基于不同框架的量子算法研究

论文摘要

随着半导体集成电路技术不断接近摩尔定律极限,量子计算作为一种具有更高运算速度和更低能耗的运算方式,正得到越来越多的关注,量子计算被认为是在后摩尔时代信息计算和安全领域内占据关键地位的新型战略性技术。近些年,IBM、谷歌、苏黎世联邦理工等公司和研究团队在量子计算机硬件方面取得重大突破,越来越多的研究机构和IT企业开始将目光放在量子软件这一领域,并提供了若干量子计算的实验平台与编程框架。本文首先从量子位和量子逻辑门入手,随后分析了一些重要的量子算法,层层深入,描述了一个量子算法实现所需要的逻辑架构。之后在IBM量子云平台进行3比特Grover搜索算法和5比特量子傅里叶变换算法的图形化的算法模拟与仿真。基于IBM的QISKit、谷歌的Cirq和苏黎世联邦理工的ProjectQ等计算框架,运用代码化的量子编程方式来实现上述具体比特的算法,并在实现方法、语言选择、硬件接口、计算结果等方面对比不同计算框架之间的差异。代码形式的量子编程具有更小的计算误差和更大的灵活性,这是因为图形化编程不具有测试次数可调性和输出结果完整性。IBM的计算框架由于加入了噪声,计算结果有一定的偏差,而Cirq和ProjectQ的计算结果相对理想。为了创建更好的模拟环境,本文自主设计开发量子计算模拟器。本模拟器主要是基于图形化的编程方式,通过在界面上拖动、增加、删除量子逻辑门等一系列操作,构造逻辑电路来进行计算。量子逻辑电路计算结果可以完整输出,测试次数可调。进一步的,基于分布式计算框架,初步开发了一个分布式量子计算模拟平台。该分布式平台可减少直接模拟带来的向量运算所占据的内存存储量,从而增加可模拟的量子比特数量、减少计算时间。通过一些量子计算的测试代码对分布式平台进行了实验,该分布式量子计算模拟器平台具有任务分发功能且计算结果准确。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 注释表
• 缩略词
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 量子计算模型发展现状
•     1.2.2 量子软件设计发展现状
•     1.2.3 量子计算平台与框架
•   1.3 本文研究内容和创新点
•   1.4 本文内容组织安排
• 第二章 几种重要量子算法
•   2.1 量子位
•   2.2 量子门
•     2.2.1 单量子比特门
•     2.2.2 多量子比特门
•   2.3 量子黑箱
•   2.4 Grover搜索算法
•   2.5 量子傅里叶变换算法
•   2.6 其他量子算法
•     2.6.1 Shor质因子分解算法
•     2.6.2 量子随机行走算法
•     2.6.3 量子机器学习算法
•   2.7 本章小结
• 第三章 几种框架算法实现与分析
•   3.1 3比特Grover搜索算法
•     3.1.1 IBM量子云平台算法模拟
•     3.1.2 Cirq算法模拟
•     3.1.3 ProjectQ算法模拟
•   3.2 5比特量子傅里叶变换
•     3.2.1 IBM量子云平台算法模拟
•     3.2.2 Cirq算法模拟
•     3.2.3 ProjectQ算法模拟
•   3.3 DFT、FFT和 QFT算法模拟与仿真
•     3.3.1 DFT和 FFT算法实验结果输出
•     3.3.2 QFT算法实现结果输出
•   3.4 本章小结
• 第四章 自主开发单机版量子模拟器
•   4.1 单机量子模拟器介绍
•     4.1.1 运行流程
•     4.1.2 前端输入界面
•     4.1.3 算法编译和处理库
•     4.1.4 后端计算输出
•   4.2 量子模拟器数据处理逻辑分层和基本开发信息
•     4.2.1 数据处理逻辑分层
•     4.2.2 基本开发信息
•   4.3 量子模拟器运行实现
•     4.3.1 量子逻辑门操控
•     4.3.2 多比特复合量子逻辑门运行
•   4.4 本章小结
• 第五章 分布式量子计算模拟平台
•   5.1 分布式架构
•     5.1.1 分布式电路优化
•     5.1.2 现有计算架构
•   5.2 运行和实验
•     5.2.1 运行流程
•     5.2.2 分布式程序运行测试
•   5.3 本章小结
• 第六章 工作总结与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文及取得的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 卫佳

导师: 倪明

关键词: 量子计算,量子算法,量子云平台,量子模拟器,分布式计算

来源: 中国电子科技集团公司电子科学研究院

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 中国电子科技集团公司电子科学研究院

分类号: O413;TN918

DOI: 10.27728/d.cnki.gdzkx.2019.000080

总页数: 79

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