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。