任意量子逻辑门的分解方法、装置、存储介质及电子装置与流程

本发明属于量子计算，特别是一种任意量子逻辑门的分解方法、装置、存储介质及电子装置。

背景技术：

1、量子计算模拟是一个借助数值计算和计算机科学来仿真遵循量子力学规律的模拟计算，作为一个仿真程序，它依据量子力学的量子比特的基本定律，利用计算机的高速计算能力，刻画量子态的时空演化。

2、目前，量子计算的算法通常用量子线路表示，量子线路包括量子比特和作用在量子比特上的量子逻辑门，通常，一段连续的量子线路可以包含几十上百个甚至成千上万个量子逻辑门。

3、酉矩阵分解是一种广泛应用于将量子算法映射到任意量子逻辑门集合的方法。这种分解允许将较大的酉矩阵转换为基本量子逻辑门组合，这是在现有量子计算机或真实量子芯片上执行和验证量子算法的关键。但是，量子算法中的量子逻辑门操作的量子比特数越多，计算过程就越复杂，由此导致量子线路的模拟效率较低，且无法在真实量子芯片上进行模拟，这是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种任意量子逻辑门的分解方法、装置、存储介质及电子装置，能够通过减少量子逻辑门操作的量子比特的数量，从而减少量子线路的深度，提高量子线路的模拟效率，从而保证分解后的量子线路在量子芯片上执行的保真度。

2、本技术的一个实施例提供了一种任意量子逻辑门的分解方法，方法包括：

3、当任意量子逻辑门对应的目标酉矩阵的阶数大于预设值，将所述目标酉矩阵处理为由第一类分块对角矩阵和旋转量子门对应酉矩阵乘积表示；

4、将所述第一类分块对角矩阵处理为第二类分块对角矩阵和旋转量子门对应酉矩阵乘积表示；

5、将所述第二类分块对角矩阵的对角块作为新的目标酉矩阵，返回执行当所述目标酉矩阵的阶数大于预设值，将所述目标酉矩阵处理为由第一类分块对角矩阵和第一旋转矩阵乘积表示的步骤，直至所述目标酉矩阵的阶数等于所述预设值；

6、将所述旋转量子门对应酉矩阵处理为单量子比特旋转门和特定类型的单比特受控门；并将阶数等于所述预设值的目标酉矩阵处理为单量子比特旋转门。

7、可选的，所述将所述目标酉矩阵处理为由第一类分块对角矩阵和旋转量子门对应酉矩阵乘积表示，包括：

8、将所述目标酉矩阵处理为一个第一类分块对角矩阵、旋转量子门对应酉矩阵和另一个第一类分块对角矩阵的乘积。

9、可选的，所述将所述目标酉矩阵处理为由一个第一类分块对角矩阵、旋转量子门对应酉矩阵和另一个第一类分块对角矩阵的乘积，具体包括：

10、利用以下算式，将所述目标酉矩阵处理为由一个第一类分块对角矩阵、旋转量子门对应酉矩阵和另一个第一类分块对角矩阵的乘积：

11、

12、其中，u为所述目标酉矩阵，为一个第一类分块对角矩阵，a1、a2分别为该第一类分块对角矩阵中的对角块，为另一个第一类分块对角矩阵，b1、b2分别为该第一类分块对角矩阵中的对角块，为所述旋转量子门对应酉矩阵，且c2+s2＝id/2，所述d为所述旋转量子门对应酉矩阵的阶数。

13、可选的，所述旋转量子门为受控ry门。

14、可选的，所述将所述第一类分块对角矩阵处理为第二类分块对角矩阵和旋转量子门对应酉矩阵乘积表示，包括：

15、将所述第一类分块对角矩阵处理为一个第二类分块对角矩阵、旋转量子门对应酉矩阵和另一个第二类分块对角矩阵的乘积。

16、可选的，将所述第一类分块对角矩阵处理为一个第二类分块对角矩阵、旋转量子门对应酉矩阵和另一个第二类分块对角矩阵的乘积，具体包括：

17、利用以下算式，将所述第一类分块对角矩阵处理为一个第二类分块对角矩阵、旋转量子门对应酉矩阵和另一个第二类分块对角矩阵的乘积：

18、

19、其中，为所述第一类分块对角矩阵，为一个第二类分块对角矩阵，所述v为该第二类分块对角矩阵中的对角块，为所述旋转量子门对应酉矩阵，所述d、所述均为所述旋转量子门对应酉矩阵中的对角块；为另一个第二类分块对角矩阵，所述w为该第二类分块对角矩阵中的对角块。

20、可选的，所述旋转量子门为受控rz门。

21、可选的，所述将所述旋转量子门对应酉矩阵处理为单量子比特旋转门和特定类型的单比特受控门，包括：

22、将旋转量子门对应酉矩阵处理为m个所述单量子比特旋转门和m个所述特定类型的单比特受控门，其中，m＝d/2，d为所述旋转量子门对应酉矩阵的阶数。

23、可选的，所述单量子比特旋转门和所述特定类型的单比特受控门是利用预设均匀控制旋转门分解规则分解所述旋转量子门对应酉矩阵得到的。

24、可选的，所述方法还包括：

25、当所述目标酉矩阵的阶数等于所述预设值，直接分解所述目标酉矩阵，获得所述单量子比特旋转门。

26、可选的，将阶数等于所述预设值的目标酉矩阵处理为单量子比特旋转门，包括：

27、通过以下算式分解所述目标酉矩阵，获得所述单量子比特旋转门：

28、u(2)＝eiφrz(α)ry(β)rz(γ)

29、其中，u为所述目标酉矩阵，2为所述阶数，φ为相位，α、β、γ为旋转门旋转的角度，ry，rz均为所述单量子比特旋转门。

30、本技术的又一实施例提供了一种任意量子逻辑门的分解装置，装置包括：

31、第一处理模块，用于当任意量子逻辑门对应的目标酉矩阵的阶数大于预设值，将所述目标酉矩阵处理为由第一类分块对角矩阵和旋转量子门对应酉矩阵乘积表示；

32、第二处理模块，用于将所述第一类分块对角矩阵处理为第二类分块对角矩阵和旋转量子门对应酉矩阵乘积表示；

33、第三处理模块，用于将所述第二类分块对角矩阵的对角块作为新的目标酉矩阵，返回执行所述第一处理模块，直至所述目标酉矩阵的阶数等于所述预设值；

34、第四处理模块，用于将所述旋转量子门对应酉矩阵处理为单量子比特旋转门和特定类型的单比特受控门；并将阶数等于所述预设值的目标酉矩阵处理为单量子比特旋转门。

35、可选的，所述第一处理模块，包括：

36、第一处理单元，用于将所述目标酉矩阵处理为一个第一类分块对角矩阵、旋转量子门对应酉矩阵和另一个第一类分块对角矩阵的乘积。

37、可选的，所述第一处理单元，具体用于：

38、利用以下算式，将所述目标酉矩阵处理为由一个第一类分块对角矩阵、旋转量子门对应酉矩阵和另一个第一类分块对角矩阵的乘积：

39、

40、其中，u为所述目标酉矩阵，为一个第一类分块对角矩阵，a1、a2分别为该第一类分块对角矩阵中的对角块，为另一个第一类分块对角矩阵，b1、β2分别为该第一类分块对角矩阵中的对角块，为一个旋转量子门对应酉矩阵，且c2+s2＝id/2，所述d为所述旋转量子门对应酉矩阵的阶数。

41、可选的，所述旋转量子门为受控ry门。

42、可选的，所述第二处理模块，包括：

43、第二处理单元，用于将所述第一类分块对角矩阵处理为一个第二类分块对角矩阵、旋转量子门对应酉矩阵和另一个第二类分块对角矩阵的乘积。

44、可选的，所述第二处理单元，具体用于：

45、利用以下算式，将所述第一类分块对角矩阵处理为一个第二类分块对角矩阵、旋转量子门对应酉矩阵和另一个第二类分块对角矩阵的乘积：

46、

47、其中，为所述第一类分块对角矩阵，为一个第二类分块对角矩阵，所述v为该第二类分块对角矩阵中的对角块，为所述旋转量子门对应酉矩阵，所述d、所述均为所述旋转量子门对应酉矩阵中的对角块；为另一个第二类分块对角矩阵，所述w为该第二类分块对角矩阵中的对角块。

48、可选的，所述旋转量子门为受控rz门。

49、可选的，所述第四处理模块，包括：

50、将旋转量子门对应酉矩阵处理为m个所述单量子比特旋转门和m个所述特定类型的单比特受控门，其中，m＝d/2，d为所述旋转量子门对应酉矩阵的阶数。

51、可选的，所述单量子比特旋转门和所述特定类型的单比特受控门是利用预设均匀控制旋转门分解规则分解所述旋转量子门对应酉矩阵得到的。

52、可选的，所述装置还包括：

53、获得模块，用于当所述目标酉矩阵的阶数等于所述预设值，直接分解所述目标酉矩阵，获得所述单量子比特旋转门。

54、可选的，所述第四处理模块，还具体用于：

55、通过以下算式分解所述目标酉矩阵，获得所述单量子比特旋转门：

56、u(2)＝eiφrz(α)ry(β)rz(γ)

57、其中，u为所述目标酉矩阵，2为所述阶数，φ为相位，α、β、γ为旋转门旋转的角度，ry，rz均为所述单量子比特旋转门。

58、本技术的一个实施例提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项所述的方法。

59、本技术的一个实施例提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一项所述的方法。

60、与现有技术相比，本发明先当任意量子逻辑门对应的目标酉矩阵的阶数大于预设值，将所述目标酉矩阵处理为由第一类分块对角矩阵和旋转量子门对应酉矩阵乘积表示；再将所述第一类分块对角矩阵处理为第二类分块对角矩阵和旋转量子门对应酉矩阵乘积表示；然后将所述第二类分块对角矩阵的对角块作为新的目标酉矩阵，返回执行当所述目标酉矩阵的阶数大于预设值，将所述目标酉矩阵处理为由第一类分块对角矩阵和第一旋转矩阵乘积表示的步骤，直至所述目标酉矩阵的阶数等于所述预设值；最后将所述旋转量子门对应酉矩阵处理为单量子比特旋转门和特定类型的单比特受控门；并将阶数等于所述预设值的目标酉矩阵处理为单量子比特旋转门。利用本发明实施例，能够通过减少量子逻辑门操作的量子比特的数量，从而减少量子线路的深度，提高量子线路的模拟效率，从而保证分解后的量子线路在量子芯片上执行的保真度。