用cuQuantum框架进行量子计算模拟

量子计算模拟是使用经典计算机和相应框架对量子计算进行模拟，是设计和实现量子算法的有力工具。cuQuantum作为模拟量子计算的框架，为使用GPU进行量子计算模拟提供了重要工具，但在使用该框架时，由于表示法与直观有一定差距，带来了使用上的一些问题，通过研究和学习该框架，以及使用该框架对量子线路的基本操作进行模拟，澄清了框架使用过程中的相关问题，为后续设计和实现量子算法提供基础。

量子计算是利用量子力学原理对经典计算模型的一种改进，有望突破强Church-Turing 论题，实现对复杂计算问题的超多项式级加速[1]。量子计算的提出可以追溯到费曼，但证明量子计算优势的成果当数Shor 算法[2]——应用此算法可以快速分解大整数， 在此前后相继出现了Simon 算法[3]和Grover 算法[4]， 都表明量子算法比经典算法效率更高。

量子算法要量子计算机才能执行，一般情况下，获取量子计算机过于困难，虽然IBM 等公司提供了量子计算机的云接口，但开放的接口只是不到10 个量子比特的量子计算机，对于量子算法特别是量子智能算法的研究无疑是不够的。要想更好设计和实现量子算法，就需要使用模拟的方法，在经典机器上仿真、调试， 达到要求后， 再使用量子计算机运行， 这样设计和实现算法的效率更高。

NVIDIA 公司于2021年年末推出了cuQuantum 框架，使用该框架和相应的GPU 进行量子计算模拟将大大提高效率。

2. 量子计算的基本操作 2.1. 量子比特 在电子计算机中，我们用0、1 表示计算机的状态，信息被编码为0、1 所组成的字符串，而相应的0、1 被称为比特；在量子计算中我们使用叠加态 01sab=+，其中a、b 为复数，满足221ab+= 表示量子计算机的状态，a、b 表示概率幅，其模的平方2a 、2b 代表测量后得到状态0 、1 的概率。

我们也可将s 用基和坐标形式表示为： ()0 , 1asb= 在表示多位量子比特和表示对多位量子比特进行操作时涉及张量积，使用坐标表示法更简洁，我们现在来看看如何表示多位量子比特。

第一种情况，多位量子比特可由单个量子比特组合而成，我们以两位量子比特为例： 0 10101s sssss==⊗ 其中 ()0000 , 1asb=， ()1110 , 1asb= 可以得出