多控门分解

在量子算法实现过程中,经常会用到多控门,如下图所示:

_images/multiControlGate.png

量子程序员在设计量子算法时经常会用到多控门,如上图所示,从图中我们可以看到有一个6个qubit受控的CZ门,在更加复杂的量子算法场景下,将会出现更多的、受控维度更高的多控门。目前实现的物理量子计算机基本都不支持多控门,并且我们无法保证所有的受控物理qubit都处于连通状态(目前的物理量子芯片都有固定的拓扑结构),所以想要在真实物理量子计算机上运行量子算法,首先要对多控门进行拆解,使其转换成N个量子芯片支持的逻辑门的组合,以适配目标量子芯片。

目前QPanda中实现了两种多控门分解算法,并封装成对应的算法接口,下面分别对两种分解方法做详细介绍。

算法概述及接口介绍


  1. 传统多控门分解算法:该算法的实现过程如下流程图所示:

对应的接口如下:

/**
 * @brief Decompose multiple control QGate
 * @ingroup Utilities
 * @param[in] QProg& Quantum Program
 * @param[in] QuantumMachine* quantum machine pointer
 * @param[in] const std::string& It can be configuration file or configuration data, which can be distinguished by file suffix, so the configuration file must be end with ".json", default is CONFIG_PATH
 * @return
 */
void decompose_multiple_control_qgate(QProg& prog,  QuantumMachine *quantum_machine, const std::string& config_data = CONFIG_PATH);
void decompose_multiple_control_qgate( QCircuit& cir, QuantumMachine *quantum_machine, const std::string& config_data = CONFIG_PATH);

使用介绍

通过调用decompose_multiple_control_qgate接口,可将目标量子线路中的多控门转换为指定的基础逻辑门组合,其中基础逻辑门包括基础单门和基础单门,通过配置文件给出。该接口需要3个参数,第一个是目标量子线路或者量子程序,第二个是目标量子线路或者量子程序对应的量子虚拟机,第三个参数用于指定配置信息,配置信息可以json文件或者json字符串,配置文件中指定了基础逻辑门信息。

实例

以下示例展示了多控门分解接口的使用方式:

#include <iostream>
#include "QPanda.h"
USING_QPANDA

int main()
{
    CPUQVM machine;
machine.init();

auto q = machine.qAllocMany(6);
auto c = machine.cAllocMany(6);

/* 构造测试量子线路 */
QProg prog;
prog << H(q[1]) << H(q[2]) << Z(q[0]).control({ q[1],q[2] });
cout << "Src prog:" << prog << endl;

/* 获取原始量子线路矩阵 */
const auto mat_1 = getCircuitMatrix(prog);

/* 执行多控门分解操作 */
decompose_multiple_control_qgate(prog, &machine);
cout << "after decompose_multiple_control_qgate prog:" << prog << endl;

/* 获取多控门分解后的量子线路矩阵 */
const auto mat_2 = getCircuitMatrix(prog);

/* 结果验证:
 * 如果分解前后矩阵一致,则表示多控门被正确分解,否则,表示分解错误。
 */
if (mat_1 == mat_2)
{
    cout << "The multi-control gate was successfully decomposed." << endl;
    return -1;
}

cout << "Decompose error !" << endl;
return 0;
}

上述实例运行的结果如下:

根据测试程序数据结果可知,量子线路中的多控门被成功分解,且分解前后,量子线路矩阵形式不变,达到预期效果。