行验算整理出五组规律，并对NCV量子门序列进行运用，减少线路代价，五组规律是基于量子态|0>和|1>经过NOT门、CNOT门、V门、V+门进行输出的。2.根据权利要求1所述的一种基于NCV量子门序列等价变换的量子线路化简方法，其特征在于，所述步骤S5中规律1中，利用真值表，表1为换件规则一(a)线路恒等式的证明，表2为换件规...

【专利技术属性】
技术研发人员：程学云，姜一博，曹可欣，陈新宇，陈子禄，朱明强，李响，冯世光，管致锦，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：