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量子处理器架构的设计与仿真研究

王锐  
【摘要】:由于物理工艺存在极限,传统计算机的运算速度不可能无限提升。量子计算为解决海量数据处理的瓶颈带来了新希望。量子计算机能基于量子物理规律进行量子计算,利用量子的叠加性和纠缠性可实现并行处理海量数据。它在大数质因子分解、无序搜索等问题上能获得远高于经典计算机的加速,具有巨大的应用潜力。然而目前量子计算机尚处于初步研究阶段,对于如何构建量子计算机体系仍未有成熟的方案。量子处理器是量子计算机执行量子算法的核心单元,其架构的差异对量子资源利用率和计算精度有很大影响。本文在前人对量子处理器的研究基础上,探索了实现通用量子计算的方案,提出了一种在混合量子计算体系下的量子处理器架构。主要工作如下:首先,本文分析了量子线路模型、量子总线模型和基于测量的量子计算模型的特点。在此基础上,将经典中央处理器结构的概念拓展至量子处理器,建立了一种基于三总线可编程架构的量子处理器模型。该量子处理器在经典计算机控制下进行工作,两者构成混合量子计算体系。接下来,以Grover搜索算法作为仿真实例,用所建立的量子处理器架构实现该量子算法,采用一种量子程序语言Q#对该实现过程进行软件仿真。仿真结果展示了Grover算法的搜索成功率与迭代次数、目标解占整个搜索空间比例的关系。仿真结果与理论的一致表明了所建立的量子处理器架构的可行性。最后,针对经典计算机无法模拟量子计算特有的并行性问题,本文采用FPGA平台对所提处理架构进行硬件仿真。为了体现FPGA仿真对于量子算法改进和优化的优越性,在前面对以Grover算法作为实例进行软件仿真的基础上,在此选择了以Grover算法的扩展算法作为仿真实例。首先经过比较,本文选用串并行结构作为本次硬件仿真的框架,在该框架的基础上提出了一种适用于广义Grover算法的FPGA仿真框架。通过仿真,得出了一定范围内所有旋转相位因子值所对应的算法搜索成功率和搜索步长。并且给出了仿真过程中量子比特数目所对应的完成一次搜索的仿真时间、以及消耗的逻辑资源。该结果表明所提仿真框架能够在不消耗过多逻辑资源的情况下,经过极短的运行时间便能得出所有算法改进策略的仿真结果,相较于计算机软件模拟的方式具有突出的优势。从硬件仿真的角度验证了所提量子处理架构是可行的。


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