单振幅量子虚拟机


目前我们可以通过量子计算的相关理论,用经典计算机实现模拟量子虚拟机。 量子虚拟机的模拟主要有全振幅与单振幅两种解决方案,其主要区别在于,全振幅一次模拟计算就能算出量子态的所有振幅,单振幅一次模拟计算只能计算出 \(2^{N}\) 个振幅中的一个。

然而全振幅模拟量子计算时间较长,计算量随量子比特数指数增长, 在现有硬件下,无法模拟超过49量子比特。通过单振幅量子虚拟机技术可以模拟超过49比特,同时模拟速度有较大提升,且算法的计算量不随量子比特数指数提升。

使用介绍


QPanda2中设计了 SingleAmplitudeQVM 类用于运行单振幅模拟量子计算,同时提供了相关接口,它的使用也很简单。

#include "QPanda.h"

USING_QPANDA

int main(void)
{

    //首先构建一个单振幅量子虚拟机
    SingleAmplitudeQVM qvm;

    //初始化和配置量子虚拟机环境
    qvm.init();
    auto qlist = qvm.qAllocMany(10);
    auto clist = qvm.cAllocMany(10);

    //构建量子算法对应的量子线路
    QProg prog;
    prog << HadamardQCircuit(qlist) << CNOT(qlist[1], qlist[5]) << CZ(qlist[3], qlist[5]);

}

以上是前期的准备工作,最后调用计算接口来获取结果,我们设计多种返回值的接口用于满足不同的计算需求, 主要接口有以下几种:

run :输入参数为执行的量子程序,申请的量子比特,最大RANK,quickBB优化的最大运行时间

pMeasureBinindex :输入参数为二进制索引字符串,如 pMeasureBinindex("0000000000") ,输出为该索引下的量子态,同时保证字符串长度与测量的比特数相同

pMeasureDecindex :输入参数为十进制索引字符串,如 pMeasureDecindex("1")

probRunDict :输入参数为要执行的量子程序,以及要测量的量子比特。输出为对应量子比特的所有态结果。需要注意的是该接口要求量子比特数为30个以内时使用

具体见如下完整的计算示例所述:

完整示例代码


以下示例展示了单振幅量子虚拟机接口的使用方式

#include "QPanda.h"
USING_QPANDA
using namespace std;
int main()
{
    //申请单振幅量子虚拟机
    auto qvm = new SingleAmplitudeQVM();
    qvm->init();
    auto qv = qvm->qAllocMany(10);
    auto cv = qvm->cAllocMany(10);

    // 构建测试线路
    auto prog = QProg();
    for_each(qv.begin(), qv.end(), [&](Qubit* val) { prog << H(val); });
    prog << CZ(qv[1], qv[5])
        << CZ(qv[3], qv[5])
        << CZ(qv[2], qv[4])
        << CZ(qv[3], qv[7])
        << CZ(qv[0], qv[4])
        << RY(qv[7], PI / 2)
        << RX(qv[8], PI / 2)
        << RX(qv[9], PI / 2)
        << CR(qv[0], qv[1], PI)
        << CR(qv[2], qv[3], PI)
        << RY(qv[4], PI / 2)
        << RZ(qv[5], PI / 4)
        << RX(qv[6], PI / 2)
        << RZ(qv[7], PI / 4)
        << CR(qv[8], qv[9], PI)
        << CR(qv[1], qv[2], PI)
        << RY(qv[3], PI / 2)
        << RX(qv[4], PI / 2)
        << RX(qv[5], PI / 2)
        << CR(qv[9], qv[1], PI)
        << RY(qv[1], PI / 2)
        << RY(qv[2], PI / 2)
        << RZ(qv[3], PI / 4)
        << CR(qv[7], qv[8], PI);

    // pMeasureBinindex : 获取对应(二进制)量子态概率
    // run 有三个参数,默认2个,
    // 第一个执行的量子程序;
    // 第二个为申请的量子比特
    // 第三个为最大RANK,这里根据内存设置,默认30;
    // 第四个就是quickBB优化的最大运行时间,默认5s
    qvm->run(prog, qv);
    qvm->run(prog);
    std::cout << qvm->pMeasureBinindex("0001000000") << std::endl;

    // pMeasureDecindex : 获取对应(10进制)量子态概率
    qvm->run(prog, qv);
    std::cout << qvm->pMeasureDecindex("1") << std::endl;

    // getProbDict 获取对应量子比特所有量子态(如果申请比特数超过30, 该接口不提供使用)
    qvm->run(prog, qv);
    auto res_1 = qvm->getProbDict(qv);

    // probRunDict  上面两个接口run和getProbDict的封装
    auto res = qvm->probRunDict(prog, qv);
    for (auto val : res)
    {
        std::cout << val.first << " : " << val.second << std::endl;
    }

    qvm->finalize();
    delete(qvm);
    return 0;
}

bin_index_resultdec_index_result 接口分别计算量子态指定二进制和十进制下标的概率,上述程序的计算结果如下

0.00166709
0.00166709