量子电路的故障仿真方法、系统、存储介质和电子设备

1.本发明涉及量子电路故障仿真技术领域，尤其涉及一种量子电路的故障仿真方法、系统、存储介质和电子设备。


背景技术：

2.在物理构建电路之前，仿真在数字电路验证、测试开发、设计调试和诊断中起着重要作用。具体来说，故障仿真是对有故障的数字电路进行仿真。其主要有两个目的：一是无故障（逻辑）仿真，帮助设计者验证数字电路的设计是否符合预期的功能描述；二是确定测试模式在检测感兴趣的故障时的效率，此类模式通常由自动测试模式生成器(atpg)生成。现在故障仿真可以有效地应用于大规模集成电路，并已发展成电子设计自动化（eda）的标准技术。
3.然而，目前在量子计算中，物理学家通常通过实验构建设计的量子电路，然后估计它们在存在量子故障时的性能。其中，量子故障不仅包括与经典故障一样的量子电路的设计错误和制造缺陷，还包括来自周围环境的量子噪声，而且，在当前的嘈杂中型量子（nisq）时代中量子噪声是不可避免的。例如，研究者实现了一个具有四个量子比特和四个受控量子逻辑门的电路，用于hhl算法的实验（hhl算法可以在量子计算机上指数加速求解线性方程组）。在电路性能测试中，三种不同状态被输入到电路中，实际输出状态与理想输出状态相比的保真度分别为99.3%、82.5%和83.6%。谷歌也使用类似的方法来确认量子霸权（即超越经典计算），以0.2%的保真度对53量子比特的量子电路进行采样。
4.显然，由于实验实施量子电路的昂贵资源和严格条件（例如环境温度必须接近绝对零度）以及读取量子状态的不确定性，在物理构建它们之前对量子电路（在经典计算机上）进行故障仿真是有帮助的并且更具有性价比。另一方面，将经典电路的现有故障仿真方法直接推广到量子电路上可以想象是不会成功。一个主要原因是量子故障仿真通常是定量的，而不是经典故障仿真中定性的：量子电路的输入/输出是复数的向量或矩阵，而经典电路的输入/输出是布尔值，即0或1。这一根本区别需要以新的方式构建量子故障仿真。
5.目前主要有两种仿真量子故障的方法。一是针对特定设计错误（例如单个量子门缺失）和制造缺陷（例如实际制造出的量子cnot门）的基于矢量的仿真方法。二是针对量子噪声引起的故障，提出了基于密度矩阵的仿真方法，并嵌入到几乎所有目前流行的量子电路编程平台中，如ibm的qiskit、微软的q#和谷歌的cirq。它的策略是通过在每个感兴趣的故障的数学模型中直接应用矩阵运算来更新存储的量子态的密度矩阵。
6.不幸的是，由于状态空间的维数随着量子比特（qubits）的数量呈指数增长，目前上述的仿真方法的可扩展性（≤10 qubits）远未满足nisq（nisq为noisy intermediate-scale quantum的缩写，表示：含噪声的中型量子）时代的应用（量子电路的比特数≥50qubits和的复数矩阵）。
的复数共轭，表示进行复数相乘。
13.本发明的一种量子电路的故障仿真系统的技术方案如下：包括获取模块、第一计算模块和第二计算模块；所述获取模块用于：获取待测试故障量子电路所对应的超算子，并获取所述超算子中的每个逻辑超算子所分别对应的kraus矩阵集合；所述第一计算模块用于：从每个kraus矩阵集合中分别选取一个kraus矩阵，并基于输入状态数据和期望输出状态数据，计算一个张量网络收缩，直至遍历选取每个kraus矩阵集合中的每个kraus矩阵，得到多个张量网络收缩；其中，所述期望输出状态数据指：将所述输入状态数据输入已消除故障的待测试故障量子电路时，所输出的数据；所述第二计算模块用于：基于所有的张量网络收缩，计算所述待测试故障量子电路中的故障的故障影响率。
14.本发明的一种量子电路的故障仿真系统的有益效果如下：通过将待测试故障量子电路即有缺陷的量子电路表示为多个kraus矩阵集合，能够编码到在一组张量网络中，张量网络的收缩计算效率高，能够快速计算张量网络收缩，从而能够在很短的时间内完成故障仿真，即得到待测试故障量子电路中的故障的故障影响率，通过仿真实验结果表明，本发明能够模拟大小超过5000个量子比特的故障量子电路，能够满足nisq时代的应用，而且适用性广泛，既可以独立使用，也可以集成到当前开发的量子自动测试模式生成程序中，用于验证和检测量子电路的设计错误、制造缺陷和量子噪声效应。
15.在上述方案的基础上，本发明的一种量子电路的故障仿真系统还可以做如下改进。
16.进一步，所述第一计算模块具体用于：从每个kraus矩阵集合中分别选取一个kraus矩阵，并基于输入状态数据和期望输出状态数据，计算出的张量网络收缩为：，其中，表示所有逻辑超算子的总数量，表示的复数共轭转置，表示所述期望输出状态数据，表示：第个逻辑超算子所对应的kraus矩阵集合中的第个kraus矩阵；，表示所述输入状态数据，，，，表示第1个逻辑超算子所对应的kraus矩阵集合中的kraus矩阵的总数量，表示第个逻辑超算子所对应的kraus矩阵集合中的kraus矩阵的总数量，表示第个逻辑超算子所对应的kraus矩阵集合中的kraus矩阵的总数量，、、、和均为正整数。
17.进一步，所述第二计算模块具体用于：所述故障影响率为：，
其中，的复数共轭，表示进行复数相乘。
18.本发明的一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述任一项所述的一种量子电路的故障仿真方法。
19.本发明的一种电子设备，包括处理器和上述的存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令。
附图说明
20.图1为本发明实施例的一种量子电路的故障仿真方法的流程示意图；图2为待测试故障量子电路的结构示意图；图3为消除故障后的待测试故障量子电路的结构示意图；图4为图2的待测试故障量子电路的张量收缩示意图；图5为本发明实施例的一种量子电路的故障仿真系统的结构示意图。
具体实施方式
21.如图1所示，本发明实施例的一种量子电路的故障仿真方法，包括如下步骤：s1、获取待测试故障量子电路所对应的超算子，并获取所述超算子中的每个逻辑超算子所分别对应的kraus矩阵集合；s2、从每个kraus矩阵集合中分别选取一个kraus矩阵，并基于输入状态数据和期望输出状态数据，计算一个张量网络收缩，直至遍历选取每个kraus矩阵集合中的每个kraus矩阵，得到多个张量网络收缩；其中，所述期望输出状态数据指：将所述输入状态数据输入已消除故障的待测试故障量子电路时，所输出的数据；其中，可根据实际情况设置输入状态数据，在量子计算的技术领域内，输入状态数据指：量子状态对应的矩阵，期望输出状态数据具体也为量子状态对应的矩阵。
22.以“共有4个kraus矩阵集合，且每个kraus矩阵集合分别包括4个kraus矩阵”为例，对从每个kraus矩阵集合中分别选取一个kraus矩阵的具体实现过程如下：1）从第一个kraus矩阵集合中选取第一个kraus矩阵，从第二个kraus矩阵集合中选取第一个kraus矩阵，从第三个kraus矩阵集合中选取第一个kraus矩阵，从第四个kraus矩阵集合中选取第一个kraus矩阵，计算得到第一个张量网络收缩；从第一个kraus矩阵集合中选取第二个kraus矩阵，从第二个kraus矩阵集合中选取第二个kraus矩阵，从第三个kraus矩阵集合中选取第二个kraus矩阵，从第四个kraus矩阵集合中选取第二个kraus矩阵，计算得到第二个张量网络收缩；以此类推，计算得到四个张量网络收缩。
23.2）每次从每个kraus矩阵集合随机选取一个kraus矩阵，直至遍历选取每个kraus
矩阵集合中的每个kraus矩阵，得到四个张量网络收缩。
24.需要说明的是，通过实验表明：以上述两种方式计算得到的张量网络收缩的结果顺序不一致，但对s3计算出的故障影响率没有影响，即通过上述两种方式得到的故障影响率之间无偏差。
25.s3、基于所有的张量网络收缩，计算所述待测试故障量子电路中的故障的故障影响率。
26.通过将待测试故障量子电路即有缺陷的量子电路表示为一组张量网络或双倍大小的张量网络，能够进行快速故障仿真，即得到待测试故障量子电路中的故障的故障影响率，通过仿真实验结果表明，本发明能够模拟大小超过5000个量子比特的故障量子电路，能够满足nisq时代的应用，而且适用性广泛，既可以独立使用，也可以集成到当前开发的量子自动测试模式生成程序中，用于验证和检测量子电路的设计错误、制造缺陷和量子噪声效应。
27.可选地，在上述技术方案中，从每个kraus矩阵集合中分别选取一个kraus矩阵，并基于输入状态数据和期望输出状态数据，计算出的张量网络收缩为：，其中，表示所有逻辑超算子的总数量，表示的复数共轭转置，表示所述期望输出状态数据，表示：第个逻辑超算子所对应的kraus矩阵集合中的第个kraus矩阵；，表示所述输入状态数据，，，，表示第1个逻辑超算子所对应的kraus矩阵集合中的kraus矩阵的总数量，表示第个逻辑超算子所对应的kraus矩阵集合中的kraus矩阵的总数量，表示第个逻辑超算子所对应的kraus矩阵集合中的kraus矩阵的总数量，、、、和均为正整数。
28.其中，第个逻辑超算子所对应的kraus矩阵集合中的第个kraus矩阵，可理解为第个逻辑超算子所对应的kraus矩阵集合中的任任意一个kraus矩阵，能够遍历选取每个kraus矩阵集合中的每个kraus矩阵即可。
29.可选地，在上述技术方案中，所述故障影响率为：，其中，的复数共轭，表示进行复数相乘。
30.通过如下一个实施例，对本技术的一种量子电路的故障仿真方法进行说明，具体包括：s10、获取图2所示的待测试故障量子电路的超算子中每个逻辑超算子对应的
kraus矩阵集合，，其中表示第个逻辑超算子所对应的kraus矩阵集合。
31.其中，h、s、t为量子电路中的标准单量子基本门，符号
“”
为标准受控非门，记做c门，本领域技术人员可根据图2直接确定超算子中每个逻辑超算子对应的kraus矩阵集合，为极化噪音的逻辑超算子，表示待测试故障量子电路中的故障，该故障可表示为：；s11、确定输入状态数据和期望输出状态数据：输入状态数据为：，期望输出状态数据为：；期望输出状态数据的获取过程为：将图2所示的待测试故障量子电路的故障进行消除，得到图3所示的量子电路，将输入状态数据输入图3所述的量子电路，得到期望输出状态数据。
32.s12、计算所有的张量网络收缩，具体地：对于每个，计算出如图4中的所有4个张量网络收缩，分别为、、和，具体如下：；s14、计算故障影响率：基于所有的张量网络收缩，带入，计算所述待测试故障量子电路中的故障的故障影响率为：。
33.根据故障影响率能够用来判断待测试故障量子电路是否可以使用。其中，故障影响率的取值范围为0~1，1表示无影响，0表示影响最大，故障影响率为0时，表示完全待测试故障量子电路完全不能用。
34.在上述各实施例中，虽然对步骤进行了编号s1、s2等，但只是本技术给出的具体实施例，本领域的技术人员可根据实际情况调整s1、s2等的执行顺序，此也在本发明的保护范围内，可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。
35.如图5所示，本发明实施例的一种量子电路的故障仿真系统200，包括获取模块210、第一计算模块220和第二计算模块230；所述获取模块210用于：获取待测试故障量子电路所对应的超算子，并获取所述超算子中的每个逻辑超算子所分别对应的kraus矩阵集合；所述第一计算模块220用于：从每个kraus矩阵集合中分别选取一个kraus矩阵，并
基于输入状态数据和期望输出状态数据，计算一个张量网络收缩，直至遍历选取每个kraus矩阵集合中的每个kraus矩阵，得到多个张量网络收缩；其中，所述期望输出状态数据指：将所述输入状态数据输入已消除故障的待测试故障量子电路时，所输出的数据；所述第二计算模块230用于：基于所有的张量网络收缩，计算所述待测试故障量子电路中的故障的故障影响率。
36.通过将待测试故障量子电路即有缺陷的量子电路表示为多个kraus矩阵集合，能够编码到在一组张量网络中，张量网络的收缩计算效率高，能够快速计算张量网络收缩，从而能够在很短的时间内完成故障仿真，即得到待测试故障量子电路中的故障的故障影响率，通过仿真实验结果表明，本发明能够模拟大小超过5000个量子比特的故障量子电路，能够满足nisq时代的应用，而且适用性广泛，既可以独立使用，也可以集成到当前开发的量子自动测试模式生成程序中，用于验证和检测量子电路的设计错误、制造缺陷和量子噪声效应。
37.进一步，所述第一计算模块220具体用于：从每个kraus矩阵集合中分别选取一个kraus矩阵，并基于输入状态数据和期望输出状态数据，计算出的张量网络收缩为：，其中，表示所有逻辑超算子的总数量，表示的复数共轭转置，表示所述期望输出状态数据，表示：第个逻辑超算子所对应的kraus矩阵集合中的第个kraus矩阵；，表示所述输入状态数据，，，，表示第1个逻辑超算子所对应的kraus矩阵集合中的kraus矩阵的总数量，表示第个逻辑超算子所对应的kraus矩阵集合中的kraus矩阵的总数量，表示第个逻辑超算子所对应的kraus矩阵集合中的kraus矩阵的总数量，、、、和均为正整数。
38.进一步，所述故障影响率为：，其中， 的复数共轭，表示进行复数相乘。
39.上述关于本发明的一种量子电路的故障仿真系统200中的各参数和各个单元模块实现相应功能的步骤，可参考上文中关于一种量子电路的故障仿真方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。
40.本发明实施例的一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述任一项所述的一种量子电路的故障仿真方法。
41.本发明实施例的一种电子设备，包括处理器和上述的存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令，其中，电子设备可为计算机、手机或平板电脑等。
42.所属技术领域的技术人员知道，本发明可以实现为系统、方法或计算机程序产品。
43.因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的软件（包括固件、驻留软件、微代码等），还可以是硬件和软件结合的形式，本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。
44.可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是一一但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括:具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
45.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。