检索结果-内蒙古大学图书馆

科技导报 2025年第4期43卷 9-9页

1982年,诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼(Richard Feyn-man)提出了量子模拟器的概念。与传统的超级计算机不同,量子模拟器利用量子力学的特性,能够更高效地模拟复杂的物理过程。例如,模拟热咖啡中牛奶的扩散过程。2025年2月5日,瑞... 详细信息

1982年,诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼(Richard Feyn-man)提出了量子模拟器的概念。与传统的超级计算机不同,量子模拟器利用量子力学的特性,能够更高效地模拟复杂的物理过程。例如,模拟热咖啡中牛奶的扩散过程。2025年2月5日,瑞士保罗谢尔研究所的2位理论物理学家联合谷歌公司及来自5个国家的大学研究人员,在《Nature》杂志上公布了一种新型数字-模拟混合量子模拟器。

关键词：量子模拟器物理过程复杂模拟诺贝尔物理学奖

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量子模拟器优化综述

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计算机系统应用 2024年第6期33卷 16-27页

作者：彭世昕张为华复旦大学计算机科学技术学院上海200438 复旦大学上海市数据科学重点实验室上海200438

近年来,不断发展的量子计算已成为众人关注的焦点.然而,量子硬件存在稀缺性和噪声等问题,这使得研究量子算法、验证量子芯片等行为都依赖运行在经典计算机上的量子模拟器.本文讨论了不同量子模拟器使用的主要模拟方法,并讨论了主流的全... 详细信息

近年来,不断发展的量子计算已成为众人关注的焦点.然而,量子硬件存在稀缺性和噪声等问题,这使得研究量子算法、验证量子芯片等行为都依赖运行在经典计算机上的量子模拟器.本文讨论了不同量子模拟器使用的主要模拟方法,并讨论了主流的全振幅状态向量模拟器和基于张量网络的量子模拟器的各种优化.最后,我们总结了量子模拟器的现状和未来发展方向.

关键词：量子计算量子电路模拟量子模拟器高性能计算

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Qsimulation V2.0：一个优化的量子模拟器

Qsimulation V2.0：一个优化的量子模拟器

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作者：吴华华东师范大学

学位级别：硕士

由于量子效应,经典计算机元器件的发展已达到现代物理学的极限。得益于量子叠加态,量子计算机与经典计算机相比能显著加快计算速度。因此,世界各国掀起了研发解决特定问题的量子计算机的浪潮。在过去的几十年间,虽然量子计算随着一系列... 详细信息

由于量子效应,经典计算机元器件的发展已达到现代物理学的极限。得益于量子叠加态,量子计算机与经典计算机相比能显著加快计算速度。因此,世界各国掀起了研发解决特定问题的量子计算机的浪潮。在过去的几十年间,虽然量子计算随着一系列量子算法的提出不断进步,但距离研制出可扩展的通用量子计算机仍有很长的路要走。因此,在经典计算机上模拟量子计算也变得异常重要,就像VLSI设计中的电路模拟一样。Qsimulation作为一款量子模拟器软件,可让使用者编写量子程序、画量子线路图、运行程序并查看结果。和很多其它的量子模拟器一样,Qsimulation模拟量子演化的效率很大程度上取决于它处理矩阵运算的能力。在本文中我们将提出一种能加速矩阵向量乘计算的新算法,优化Qsimulation得到更优的模拟器软件版本Qsimulation V2.0.s。该算法基于张量积和矩阵分解,很适合模拟量子线路的执行。实验结果表明Qsimulation V2.0.s优于开源软件框架Qiskit和Project Q。根据矩阵乘法属于计算密集型任务的特点,本文进一步提出多线程并行计算的优化方法,得到软件版本Qsimulation V2.0。实验结果表明Qsimulation运行效率进一步提高。此外,根据一种更直观的想法,本文又用一种启发式算法实现了Qsimulation。该算法将量子叠加态以键值对的形式存在表中,状态演化时直接对表中状态进行更改。实验结果表明该算法能模拟更多的量子比特,且当量子态的叠加态数目较少时运行效率更高。

关键词：量子计算量子模拟器优化量子线路

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基于新一代神威超算的量子计算模拟器加速和优化

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计算机应用 2023年第8期43卷 2486-2492页

作者：史新民刘勇陈垚键宋佳伟刘鑫信息工程大学网络空间安全学院郑州450001 国家并行计算机工程技术研究中心北京100190 清华大学计算机科学与技术系北京100084

针对量子硬件规模逐步扩大、当下量子计算经典模拟速度不高的问题,提出了基于神威超算量子模拟器的两种优化方法。首先,通过改进张量转置策略和计算策略重新构建了张量收缩算子库SWTT,从而提高了部分张量收缩的计算内核效率并减少了冗... 详细信息

针对量子硬件规模逐步扩大、当下量子计算经典模拟速度不高的问题,提出了基于神威超算量子模拟器的两种优化方法。首先,通过改进张量转置策略和计算策略重新构建了张量收缩算子库SWTT,从而提高了部分张量收缩的计算内核效率并减少了冗余访存;其次,通过提高数据局部性的收缩路径调整方法实现了路径计算复杂度和计算效率之间的均衡。测试结果表明,该算子库改进方法可将“悬铃木”量子霸权电路模拟效率提升5.4%,单步张量收缩效率最高提升49.7倍;该路径调整方法可在路径计算复杂度膨胀2倍条件下提升约4倍的浮点效率。两种优化方法使神威超算整机模拟谷歌53量子比特20层量子芯片随机电路百万振幅采样的单精度和混合精度浮点运算效率分别从3.98%和1.69%提升至18.48%和7.42%,理论估计模拟时间从单精度的470 s降至226 s,混合精度的304 s降至134 s,证明两种方法大幅提高了量子计算模拟速度。

关键词：量子模拟器神威超算体系结构收缩路径张量收缩算子库张量网络收缩

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量子比较器和量子编程模拟器研究与实现

量子比较器和量子编程模拟器研究与实现

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作者：周林四川大学

学位级别：硕士

随着互联网的迅猛发展与大数据时代的到来，人们对信息处理的需求与日俱增，这也加剧了个人及社会对算力的依赖。在这种背景下，作为后摩尔时代的新型计算模式，量子计算凭借其巨大的计算潜力受到了国内外学者的关注。然而，量子计算机... 详细信息

随着互联网的迅猛发展与大数据时代的到来，人们对信息处理的需求与日俱增，这也加剧了个人及社会对算力的依赖。在这种背景下，作为后摩尔时代的新型计算模式，量子计算凭借其巨大的计算潜力受到了国内外学者的关注。然而，量子计算机的研发需要很高的工艺水平，其使用也需要极其苛刻的环境条件。由于物理条件的限制，当前最先进的量子芯片比特数也不超过数百，量子态脆弱且易被干扰，距离通用量子计算机的实现还有较大差距。因此，研究如何用最少的量子代价实现量子程序，以及如何进行量子编程模拟对量子计算的发展至关重要。　　本文以逻辑—算法—模拟为主线，着眼于如何高效优化契合当前量子时代的量子程序，并进行仿真计算。逻辑线路是量子计算的基石，降低量子处理器中的逻辑线路代价会直接提高处理器的利用率，对特定模块的优化设计将对量子程序执行起到巨大的支持作用;进一步地，线路优化算法是量子底层程序的灵魂，能直接提升程序执行的效率与容错度;最高层的量子模拟则是为了让用户摆脱对硬件设备的依赖，使其专注于软件层面算法与流程的设计。面对以上挑战，本文具体工作如下：　　1.针对量子处理器中具体逻辑线路的实现，通过逻辑简化降低复杂度，提出一种基于改进TR门级联的量子比较器的设计优化方案。该方案综合代价低，对量子代价和垃圾比特都有不同程度的优化，有效降低了特定量子算法的物理实现代价，为量子程序的底层实现提供助力。　　2.针对当前时代量子态脆弱、退相干时间短以及实际物理设备量子位耦合的问题，提出一种基于约束规划的二维量子最近邻线路优化算法。该算法根据给定的量子位排布以及物理耦合关系，第一步先建立约束规划方程得到初始映射关系，第二步再利用启发式算法的思想动态调整物理映射关系，最终使得编译后的程序契合实际物理处理器，并且尽可能减少量子代价消耗。　　3.为了进一步发挥量子计算机的计算能力，使人聚焦于软件算法层面，设计了一套量子编程语言及其解释器。该语言采用了“量子数据，经典控制”的数据叠加范式，不仅包括量子数据结构，还实现了量子条件及量子循环流程控制语句。　　4.针对目前缺少高效可用量子芯片的问题，为了创造更好的模拟环境，为了验证新型线路优化算法以及量子编程语言的可靠性，设计并实现了量子编程模拟器。该模拟器提供了一套易于使用的图形用户界面，可采用拖拽的方式编程量子线路，最终输出执行结果以及时间和内存的消耗。此外，设计的比较器和新型线路优化算法都被集成到模拟器中，优化了模拟器线路的执行代价。

关键词：量子计算量子比较器最近邻架构量子编程量子模拟器量子算法

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长程相互作用系统的变分模拟

长程相互作用系统的变分模拟

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作者：唐效禹电子科技大学

学位级别：硕士

在不久的未来,量子技术将极大地改变我们生活的方方面面,如通信,计算,传感的方式等。量子模拟是量子技术的重要支柱之一。随着量子系统的增大,量子态所处的希尔伯特空间将呈现指数级增长,因而经典计算机在模拟大规模量子系统的问题上通... 详细信息

在不久的未来,量子技术将极大地改变我们生活的方方面面,如通信,计算,传感的方式等。量子模拟是量子技术的重要支柱之一。随着量子系统的增大,量子态所处的希尔伯特空间将呈现指数级增长,因而经典计算机在模拟大规模量子系统的问题上通常极为缓慢。对于量子系统的模拟,一个可行的方法是利用一个较为简单可控的量子系统,即量子模拟器,去模拟另一个实际的量子系统。得益于近些年量子器件制造的发展,量子模拟器已可基于包括冷原子,离子,超导器件以及光学系统在内的各种量子硬件上实现。然而,目前量子硬件的发展仍处于较早时期,即嘈杂中等规模量子(Noisy Intermediate Scale Quantum,NISQ)时代。通常,这些硬件存在着诸如态相干时间较低,操作/测量误差较大,有限的量子比特连接性等问题。在此前提下,一个重要的开放问题是:现有的不完美量子硬件是否也能提供相较经典硬件/算法的优势。变分量子算法是一类可能在NISQ时代实现量子优势的重要方法。在这类算法中,待解决问题的复杂性被拆分在了两部分:经典优化器部分和量子模拟器部分。这样的结构使得只利用较浅量子电路便可解决复杂的问题。本文研究了不同量子比特连接性的量子变分算法,在长程相互作用系统的基态数字模拟。特别地,本文重点研究了一类被广泛用于量子模拟的算法:变分量子本征求解器(Variational Quantum Eigensolver,VQE)。研究发现,随着相互作用距离的增加,VQE算法的效率将会降低,导致模拟结果的保真度降低,同时也需要更多的优化迭代次数。当系统接近临界点时,算法的效率将显著降低。通过增加间隔较远的量子比特的连接性,即使利用更少的量子和经典资源,也能改善结果。本文发现,通过混合不同连接性的电路层可显著地改进算法的效果。其中,电路层的顺序极为重要。相比其他排列方式,将所有具有长程连接的电路层放在量子电路的开端可达到最佳效果。同样的电路设计方式也可被用于变分制备自旋压缩态,这种量子态是量子精密测量中的重要资源。数值模拟结果表明,基于量子变分优化方法得到的自旋压缩参数优于通过基态计算以及通过时间演化方法得到的自旋压缩参数。

关键词：量子系统量子模拟器变分量子本征求解器长程相互作用

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量子算法模拟与设计

量子算法模拟与设计

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作者：陈彦辉吉林大学

学位级别：硕士

论文分为四章。第一章介绍了量子计算机的背景知识、物理基础、研究历史和量子计算的特点等。第二章是量子搜索算法。分析了Grover量子搜索算法的有效性、最佳迭代次数、最佳停止时间和获得解的最大概率等性质。针对David Biron等将Gro... 详细信息

论文分为四章。第一章介绍了量子计算机的背景知识、物理基础、研究历史和量子计算的特点等。第二章是量子搜索算法。分析了Grover量子搜索算法的有效性、最佳迭代次数、最佳停止时间和获得解的最大概率等性质。针对David Biron等将Grover算法扩展为适用于任意初始状态分布的情况,定量分析了Grover算法的各种性质。根据定量分析发现David Biron改进后的量子搜索算法在解集和非解集振幅和相等的情况下陷入无效搜索;并且无法改变状态的离散度,在非解集的离散度大于1/N时退化到不如经典的随机抽取,针对这些情况本文提出了改进方法,并将其改进为适合解个数未知的情况。第三章现了一个图形用户界面的模拟器,用户可以通过简单的拖曳来设计量子电路,程序内置了几个经典算法的演示;支持用户自定义量子门;可以载入和保存量子门和量子网络以备下次使用。第四章探讨了实现量子电路的自动设计的方法。首先得到实现任意函数的量子门,然后使用遗传算法在特定的量子门集合里搜索量子电路。

关键词：量子计算机量子搜索算法量子模拟器量子网络

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基于不同框架的量子算法研究

基于不同框架的量子算法研究

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作者：卫佳中国电子科技集团公司电子科学研究院

学位级别：硕士

随着半导体集成电路技术不断接近摩尔定律极限,量子计算作为一种具有更高运算速度和更低能耗的运算方式,正得到越来越多的关注,量子计算被认为是在后摩尔时代信息计算和安全领域内占据关键地位的新型战略性技术。近些年,IBM、谷歌、苏... 详细信息

随着半导体集成电路技术不断接近摩尔定律极限,量子计算作为一种具有更高运算速度和更低能耗的运算方式,正得到越来越多的关注,量子计算被认为是在后摩尔时代信息计算和安全领域内占据关键地位的新型战略性技术。近些年,IBM、谷歌、苏黎世联邦理工等公司和研究团队在量子计算机硬件方面取得重大突破,越来越多的研究机构和IT企业开始将目光放在量子软件这一领域,并提供了若干量子计算的实验平台与编程框架。本文首先从量子位和量子逻辑门入手,随后分析了一些重要的量子算法,层层深入,描述了一个量子算法实现所需要的逻辑架构。之后在IBM量子云平台进行3比特Grover搜索算法和5比特量子傅里叶变换算法的图形化的算法模拟与仿真。基于IBM的QISKit、谷歌的Cirq和苏黎世联邦理工的ProjectQ等计算框架,运用代码化的量子编程方式来实现上述具体比特的算法,并在实现方法、语言选择、硬件接口、计算结果等方面对比不同计算框架之间的差异。代码形式的量子编程具有更小的计算误差和更大的灵活性,这是因为图形化编程不具有测试次数可调性和输出结果完整性。IBM的计算框架由于加入了噪声,计算结果有一定的偏差,而Cirq和ProjectQ的计算结果相对理想。为了创建更好的模拟环境,本文自主设计开发量子计算模拟器。本模拟器主要是基于图形化的编程方式,通过在界面上拖动、增加、删除量子逻辑门等一系列操作,构造逻辑电路来进行计算。量子逻辑电路计算结果可以完整输出,测试次数可调。进一步的,基于分布式计算框架,初步开发了一个分布式量子计算模拟平台。该分布式平台可减少直接模拟带来的向量运算所占据的内存存储量,从而增加可模拟的量子比特数量、减少计算时间。通过一些量子计算的测试代码对分布式平台进行了实验,该分布式量子计算模拟器平台具有任务分发功能且计算结果准确。

关键词：量子计算量子算法 IBM量子云平台量子模拟器分布式计算

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基于核磁共振的量子计算模拟研究

基于核磁共振的量子计算模拟研究

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作者：阮小魁宁夏大学

学位级别：硕士

本学位论文描述核磁共振量子计算的模拟实现。量子计算机以量子力学基本理论为逻辑基础，与传统计算机的原理完全不同。在已提出的几十种实现方案中，核磁共振(Nuclear MagneticResonance，NMR)量子计算是目前量子计算实验和理论研究取... 详细信息

本学位论文描述核磁共振量子计算的模拟实现。量子计算机以量子力学基本理论为逻辑基础，与传统计算机的原理完全不同。在已提出的几十种实现方案中，核磁共振(Nuclear MagneticResonance，NMR)量子计算是目前量子计算实验和理论研究取得成果最多的，并因此成为量子计算原理性研究的理想测试平台。其思想、概念和结论对其它物理实现方案具有广泛借鉴意义。\n 真实环境中量子体系必然出现退相干，使量子计算实验极其复杂且困难重重。在经典计算机上模拟量子计算，可为研究者提供虚拟平台，并对量子计算理论正确性和算法可行性提供有效验证手段。因此，本学位论文以NMR量子计算若干基本过程为主题，采用现有NMR量子计算模拟器，分别研究了理想情况和实际环境下NMR量子计算通用逻辑门和量子线路的物理模型及其模拟实现，并对模拟结果进行了讨论。主要工作包括：\n 1)设计了理想情况下实现通用量子逻辑门和简单量子线路的NMR脉冲序列，模拟了其逻辑功能。结果与理论完全一致，验证了理论的正确性和模拟方法的可行性。\n 2)分析了实际情况下NMR量子计算通用量子逻辑门的物理模型及其脉冲序列设计，模拟了其逻辑功能，结果与理论分析一致。\n 3)理想情况下的模拟研究如何对实验实现提供借鉴，是模拟研究的主要价值之一。本文对这个问题进行了一些初步探讨。分析了实际情况下NMR量子计算的致错物理因素，并简单讨论了避错方法。

关键词：核磁共振量子计算物理模型逻辑门量子线路量子模拟器

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基于电路切割方法的并行量子模拟方法

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电子技术应用 2024年第11期50卷 9-15页

作者：周予恺彭世昕颜峻蒋金虎复旦大学大数据研究院上海200433 信息工程大学教研保障中心河南郑州450001

量子计算在解决传统计算难题方面展现了巨大潜力,但由于其高错误率和噪声问题,经典模拟成为验证其性能的重要手段。然而,量子的叠加和纠缠特性带来了模拟上的巨大挑战,尤其是在内存受限的情况下。尽管电路切割方法能够将大规模量子电路... 详细信息

量子计算在解决传统计算难题方面展现了巨大潜力,但由于其高错误率和噪声问题,经典模拟成为验证其性能的重要手段。然而,量子的叠加和纠缠特性带来了模拟上的巨大挑战,尤其是在内存受限的情况下。尽管电路切割方法能够将大规模量子电路分解为更小的计算任务,减轻计算压力,先前的研究主要关注其在量子计算机上的应用,未充分考虑其在量子电路模拟中的效果。论文研究填补了这一空白,提出了基于启发式切割算法和子电路状态向量复用的优化方案,以应对模拟中的内存限制。通过引入全局计算成本的考量和整数规划模型,提出的启发式方法不仅优化了切割过程,还结合了子电路状态向量复用技术,以减少重复计算和内存占用。实验结果显示,与当前流行的电路切割方法相比,所提出方法在提升模拟速度的同时显著降低了内存需求,有效应对了量子电路模拟中的挑战。在经典量子电路的测试中总体平均加速达到了46%。

关键词：量子计算量子模拟器量子电路电路切割

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