量子电路构建方法、装置、设备、存储介质及产品与流程

本技术涉及数据处理，尤其涉及一种量子电路构建方法、装置、设备、存储介质及产品。

背景技术：

1、随着量子计算技术的发展，量子计算机的研制不断取得突破，量子计算的算力持续提升，利用量子算法求解经典计算环境下的困难问题已逐渐从理论走向实践。

2、量子计算在某些问题解决上相比于经典计算将具有显著的优势，例如，秀尔算法在较大整数因式分解时相比于现有经典算法具有指数级加速表现。秀尔算法可以将困难的数学问题转换为模函数周期求解问题。

3、随着需要解决的问题的困难程度的增加，模函数周期求解的难度快速增加，量子电路的复杂度增加，所需量子比特数、量子门电路个数、量子电路深度等量子资源快速增加。目前，量子资源作为稀缺资源，限制了可求解问题的规模，也限制了量子电路的应用前景。

技术实现思路

1、本技术提供一种量子电路构建方法、装置、设备、存储介质及产品，旨在解决由于量子计算机可提供的量子资源有限，可求解问题的规模受限制的问题。

2、第一方面，本技术提供一种量子电路构建方法，所述方法包括：确定待求解的模函数对应的模数n和随机数a；根据所述模数n制备第一量子寄存器和第二量子寄存器；所述第一量子寄存器包括2n个第一量子比特记为{q2n-1,q2n-2,…q0}，所述第二量子寄存器包括n个第二量子比特记为{q3n-1,q3n-2,…q2n}，其中，n为所述模数n的二进制展开长度；对每个所述第一量子比特的量子初态构建一个阿达玛门，获得所述第一量子寄存器的等概率量子叠加态；基于所述模数n和所述随机数a对所述第二量子寄存器的量子初态构建第一模乘模块ua；在所述第二量子寄存器上对所述第一模乘模块ua连续执行2n-1次平方操作，依次构建2n-1个第二模乘模块，记为依次将多个第一量子比特q0，…,q2n-2，q2n-1作为控制比特，依次将第一模乘模块ua和多个第二模乘模块作为受控方，构建2n个受控酉门，获得所述第一量子寄存器和第二量子寄存器的纠缠态；对所述第一量子寄存器进行傅里叶逆变换，并对所述第一量子寄存器构建测量电路，获得模函数周期r对应的相位估计结果。

3、可选的，所述基于所述模数n和所述随机数a对所述第二量子寄存器的量子初态构建第一模乘模块ua，包括：对2n-n-1进行二进制展开，得到2n-n-1对应的第一展开式记为nn-1nn-2…n0；将所述随机数a进行二进制展开，得到所述随机数a对应的第二展开式记为al-1al-2…a0；所述第二量子寄存器中的多个第二量子比特与所述第一展开式中的每个二进制位顺序一一对应；按照从高到低的顺序，对所述第二展开式中每个二进制位执行处理，封装获得所述第一模乘模块ua；所述处理包括：对于所述多个第二量子比特，按照从高位到低位的顺序，依次在相邻的第二量子比特之间构建交换门；若该二进制位的值为0，则对所述第二量子寄存器执行一次模n处理；若该二进制位的值为1，则对所述第二量子寄存器执行两次模n处理，并在第二次模n处理前，在所述第二量子寄存器的当前量子态上叠加所述第二量子寄存器的量子初态；其中，模n处理包括：对于所述第一展开式的最低位n0，若n0＝1，则对第二量子比特q2n执行非操作；在第二量子比特q2n上叠加2n-n-1倍的，执行该次模n处理前的第二量子比特q3n-1的量子态。

4、可选的，所述模n处理，包括：若n0＝1，则对第二量子比特q2n执行非门操作；对于所述第一展开式的非最低位nj，1≤j≤n-1，若nj＝1，则将所述多个第二量子比特中所述第一展开式的最低位n0所对应的第二量子比特q2n和该非最低位nj的下一位nj-1所对应的第二量子比特q2n+j-1作为控制比特，将该非最低位nj所对应的第二量子比特q2n+j作为受控比特，构建受控非门。

5、可选的，所述对所述第一量子寄存器进行傅里叶逆变换，并对所述第一量子寄存器构建测量电路，获得模函数周期r对应的相位估计结果之后，所述方法还包括：将所述相位估计结果进行连分式展开，计算获得模函数的周期r。

6、可选的，所述确定待求解的模函数对应的模数n和随机数a之前，所述方法还包括：随机选取小于待分解整数的初始随机数，计算所述初始随机数和所述待分解整数的最大公因式；若所述最大公因式大于1，则将所述最大公因式作为所述待分解整数的一个非平凡因子；所述确定待求解的模函数对应的模数n和随机数a，具体包括：若所述最大公因式等于1，则将所述待分解整数作为待求解的模函数对应的模数n，并将初始的随机数作为待求解的模函数对应的随机数a。

7、可选的，所述对所述第一量子寄存器进行傅里叶逆变换，并对所述第一量子寄存器构建测量电路，获得模函数周期r对应的相位估计结果之后，所述方法还包括：若所述模函数的周期r为异常，则返回执行所述随机选取小于待分解整数的初始随机数，计算所述初始随机数和所述待分解整数的最大公因式的步骤；其中，所述模函数的周期r异常包括：模函数的周期r为奇数，或者，否则，则将和所述待分解整数的第一最大公因式，以及，和所述待分解整数的第二最大公因式，作为所述待分解整数对应的两个非平凡因子；其中，所述两个非平凡因子的乘积为所述待分解整数。

8、第二方面，本技术提供一种量子电路构建装置，所述装置包括：确定模块，用于确定待求解的模函数对应的模数n和随机数a；制备模块，用于根据所述模数n制备第一量子寄存器和第二量子寄存器；所述第一量子寄存器包括2n个第一量子比特记为{q2n-1,q2n-2,…q0}，所述第二量子寄存器包括n个第二量子比特记为{q3n-1,q3n-2,…q2n}，其中，n为所述模数n的二进制展开长度；第一构建模块，用于对每个所述第一量子比特的量子初态构建一个阿达玛门，获得所述第一量子寄存器的等概率量子叠加态；第二构建模块，用于基于所述模数n和所述随机数a对所述第二量子寄存器的量子初态构建第一模乘模块ua；第一计算模块，用于在所述第二量子寄存器上对所述第一模乘模块ua连续执行2n-1次平方操作，依次构建2n-1个第二模乘模块，记为第三构建模块，用于依次将多个第一量子比特q0，…,q2n-2，q2n-1作为控制比特，依次将第一模乘模块ua和多个第二模乘模块作为受控方，构建2n个受控酉门，获得所述第一量子寄存器和第二量子寄存器的纠缠态；测量模块，用于对所述第一量子寄存器进行傅里叶逆变换，并对所述第一量子寄存器构建测量电路，获得模函数周期r对应的相位估计结果。

9、可选的，所述第二构建模块，包括：展开单元，用于对2n-n-1进行二进制展开，得到2n-n-1对应的第一展开式记为nn-1nn-2…n0；将所述随机数a进行二进制展开，得到所述随机数a对应的第二展开式记为al-1al-2…a0；所述第二量子寄存器中的多个第二量子比特与所述第一展开式中的每个二进制位顺序一一对应；处理单元，用于按照从高到低的顺序，对所述第二展开式中每个二进制位执行处理，封装获得所述第一模乘模块ua；所述处理包括：对于所述多个第二量子比特，按照从高位到低位的顺序，依次在相邻的第二量子比特之间构建交换门；若该二进制位的值为0，则对所述第二量子寄存器执行一次模n处理；若该二进制位的值为1，则对所述第二量子寄存器执行两次模n处理，并在第二次模n处理前，在所述第二量子寄存器的当前量子态上叠加所述第二量子寄存器的量子初态；其中，模n处理包括：对于所述第一展开式的最低位n0，若n0＝1，则对第二量子比特q2n执行非操作；在第二量子比特q2n上叠加2n-n-1倍的，执行该次模n处理前的第二量子比特q3n-1的量子态。

10、可选的，所述处理单元用于模n处理时，具体用于：若n0＝1，则对第二量子比特q2n执行非门操作；对于所述第一展开式的非最低位nj，1≤j≤n-1，若nj＝1，则将所述多个第二量子比特中所述第一展开式的最低位n0所对应的第二量子比特q2n和该非最低位nj的下一位nj-1所对应的第二量子比特q2n+j-1作为控制比特，将该非最低位nj所对应的第二量子比特q2n+j作为受控比特，构建受控非门。

11、可选的，所述装置还包括：第二计算模块，用于将所述相位估计结果进行连分式展开，计算获得模函数的周期r。

12、可选的，所述装置还包括：第三计算模块；所述第三计算模块，用于：随机选取小于待分解整数的初始随机数，计算所述初始随机数和所述待分解整数的最大公因式；若所述最大公因式大于1，则将所述最大公因式作为所述待分解整数的一个非平凡因子；所述确定模块，具体用于：若所述最大公因式等于1，则将所述待分解整数作为待求解的模函数对应的模数n，并将初始的随机数作为待求解的模函数对应的随机数a。

13、可选的，所述装置还包括：周期计算模块；所述周期计算模块，具体用于：若所述模函数的周期r为异常，则返回执行所述随机选取小于待分解整数的初始随机数，计算所述初始随机数和所述待分解整数的最大公因式的步骤；其中，所述模函数的周期r异常包括：模函数的周期r为奇数，或者，否则，则将和所述待分解整数的第一最大公因式，以及，和所述待分解整数的第二最大公因式，作为所述待分解整数对应的两个非平凡因子；其中，所述两个非平凡因子的乘积为所述待分解整数。

14、第三方面，本技术提供一种电子设备，包括：处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；所述存储器存储计算机执行指令；所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，以实现用于实现如前所述的方法。

15、第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如前所述的方法。

16、第五方面，本技术提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如前所述的方法。

17、第六方面，本技术提供一种量子计算机，所述量子计算机为超导体系，用于实现如前所述的方法。

18、本技术提供的量子电路构建方法、装置、设备、存储介质及产品中，确定待求解的模函数对应的模数n和随机数a；根据模数n制备包括2n个第一量子比特的第一量子寄存器和包括n个第一量子比特的第二量子寄存器，n为模数n的二进制展开长度；通过构建阿达玛门获得第一量子寄存器的等概率量子叠加态；在第二量子寄存器上构建第一模乘模块和2n-1个第二模乘模块；依次将多个第一量子比特作为控制比特，依次将第一模乘模块和2n-1个第二模乘模块作为受控方，构建2n个受控酉门，获得第一量子寄存器和第二量子寄存器的纠缠态；对第一量子寄存器进行傅里叶逆变换，并对第一量子寄存器构建测量电路，获得模函数周期r对应的相位估计结果。本技术的方案，应用n个第二量子比特采用常用的量子门构建并封装得到第一模乘模块，通过对第一模乘模块连续执行2n-1次平方操作，依次构建得到2n-1个第二模乘模块；并设置2n个受控酉门，获得第一量子寄存器和第二量子寄存器的纠缠态，对第一量子寄存器进行测量，获得模函数周期r对应的相位估计结果；并且，本方案不应用辅助量子比特就可以实现量子电路构建，节省了量子计算所需的量子资源，在量子计算机可提供的量子资源有限的情况下，为解决更大规模的计算问题提供了支持。