量子线路块间拼接方法、装置、设备、介质和程序产品与流程

本技术涉及计算机，特别是涉及一种量子线路块间拼接方法、装置、设备、介质和程序产品。

背景技术：

1、量子计算因其潜在的超强算力，在材料模拟、药物研发、密码学等领域具有广阔前景。然而，当前含噪声中等规模量子（nisq）设备受限于物理量子比特数量、连通性及高错误率。为了在硬件上运行量子算法，编译过程需要解决量子比特映射与路由问题：即将抽象算法中的逻辑量子比特映射到具体的物理比特上，并通过插入swap门（路由）使得所有双比特门操作都能在硬件允许的近邻连接上执行。

2、对于大规模的量子线路，直接进行全局路由优化面临搜索空间爆炸、编译耗时过长的问题。一种有效的策略是“分而治之”，即将长量子线路切割为多个连续的、较短深度的“块”（或“层”），然后对各块独立进行映射和路由优化。这种方法能显著降低单次优化的复杂度，并利于并行处理。然而，该方法引入了一个新的关键挑战：块间拼接问题。即在完成前一个块的路由后，量子比特的物理位置分布（称为“结束配置”）可能不满足下一个块起始执行时所期望的映射（称为“起始配置”）。因此，需要在两个块之间插入一系列swap门，将结束配置转换为起始配置，这个过程称为“拼接”。

3、传统技术中块间拼接常被简化为一个独立的、基于图的“令牌交换”或“棋子重排”问题。最相近似的实现方案是将其建模为寻找从“结束配置”到“起始配置”的最小swap门序列问题。例如基于最短路径的贪婪交换：针对下一个块中每个需要移动的逻辑量子比特，在耦合图上计算从其当前位置到目标位置的最短路径，并沿该路径顺序插入swap门。这种方法实现简单，但未考虑不同比特移动路径间的相互干扰，可能导致冲突和额外的swap门插入，不是全局最优。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高块间拼接的准确性的量子线路块间拼接方法、装置、设备、介质和程序产品。

2、第一方面，本技术提供一种量子线路块间拼接方法，所述方法包括：

3、根据前一个量子逻辑块的终止物理配置确定各物理节点的当前状态，并根据当前量子逻辑块的起始物理配置确定各所述物理节点的目标状态；

4、基于各所述物理节点对应的硬件拓扑图进行节点分层预处理，生成各节点分层，所述硬件拓扑图为基于各所述物理节点对应的硬件拓扑的完整副本；

5、按照所述节点分层的顺序依次处理每一所述节点分层中的每一物理节点，对于当前物理节点，在所述当前物理节点的所述当前状态与所述目标状态不一致的情况下，则定位所述目标状态对应的源物理节点，在所述硬件拓扑图上搜索从所述源物理节点到当前物理节点的路径，基于所述路径生成交换操作序列后，并基于所述交换操作序列更新各所述物理节点的当前状态，并将所述当前物理节点以及所述当前物理节点的关联边从硬件拓扑图中删除；

6、基于所述交换操作序列生成块间拼接量子线路段。

7、在其中一些可选的实施例中，所述方法还包括：

8、在所述当前物理节点的所述当前状态与所述目标状态一致的情况下，将所述当前物理节点以及所述当前物理节点的关联边从所述硬件拓扑图中删除。

9、在其中一些可选的实施例中，所述基于各所述物理节点对应的硬件拓扑图进行节点分层预处理，生成各节点分层，包括：

10、基于各所述物理节点对应的硬件拓扑生成临时副本；

11、基于所述临时副本各物理节点的度数确定候选物理节点；

12、将所述临时副本中满足删除后连通性不变条件的候选物理节点，确定为目标物理节点，所述删除后连通性不变条件为从所述临时副本中删除所述候选物理节点及所述候选物理节点对应的边之后，所述临时副本仍保持连通，基于各所述目标物理节点生成当前节点分层；

13、从所述临时副本中删除所述当前节点分层中的各目标物理节点以及各所述目标物理节点对应的边，并继续执行基于所述临时副本各物理节点的度数确定候选物理节点的步骤，直至所述临时副本为空的情况下，生成各节点分层。

14、在其中一些可选的实施例中，所述基于所述临时副本各物理节点的度数确定候选物理节点，包括：

15、计算所述临时副本中每一物理节点当前所连接的边的数量；

16、将各所述边的数量作为各所述物理节点的度数；

17、将度数最小的物理节点确定为所述候选物理节点。

18、在其中一些可选的实施例中，所述在所述硬件拓扑图上搜索从所述源物理节点到当前物理节点的路径，基于所述路径生成交换操作序列，包括：

19、以所述源物理节点为起点、所述当前物理节点为终点，在所述硬件拓扑图上执行广度优先搜索，得到从所述源物理节点到所述当前物理节点的路径；

20、按照所述路径从起点到终点的顺序，依次交换所述路径中每一对相邻物理节点上的逻辑比特，每交换一对物理节点，将所述一对物理节点记录至交换操作序列。

21、在其中一些可选的实施例中，所述根据前一个量子逻辑块的终止物理配置确定各所述物理节点的当前状态，并根据当前量子逻辑块的起始物理配置确定各所述物理节点的目标状态之前，包括：

22、将量子线路按时间顺序分割为多个连续的逻辑块，每一所述逻辑块为包含一系列量子门操作的子线路；

23、对每一所述逻辑块进行量子比特映射与路由优化，为每一所述逻辑块分配初始物理配置；

24、通过在各所述逻辑块中插入交换门，使各所述逻辑块中的双量子比特门满足硬件拓扑图的近邻约束，得到可执行的物理线路及每一所述逻辑块执行完毕后的终止物理配置。

25、第二方面，本技术还提供一种量子线路块间拼接装置，所述装置包括：

26、状态获取模块，用于根据前一个量子逻辑块的终止物理配置确定各物理节点的当前状态，并根据当前量子逻辑块的起始物理配置确定各所述物理节点的目标状态；

27、分层模块，用于基于各所述物理节点对应的硬件拓扑图进行节点分层预处理，生成各节点分层，所述硬件拓扑图为基于各所述物理节点对应的硬件拓扑的完整副本；

28、交换模块，用于按照所述节点分层的顺序依次处理每一所述节点分层中的每一物理节点，对于当前物理节点，在所述当前物理节点的所述当前状态与所述目标状态不一致的情况下，则定位所述目标状态对应的源物理节点，在所述硬件拓扑图上搜索从所述源物理节点到当前物理节点的路径，基于所述路径生成交换操作序列后，并基于所述交换操作序列更新各所述物理节点的当前状态，并将所述当前物理节点以及所述当前物理节点的关联边从硬件拓扑图中删除；

29、块间线路生成模块，用于基于所述交换操作序列生成块间拼接量子线路段。

30、第三方面，本技术还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意一个实施例中所述的方法的步骤。

31、第四方面，本技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一个实施例中所述的方法的步骤。

32、第五方面，本技术还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实现上述任意一个实施例中所述的方法的步骤。

33、上述量子线路块间拼接方法、装置、设备、介质和程序产品，根据前一个量子逻辑块的终止物理配置确定各所述物理节点的当前状态，并根据当前量子逻辑块的起始物理配置确定各所述物理节点的目标状态；基于各所述物理节点对应的硬件拓扑图进行节点分层预处理，生成各节点分层，所述硬件拓扑图为基于各所述物理节点对应的硬件拓扑的完整副本；按照所述节点分层的顺序依次处理每一所述节点分层中的每一物理节点，对于当前物理节点，在所述当前物理节点的所述当前状态与所述目标状态不一致的情况下，则定位所述目标状态对应的源物理节点，在所述硬件拓扑图上搜索从所述源物理节点到当前物理节点的路径，基于所述路径生成交换操作序列后，并基于所述交换操作序列更新各所述物理节点的当前状态，并将所述当前物理节点以及所述当前物理节点的关联边从硬件拓扑图中删除；基于所述交换操作序列生成块间拼接量子线路段，这样从全局视角规划了移动序列，优先安全地固定外围节点，为内部比特的移动腾出清晰路径，从而能得到逻辑正确、交换冲突少、且不会陷入死锁的拼接方案。