【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及量子计算，具体来说涉及量子电路模拟领域，更具体地说，涉及一种适用于多gpu系统的量子电路模拟方法及装置。
技术介绍
1、量子计算，这一基于量子力学原理的革命性技术，正迅速在全球科研领域崭露头角。它通过量子比特进行信息的编码与处理，利用量子叠加和量子纠缠等独特现象，实现对信息的高效并行操作。量子算法，如shor的因数分解算法和grover的搜索算法，已经证明在处理特定类型问题时，量子计算相比传统计算方式具有显著的速度提升。随着技术的不断进步，量子计算在材料科学、密码学和组合优化等多个领域，展现出了其潜在的巨大应用价值。
2、目前，量子计算仍处于所谓的“含噪声的中等规模量子（nisq）时代”，在这一阶段，量子电路模拟成为了研究者验证量子算法和量子系统正确性与有效性的重要工具。量子电路模拟涉及将量子系统的状态以复数向量的形式表示，该向量的长度会随着量子比特数目的增加而指数增长。在模拟过程中，通过不断地将状态向量与量子电路中各个量子门对应的酉矩阵进行相乘，可以逐步推导出量子系统状态的演化，直至得到最终的量子态。尽管面临诸多挑战，量子计算的发展前景令人期待，它有望为我们打开计算领域的新篇章。
3、随着量子比特数的增加，量子电路模拟的计算量会呈指数级增长，在单机环境下，现有的量子电路模拟技术对于大规模量子电路的模拟时间和资源需求已经难以满足。现有量子电路模拟技术通常使用状态向量来进行量子电路的模拟，仅考虑对于量子系统状态向量和量子门矩阵操作的功能实现上。随着量子电路规模的增大，单个cpu或gpu难以满足
4、综上所述，现有的量子电路模拟方法存在以下问题：1）单gpu环境下计算资源具有局限性：量子系统的状态向量的维度随着量子比特数指数增长，导致单gpu环境的内存和计算能力无法满足模拟大规模量子电路需求。2）无法使用多gpu环境下的量子电路模拟：多gpu环境下，受限于量子系统的状态向量难以在同一内存空间存储每个gpu上接触的状态向量的不完整，导致现有模拟法无法适配多gpu环境。3）缺失gpu间数据传输和交换机制：现有量子电路模拟方法未考虑多gpu环境下的数据交换机制。因此，亟需一种适用于多gpu系统的模拟大规模量子电路的方法。
5、需要说明的是：本
技术介绍
仅用于介绍本专利技术的相关信息，以便于帮助理解本专利技术的技术方案，但并不意味着相关信息必然是现有技术。在没有证据表明相关信息已在本专利技术的申请日以前公开的情况下，相关信息不应被视为现有技术。
技术实现思路
1、因此，本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种适用于多gpu系统的量子电路模拟方法及装置。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
3、根据本专利技术的第一方面，本专利技术提出一种适用于多gpu系统的量子电路模拟方法，用于模拟量子电路在指定的量子系统上的运行过程以获取量子系统的最终状态向量，所述方法包括：步骤s1、获取gpu的数量并构建gpu间的通信通道，获取待模拟的量子电路的所有量子比特、量子比特的顺序、量子门操作序列以及指定的量子系统的初始状态向量，其中，所述量子门操作序列包括多个有序排列的量子门操作层，每个量子门操作层包括多个可并行执行的量子门操作，每个量子门操作作用于一个或多个量子比特；步骤s2、采用预设方法从量子电路的所有量子比特中为每个量子门操作层选取多个用于分割量子系统的初始状态向量的分割量子比特，以构建动态分割量子比特规划；步骤s3、基于动态分割量子比特规划，为每个作用在分割量子比特上的量子门操作、每两个连续且分割量子比特不同的量子门操作层之间添加gpu数据交换操作，并将所有量子门操作转化为多gpu支持的量子门操作，以所有gpu数据交换操作和所有多gpu支持的量子门操作构建量子电路模拟操作序列；步骤s4、基于量子电路中的第一个量子门操作层的分割量子比特将指定的量子系统的初始状态向量平均分割给每个gpu以初始化每个gpu中的状态向量，并在每个gpu中并行执行量子电路模拟操作序列中的所有操作以更新其上的状态向量，其中,每个gpu在执行作用于分割量子比特上的量子门操作时，采用预设数据交换方法在当前gpu与其它gpu间执行数据交换操作；步骤s5、收集所有gpu中更新后的状态向量，并按照量子电路中的量子比特的顺序进行重排列，以获得量子系统的最终状态向量。
4、优选的，所述gpu间的通信通道基于nccl库构建。
5、优选的，在所述步骤s2中，所述预设方法为通过以下步骤从量子电路的所有量子比特中为每个量子门操作层选取分割量子比特：步骤s21、根据不同类型量子门操作作用于分割量子比特所需的数据交换量和计算量配置每种量子门操作的分割代价，其中，数据交换量和计算量越大分割代价越大；步骤s22、基于在步骤s21中为不同量子门操作配置的分割代价获取待模拟的量子电路中的每个量子比特在每个量子门操作层中被选为分割量子比特时的分割代价，其中，一个量子门操作层中的一个量子比特的分割代价为该量子门操作层中作用在该量子比特上的所有量子门操作的分割代价的和；步骤s23、将所有量子门操作层划分为多个量子门操作层区间，其中，每个量子门操作层区间包含多个连续的量子门操作层，每个量子门操作层的分割量子比特相同；步骤s24、对每两个连续的量子门操作层区间，计算第二个量子门操作区间的分割代价与第一预设阈值的和、第二个量子门操作区间的分割量子比特与第一个量子门操作区间的分割量子比特相同情况下的分割代价，并比较两者数值大小，若前者小于或等于后者，则将第二个量子门操作层区间中所有量子门操作层的分割量子比特更新为与第一个量子门操作层区间中量子门操作层相同的分割量子比特。
6、优选的，所述步骤s23包括：步骤s231、基于量子电路中的所有量子比特，划分出多个包含不同量子比特的量子比特组，其中，每个量子比特组包含个不同的量子比特，为gpu的数量；步骤s232、对于每个量子比特组，以该量子比特组中的量子比特作为所有量子门操作层的分割量子比特，计算每个量子门操作层的分割代价，按照量子门操作层的顺序，逐层累加每个量子门操作层的分割代价，在累加值小于预设阈值的条件下找出包含最多量子门操作层的区间，并获取该区间的量子门操作层数及其包含的量子门操作层，其中，所述每个量子门操作层的分割代价为该量子门操作层的所有分割量子比特的分割代价的总和；步骤s233、将量子门层数最多的量子比特组对应的区间划分为一个量子门操作区间，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于多GPU系统的量子电路模拟方法，用于模拟量子电路在指定的量子系统上的运行过程以获取量子系统的最终状态向量，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述GPU间的通信通道基于NCCL库构建。
3.根据权利要求1所述的，其特征在于，在所述步骤S2中，所述预设方法为通过以下步骤从量子电路的所有量子比特中为每个量子门操作层选取分割量子比特：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S23包括：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述GPU数据交换操作包括：
6.根据权利要求1所述的方法，在所述步骤S3中，通过如下方式初始化每个GPU的状态向量：
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设数据交换方法配置为：
8.一种用于实现如权利要求1~7任一所述的方法的量子电路模拟装置，用于模拟量子电路在指定量子系统上的运行过程以获得量子系统的最终状态向量，其特征在于，所述装置包括：
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种适用于多gpu系统的量子电路模拟方法，用于模拟量子电路在指定的量子系统上的运行过程以获取量子系统的最终状态向量，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述gpu间的通信通道基于nccl库构建。
3.根据权利要求1所述的，其特征在于，在所述步骤s2中，所述预设方法为通过以下步骤从量子电路的所有量子比特中为每个量子门操作层选取分割量子比特：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤s23包括：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述gpu数据交换操作包括：<...
【专利技术属性】
技术研发人员：李开琪，孙晓明，
申请(专利权)人：中国科学院计算技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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