基于矩阵乘积算符的混合量子压缩经典生成对抗网络

1

作者 张曜麟 刘晓楠 +1 位作者 杜帅岐 廉德萌 《计算机科学》 北大核心 2025年第6期74-81,共8页

神经网络在人工智能图像生成领域研究中占据重要地位。生成对抗网络作为近年来的热门算法,在图像生成任务中展现了卓越性能。量子计算作为一种新型计算模式,正在与传统人工智能算法融合,这样不仅加快了处理速度,还提升了数据安全性,尤... 神经网络在人工智能图像生成领域研究中占据重要地位。生成对抗网络作为近年来的热门算法,在图像生成任务中展现了卓越性能。量子计算作为一种新型计算模式,正在与传统人工智能算法融合,这样不仅加快了处理速度,还提升了数据安全性,尤其适合处理高维数据和优化问题。其中,混合量子经典生成对抗网络在图像生成任务中表现良好。然而,当前的混合量子经典生成模型在生成高维图像方面存在挑战,且生成器中线性层的加入,导致模型参数量增多。因此,提出了一种采用矩阵乘积算符的混合量子压缩经典生成对抗网络模型。该模型通过改进分块量子生成器的结构,使单次调用能够生成多个数据块,提高了模型效率。同时,结合经典网络的非线性特性和矩阵乘积算符,既保证了高维图像的生成质量,又提高了模型的收敛速度,并减少了参数量。实验结果表明,优化后的生成器结构将总运行时间提升了约92.88%,模型参数减少了约5.59%,并且在MNIST和FMNIST数据集上的收敛速度优于传统及混合量子经典模型,展示了其在高维图像生成中的潜力。 展开更多

关键词 图像生成 量子计算 参数化量子线路 混合生成对抗网络 矩阵乘积算符

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量子计算机:量子算法与物理实现 被引量：6

2

作者 方粮 刘汝霖 +2 位作者 汤振森 隋兵才 池雅庆 《计算机工程与科学》 CSCD 北大核心 2012年第8期32-43,共12页

量子算法与物理实现是量子计算机研究中的两个基本问题。本文首先总结了相关领域的主要进展,并讨论了有代表性的量子算法,特别介绍了用于求解线性方程组的量子算法,分析了影响新量子算法提出的因素。然后,探讨了物理实现的迪文森佐判据... 量子算法与物理实现是量子计算机研究中的两个基本问题。本文首先总结了相关领域的主要进展,并讨论了有代表性的量子算法,特别介绍了用于求解线性方程组的量子算法,分析了影响新量子算法提出的因素。然后,探讨了物理实现的迪文森佐判据,并介绍了典型的实现方案及性能比较。同时,也关注了对量子计算机研究持有异议的观点。最后,对量子计算机的新研究方向作了探讨。 展开更多

关键词 量子计算机 量子算法 量子比特 离子阱 量子随机游走 Majorana费米子 拓扑量子计算

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Grover算法改进与应用综述 被引量：5

3

作者 刘晓楠 宋慧超 +2 位作者 王洪 江舵 安家乐 《计算机科学》 CSCD 北大核心 2021年第10期315-323,共9页

量子信息科学是一门新兴的交叉学科,它在信息领域中有着独特的性能,在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可突破现有经典信息系统的极限。Grover算法是一类典型的量子算法,能够对任意经典暴力穷举搜索问题... 量子信息科学是一门新兴的交叉学科,它在信息领域中有着独特的性能,在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可突破现有经典信息系统的极限。Grover算法是一类典型的量子算法,能够对任意经典暴力穷举搜索问题实现二次加速,进一步推动了量子计算的发展,如何有效地改进和应用Grover算法成为量子计算的一个重要研究领域。文中综述了Grover算法的优化改进和应用,对Grover算法在不同领域应用及不同方面的改进进行了概述,并对Grover算法未来的改进和相关应用的若干研究方向进行了探讨。 展开更多

关键词 GROVER算法 量子计算 相位改进 密钥搜索 数据挖掘

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基于申威26010处理器的大规模量子傅里叶变换模拟 被引量：5

4

作者 刘晓楠 荆丽娜 +1 位作者 王立新 王美玲 《计算机科学》 CSCD 北大核心 2020年第8期93-97,共5页

量子计算由于其纠缠性和叠加性具有天然的并行优势,然而目前的量子计算设备受限于物理实现的工艺水平,距离可发挥巨大计算能力并解决有现实意义的实际问题还需要一定时间的技术积累和突破。因此,采用经典计算机对量子计算进行模拟成为... 量子计算由于其纠缠性和叠加性具有天然的并行优势,然而目前的量子计算设备受限于物理实现的工艺水平,距离可发挥巨大计算能力并解决有现实意义的实际问题还需要一定时间的技术积累和突破。因此,采用经典计算机对量子计算进行模拟成为验证量子算法的有效途径。量子傅里叶变换(Quantum Fourier Transform,QFT)是许多量子算法的关键组成部分,它涉及相位估计、求阶、因子等问题。对量子傅里叶变换的研究和大规模模拟实现,可以有效促进相关量子算法的研究、验证以及优化。文中使用我国自主研发的超级计算机——“神威·太湖之光”对大规模量子傅里叶变换进行模拟,并根据申威26010处理器异构并行的特点,采用MPI、加速线程库以及通信与计算隐藏技术进行优化。通过Shor算法中求解周期部分的运算来验证量子傅里叶变换模拟的正确性,实现了46位量子比特QFT算法的模拟和优化,为其他量子算法在超算平台上的验证优化以及新量子算法的提出提供了参考。 展开更多

关键词 量子傅里叶变换 申威26010 MPI 加速线程库 Shor算法

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具有可重构特性的陷波超宽带天线设计与研究 被引量：11

5

作者 南敬昌 王加冕 +2 位作者 赵久阳 胡汗青 杨洁 《传感器与微系统》 CSCD 2019年第10期102-105,共4页

提出了一种具有陷波及可重构特性的超宽带天线。天线采用在辐射贴片上引入开口圆环和在馈线上开倒U形槽的结构实现双陷波特性。采用在陷波结构中加入PIN二极管开关的方法实现陷波可重构特性,通过切换开关的断开与闭合,分别实现无陷波、... 提出了一种具有陷波及可重构特性的超宽带天线。天线采用在辐射贴片上引入开口圆环和在馈线上开倒U形槽的结构实现双陷波特性。采用在陷波结构中加入PIN二极管开关的方法实现陷波可重构特性,通过切换开关的断开与闭合,分别实现无陷波、单陷波和双陷波特性,进一步提高了超宽带频段的利用率。天线的体积仅为31 mm×24 mm×1.5 mm,结构紧凑。工作频带为2.8~3.2 GHz,4.0~5.0 GHz和6.0~12 GHz,实现了在3.2~4.0 GHz以及5.0~6.0 GHz两个频带的陷波特性,有效阻隔了WIMAX通信频段(3.3~3.6 GHz)、WLAN频段(5.150~5.285 GHz)的干扰。其他工作频段内,该天线具有较好的辐射特性,更适合应用在超宽带系统之中。 展开更多

关键词 超宽带 双陷波 可重构特性 开口圆环 倒U形槽

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基于矩阵乘积态的有限纠缠量子傅里叶变换模拟 被引量：2

6

作者 刘晓楠 廉德萌 +1 位作者 杜帅岐 刘正煜 《计算机科学》 CSCD 北大核心 2024年第9期80-86,共7页

与经典计算不同,在量子计算中量子比特可以处于叠加态,多个量子比特之间还可以形成纠缠态。表示n个量子比特组成的量子态需要存储2^(n)个振幅,这种指数级的存储开销使得大规模的量子模拟难以进行。然而当量子态的纠缠程度有限时,使用矩... 与经典计算不同,在量子计算中量子比特可以处于叠加态,多个量子比特之间还可以形成纠缠态。表示n个量子比特组成的量子态需要存储2^(n)个振幅,这种指数级的存储开销使得大规模的量子模拟难以进行。然而当量子态的纠缠程度有限时,使用矩阵乘积态表示量子态仅需要线性的空间复杂度,可以扩大模拟的规模。使用HIP-Clang语言,基于CPU+DCU的异构编程模型,使用矩阵乘积态表示量子态,对量子傅里叶变换进行模拟。结合矩阵乘积态的特点,对量子傅里叶变换线路进行分析,减少模拟实现时不必要的张量缩并运算与正交化构建。对模拟过程中的张量缩并进行分析,使用TTGT算法完成张量缩并运算,同时利用DCU的并行处理能力来提高效率。对模拟结果进行分析,分别通过振幅误差与半经典Draper量子加法器的结果验证了模拟的正确性。对模拟规模进行分析,当量子态的纠缠熵最大时,使用16 GB的内存空间最多只能模拟24位的量子态,而当量子态内部纠缠程度较低时,可以对上百位的量子态进行量子傅里叶变换模拟。 展开更多

关键词 量子模拟 量子傅里叶变换 矩阵乘积态 异构计算 DCU HIP-Clang

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基于Grover算法的图着色问题求解 被引量：1

7

作者 刘晓楠 刘正煜 +1 位作者 谢浩山 赵晨言 《计算机科学》 CSCD 北大核心 2023年第6期351-357,共7页

Grover量子搜索算法是针对非结构化搜索问题设计的著名量子算法,可用于解决图着色、最短路径排序等问题,也可以有效破译密码系统。图着色问题是最著名的NP-完全问题之一,文中首先将图着色问题转化为数学上的无向图;然后采用布尔表达式... Grover量子搜索算法是针对非结构化搜索问题设计的著名量子算法,可用于解决图着色、最短路径排序等问题,也可以有效破译密码系统。图着色问题是最著名的NP-完全问题之一,文中首先将图着色问题转化为数学上的无向图;然后采用布尔表达式将其转换为布尔可满足性问题,介绍了量子线路图解决布尔表达式的步骤原理以及图着色问题向布尔可满足性问题的转换过程;最后在IBMQ云平台上,对三节点的2-着色问题以及4-着色问题进行模拟仿真。实验结果验证了使用Grover算法求解图着色问题的可行性,在搜索空间为8的2-着色问题和搜索空间为64的4-着色问题中,分别以近82%和97%的成功概率搜索到目标项。文中使用Grover算法解决了4-着色问题,拓展了该算法在此问题领域上的实验规模,且改进了现有实验的量子线路,使量子位成本更低,结果的成功率更高,展示了Grover算法在大型搜索问题中显著的加速效果。 展开更多

关键词 GROVER算法 图着色问题 量子线路 IBMQ 布尔可满足性问题

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量子计算机研究进展 被引量：19

8

作者 郭光灿 陈以鹏 王琴 《南京邮电大学学报（自然科学版）》 北大核心 2020年第5期3-10,共8页

量子计算机是未来量子技术时代最具颠覆性的技术,文中将以量子计算机的诞生、工作原理和在世界范围内的发展现状为主要阐述内容。目前阶段,量子计算机的研制已从以院校、研究所的基础性研究为主体的阶段,过渡到以公司企业为主要研发驱... 量子计算机是未来量子技术时代最具颠覆性的技术,文中将以量子计算机的诞生、工作原理和在世界范围内的发展现状为主要阐述内容。目前阶段,量子计算机的研制已从以院校、研究所的基础性研究为主体的阶段,过渡到以公司企业为主要研发驱动力的阶段,并开始逐渐进入到“量子霸权”的发展新阶段,当然,目前的量子计算机还比较初级,离可破解密码的通用量子计算机还有很长的路要走。 展开更多

关键词 量子计算机 超导量子计算 离子阱 量子比特

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基于Grover搜索算法的整数分解 被引量：4

9

作者 宋慧超 刘晓楠 +2 位作者 王洪 尹美娟 江舵 《计算机科学》 CSCD 北大核心 2021年第4期20-25,共6页

非结构化搜索是计算机科学中最基本的问题之一,而Grover量子搜索算法就是针对非结构化搜索问题设计的。Grover量子搜索算法可用于解决图着色、最短路径排序等问题,也可以有效破译密码系统。文中提出基于Grover搜索算法并结合经典预处理... 非结构化搜索是计算机科学中最基本的问题之一,而Grover量子搜索算法就是针对非结构化搜索问题设计的。Grover量子搜索算法可用于解决图着色、最短路径排序等问题,也可以有效破译密码系统。文中提出基于Grover搜索算法并结合经典预处理实现整数分解。首先基于IBMQ云平台对不同量子比特的Grover算法量子电路进行了仿真,以及模拟使用Grover算法求解N的素因子P和Q;然后将化简后的方程转化为布尔逻辑关系,以此来构建Grover算法中的Oracle;最后通过改变迭代次数来改变搜索到解的概率。仿真结果验证了使用Grover算法求解素因子P和Q的可行性。文中实现了在搜索空间为16且一次G迭代条件下以近78%的成功概率搜索到目标项。文中还比较了Grover算法与Shor算法在求解一些数字时所耗费的量子比特数和时间渐近复杂度的差异。通过Grover量子搜索算法分解整数的实验拓展了该算法的应用领域,Grover算法的加速效果在大型搜索问题中尤为明显。 展开更多

关键词 GROVER算法 VQF算法 IBMQ 整数分解 Shor算法

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可逆电路综合与优化的若干研究进展 被引量：1

10

作者 吴限 冯世光 李绿周 《量子电子学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第4期565-577,共13页

量子计算是一种新型计算模式,遵循量子力学规律对信息进行处理,其应用涵盖密码学、组合优化和量子模拟等多个领域。量子计算强大算力的发挥有赖于量子算法,而量子算法的运行首先需要编译为量子电路。可逆电路是一类重要的量子电路,可逆... 量子计算是一种新型计算模式,遵循量子力学规律对信息进行处理,其应用涵盖密码学、组合优化和量子模拟等多个领域。量子计算强大算力的发挥有赖于量子算法,而量子算法的运行首先需要编译为量子电路。可逆电路是一类重要的量子电路,可逆电路的综合与优化是量子编译的主要研究内容之一。本文对可逆电路综合与优化中的一些重要工作进行总结,首先介绍线性可逆电路的综合与优化,对CNOT门数量与电路深度两个方面优化的结果进行讨论;然后介绍一般性可逆电路的规模和深度优化,对当前算法所能达到的上下界情况进行了分析总结;最后对可逆电路综合与优化的相关延伸拓展进行探讨。 展开更多

关键词 量子计算 量子电路 电路综合与优化 可逆电路 线性可逆电路

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基于“嵩山”超级计算机系统下HHL算法的模拟实现 被引量：2

11

作者 谢浩山 刘晓楠 +1 位作者 赵晨言 刘正煜 《计算机科学》 CSCD 北大核心 2023年第6期74-80,共7页

量子计算是一种遵循量子力学规律来调控量子信息单元进行计算的新型计算模式,而量子算法由一系列量子门组合而成,其实现形式为量子线路。量子线路是对量子比特进行操作的线路,以量子比特为基本的存储单元,将量子逻辑门连接在一起来实现... 量子计算是一种遵循量子力学规律来调控量子信息单元进行计算的新型计算模式,而量子算法由一系列量子门组合而成,其实现形式为量子线路。量子线路是对量子比特进行操作的线路,以量子比特为基本的存储单元,将量子逻辑门连接在一起来实现特定的计算功能。文中在“嵩山”超级计算机上利用MPI+OpenMP混合并行编程模型,实现了将大规模量子线路拆分到不同节点上进行构建,加快了线路的构建速度,并且在CPU集群系统上具有良好的可拓展性。针对节点间通信问题,设计了序列化和反序列化函数,以保证节点间数据的传输,并且根据各节点所分配任务量间存在的指数级差异,设计了一种拆分任务量、各节点轮循处理的优化方式,实现了节点间的负载均衡。最后在超级计算机CPU集群上成功实现了大规模的量子相位估计线路的构造,相较于单节点取得了8.63的加速比,并通过HHL算法验证了所设计的并行相位估计子模块的正确性,为大规模HHL算法在超算平台上的实现提供了参考。 展开更多

关键词 量子相位估计 CPU集群 MPI HHL算法 负载均衡

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Grover量子搜索算法在“嵩山”超级计算机系统中的模拟 被引量：1

12

作者 杜帅岐 刘晓楠 +1 位作者 廉德萌 刘正煜 《计算机科学》 CSCD 北大核心 2024年第9期96-102,共7页

量子计算凭借其叠加性和纠缠性,具有强大的并行计算能力。然而,目前的量子计算机不能在保证大规模量子比特处于稳定叠加态的同时,进行干涉、纠缠等量子操作。因此,当前研究和推动量子计算的有效途径是使用经典计算机模拟量子计算。Grove... 量子计算凭借其叠加性和纠缠性,具有强大的并行计算能力。然而,目前的量子计算机不能在保证大规模量子比特处于稳定叠加态的同时,进行干涉、纠缠等量子操作。因此,当前研究和推动量子计算的有效途径是使用经典计算机模拟量子计算。Grover量子搜索算法针对无序数据库搜索问题设计,将搜索的时间复杂度加速至开平方级,能加速机器学习中的主成分分析。因此,研究和模拟Grover算法,可以促进量子计算与机器学习结合领域的发展,为Grover量子搜索算法的应用以及量子机器学习在“嵩山”超级计算机系统中的模拟奠定基础。通过研究Grover量子搜索算法,模拟出了算法的量子线路。使用Toffoli量子门优化该量子线路,在减少了两个辅助量子比特的同时,提出了Grover算法的通用量子线路。实验基于“嵩山”超级计算机系统的CPU+DCU异构体系,使用了MPI多进程+HIP多线程的两级并行策略。通过调整辅助比特在量子线路中的位置,减少了MPI进程间的通信;使用分片的方式传输数据依赖的量子态。对比串行版本,并行化的模拟算法取得了最高560.33倍的加速,首次实现了31qubits规模的Grover量子搜索算法。 展开更多

关键词 GROVER量子搜索算法 异构体系 MPI HIP 分片传输

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经典启发式量子计算整数分解问题

13

作者 张兴兰 张丰 +1 位作者 陈菲 郭艳琨 《北京工业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第6期675-683,共9页

大整数分解是破解RSA加密算法的基本途径之一,由于计算量过大,经典计算机难以有效解决大整数分解问题.量子叠加和纠缠的特性,使得量子计算可以对经典问题求解起到并行加速的作用.Shor算法是一个能够高效快速对大整数分解的量子算法.然而... 大整数分解是破解RSA加密算法的基本途径之一,由于计算量过大,经典计算机难以有效解决大整数分解问题.量子叠加和纠缠的特性,使得量子计算可以对经典问题求解起到并行加速的作用.Shor算法是一个能够高效快速对大整数分解的量子算法.然而,Shor算法需要进行模幂运算,使得电路设计极其复杂,时间复杂度也高.为了解决该问题,基于经典计算的启发,提出一种启发式算法:利用量子计算的并行性,设计相关Oracle去计算2个奇数叠加态a和b的乘积,再将叠加态乘积的负相位加在大整数N的傅里叶基上,当结果为0时,利用多控制门便能够将满足pq=N的一个质因子p给提取出来.该文提出的算法最低仅需要2n个量子比特,时间复杂度也达到指数级加速.另外,该文在QISKit框架上实现了该算法,证明了算法的可行性和通用性. 展开更多

关键词 整数分解 量子计算 Shor算法 启发式算法 傅里叶基 QISKit

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Qsimulation:一个量子计算模拟器工具

14

作者 邓曦 邓玉欣 《计算机工程与科学》 CSCD 北大核心 2019年第5期843-850,共8页

介绍一个可在经典计算机上模拟量子计算的工具Qsimulation。该工具由4个主要部分组成:一个命令式的量子编程语言,一个量子计算解释器,一个用于模拟量子程序执行的图形用户界面以及错误处理模块,它能帮助教师和新手设计并测试简单的量子... 介绍一个可在经典计算机上模拟量子计算的工具Qsimulation。该工具由4个主要部分组成:一个命令式的量子编程语言,一个量子计算解释器,一个用于模拟量子程序执行的图形用户界面以及错误处理模块,它能帮助教师和新手设计并测试简单的量子电路和量子程序。 展开更多

关键词 量子计算 量子计算模拟器 量子电路

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