NISQ设备的量子电路调度策略优化研究

在嘈杂的中尺度量子(noisy intermediate-scale quantum,NISQ)时代,调度是量子电路编译的关键步骤。传统调度策略未充分利用量子计算的并行性,忽略了层内操作的潜在并行优化。因此,设计了两种优化策略:拓扑层级调度策略(topological layered scheduling strategy,TLSS)和层内冲突优化策略(layerwise conflict optimization strategy,LCOS)。TLSS利用贪心算法和拓扑排序原理,在层结构中分配量子门,以最大化并行执行量子门操作的数量。LCOS在层内插入SWAP门并最小化冲突以提高并行度,优化整体计算效率。实验结果表明,在涉及4至22量子比特、平面拓扑结构以及双量子比特的平均寿命为67μs的特定环境下,TLSS与LCOS分别降低51.1%和53.2%的SWAP门数量,减少14.7%和15%的硬件门开销。由于量子电路的复杂性及层间时序关系的干扰,将两策略结合后SWAP门数量降低51.6%,硬件门开销减少14.8%。然而结果的适用性受到不同结构和硬件限制的影响。

基于关系图的Linux内核兼容性量化分析研究

内核升级导致设备驱动模块、应用系统库的移植工作缺少有效的理论指导,给操作系统开发和部署带来诸多不便。针对上述情况,提出基于内核模块差异性检测和依赖关系分析的内核兼容性量化分析方法,结合开源Linux内核,构造内核模块依赖关系图,统计内核模块出入度、依赖深度、中心性等影响内核兼容性的图特征,分析系统调用和导出函数2类兼容性强相关函数的变化情况及其对内核兼容性的影响,给出测算内核模块兼容率和影响域的基本方法,并在Linux内核5.x系列版本和麒麟典型版本中进行实验验证。

改进量子位初始映射的综合SWAP优化策略

在嘈杂的中尺度量子时代,传统的初始映射策略忽略了后续操作中可能出现的邻接性的问题。针对这一挑战,综合考虑量子比特间的距离、交互时间和门操作的错误率,设计了一个多因素交互成本函数,并提出综合SWAP优化策略(comprehensive SWAP optimization strategy,CSOS)。该策略包括最佳SWAP选择和基于SWAP的批量更新策略,用于优化量子电路的局部量子位映射。最佳SWAP选择通过对比SWAP操作的效益,选择最佳收益的SWAP门;批量更新策略在映射阶段考虑即将执行的量子操作序列,预先执行批量的SWAP操作。二者综合可以减少整个电路执行过程中的SWAP数量,以最大程度减少映射开销。实验结果显示,CSOS优化方式可以平均减少38.1%的插入SWAP门数量,并降低约12%的硬件门计数开销。

基于SVM的量子线路输出校准方法研究

当前噪声中尺度量子(NISQ)计算机由于受到各种噪声的影响,量子线路运行结果和理想结果之间存在误差,因此需要对量子线路的运行结果进行校准。基于量子线路可逆性的特点,收集正反向线路运行数据中的状态误差作为主要噪声特征,提出了基于支持向量机(SVM)集成策略的输出校准方法。通过支持向量机-递归特征消除(SVM-RFE)方法对噪声特征进行排序,去除过拟合的特征,从而得到更优的量子线路输出校准结果。实验结果表明,与基于优化映射的方法相比,所提基于SVM的方法使量子线路输出结果更接近于理想结果,与基于决策树集成分类模型(Qraft)相比,当CNOT量子线路的门数为60时,改善率达到43.94%。

一种分布式量子计算中传输代价的优化方法

分布式量子计算是解决现有量子计算设备还不足以支持大规模量子计算问题的有效途径,分布式子系统之间通过隐形传态建立通信链路来传输量子位,隐形传态的次数决定了分布式量子计算的传输代价。为了减少分布式子系统间的隐形传态次数,提出了一种跨门合并传输模型,该模型允许多个不连续的门通过一次隐形传态完成传输。基于该传输模型,对分布式量子计算的隐形传态次数进行优化。在不考虑分布式子系统量子位数时,与现有的研究结果相比隐形传态次数平均减少57.3%;在分布式子系统量子位数受限的情况下使用该模型,在消耗更少量子位的同时,隐形传态次数平均减少14.6%,针对较大规模的量子线路,优化率达58.8%。

基于动态前瞻深度的量子线路映射研究

随着量子计算技术的快速发展,现在已经进入了噪声中型量子(NISQ)时代。但受限于当前的技术,目前一个量子位只能与相邻的量子位直接交互。为了使量子线路能直接在NISQ设备上执行,需要在逻辑线路中插入SWAP门或使用桥门来近邻化量子位。为了减少量子线路映射中插入额外量子门的数量,本文研究了基于动态前瞻的线路映射方法,考虑了在拓展层中插入交换门的影响,优化了代价函数模型。通过模拟退火算法来确定插入交换门时的最佳前瞻深度,以减少插入交换门的数量,进而减少CNOT门的数量。实验结果表明,与现有映射方法相比,本文提出的算法减少了插入的CNOT门数,平均优化率达到45.59%。

一种提高量子线路保真度的转换方法

在实际量子计算中,量子比特和量子操作表现出不同的品质特性,从而影响量子计算结果的保真度。而量子受控非门(CNOT门)错误率在品质特性中占据主要地位。提出了一种既能满足连通约束又能提高保真度的量子线路转换方法,该方法先通过Floyd算法找出量子位移动路径,基于该路径上存在的一个或多个双量子比特门执行的成功率,构建启发式函数,以此来选择线路中高保真度的交换方式。多个基准测试实验结果表明,与IBM Qiskit工具包中的SabreSwap和StochasticSwap算法相比,本工作所提方法在量子线路保真度方面分别提高了39.29%和36.06%。

基于改进混合式CORDIC算法的直接数字频率合成器设计

提出一种新的面积优化的直接数字频率合成器设计方案.采用改进混合式CORDIC算法,通过削减旋转相位判断电路和乘法单元,改进和调整相位旋转误差,并利用简单的移位和加/减电路完成复杂的幅度修正,降低了电路复杂度,缩减了电路规模.结构上采用流水线式多级循环迭代技术,实现移位和加/减电路的高度复用.实验结果表明本方法输出频谱杂散小于-70dB,并在运算速度和资源利用率上具有一定的优势.该设计已成功用于宽带网络SoC芯片的频率调制模块.

基于有效布尔矩阵的线性最近邻量子电路综合

最近邻量子电路要求满足最近邻约束,只允许在相邻的量子位之间交互,线性量子电路是量子电路的一个重要部分。研究了表示线性最近邻量子电路布尔矩阵有效性的快速判定方法,时间复杂度从n!(n-1)变为O(n^2)。提出了基于有效布尔矩阵的大规模线性最近邻量子电路的并行综合算法,在不到10 s内对128线的任意线性最近邻量子电路完成了电路综合。提出的并行方法不仅保证了精度,也大大减少了量子电路的综合时间,扩大了求解电路的规模.

基于粗集理论的支持向量机分类方法研究

介绍了粗集理论的基本概念和支持向量机分类的基本原理,提出将粗集理论和支持向量机方法相结合。通过应用粗集理论对数据的预处理,消除决策表中大量的冗余信息和冲突对象,但不丢失任何有用信息。通过这样对数据维数的约简,大大简化了支持向量分类模型的结构,同时也有效地提高了支持向量机的分类效率。通过对一组实验数据的仿真验证了该方法的可行性。

一种VLSI高层综合低功耗设计方案及实现

提出VLSI高层综合设计方案,该方案基于多电压在时间及资源约束条件下,综合考虑了调度及互连,从调度互连两个角度达到低功耗的目的.该方案提出了基于Gain大小搜索的调度,将功耗增益、灵活度和行为执行密度因素作为折中函数,考虑操作的属性更加全面.在互连中基于分布式的RS互连模型得出互连单元在执行时段里的动态功耗,同时考虑单根总线上的翻转和邻线的耦合.该方案在CDFG工具包中实现并证明了它的有效性.

基于XML技术实现表格的灵活构建

通过应用XML技术,构建表格XML词汇表,进而在B/S/D三层系统开发过程中,对依据词汇表 构建的表格XML文档通过表格生成引擎进行解析处理,处理完成后的结果在客户端以Web方式展现。

一种基于FBMA算法的整像素运动估计芯片的VLSI设计

给出了一种基于全搜索块匹配算法的运动估计电路的改进结构,并完成了VLSI设计.通过采用多端口匹配策略和双时钟方案,使得在提高先前帧搜索区域像素数据重复利用率的同时,将脉动阵列的计算效率提高到74.9%.采用TSMC0.25μm1P5MCMOS工艺,完成了运动估计芯片的VLSI实现,其芯片面积为3.37mm×3.37mm,最高工作频率为110MHz.综合后仿真表明在89.4MHz的频率下,该电路可以对支持MPEG4ASProfile标准的ITUR601格式视频图像(720×480@30HzNTSC或720×576@25HzPAL)进行基于整像素的实时运动估计.

USB3.0设备控制器IP核OUT端点测试平台的研究与实现

从一款自主研发的USB3.0设备控制器IP核出发,完成USB3.0设备控制器IP核OUT端点模块3种传输模式(批量传输、中断传输和等时传输)的功能验证。通过Verilog语言搭建一个完整的OUT端点测试平台,测试平台包括USB3.0设备控制器IP核、主机模块(包参数产生模块、包产生模块、链路命令产生模块、包检测模块及链路命令检测模块)和应用核模块。实验测试结果与USB3.0 OUT端点3种传输模式的协议规范完全符合。该平台能够对USB3.0设备控制器IP核OUT端点的3种传输方式进行全方位的功能验证。

一款基于多处理器片上系统的动态自适应仲裁器

随着深亚微米工艺技术的发展,同一芯片上集成多个处理器得以实现.通信架构是多处理器片上系统的瓶颈,而高效的仲裁器可以解决多个处理器同时访问共享资源引起的冲突和竞争,从而防止系统性能的下降.提出一款算法简单的动态自适应仲裁器.它可以自动调节各个处理器占据的总线带宽,避免饥饿现象.基于多处理器仿真平台的实验结果显示它比传统的仲裁器减少了68%的任务完成时间,缩短了78%的总线等待时间,并且能更好地控制各处理器的总线带宽.

CMS中RBAC模型的改造和应用

针对内容管理系统(CMS)中内容、权限和用户数量规模大的特点,采用形式化方法定义了改造后的基于角色的权限模型———RBAC0.5.对照RBAC96定义的4个模型,RBAC0.5是一个介于RBAC0和RBAC1之间的新模型.它覆盖了RBAC0,将RBAC1中的角色层次关系改造为通过用户组关联的映射关系,从而获取以关系型数据库为后台的集合操作能力.并且,为了有效组织CMS中的内容,形式化定义了内容分区和层次分类,在此基础上定义了层次化的权限集合,从而支持多层粒度上的访问控制.基于上述模型,给出CMS中基于短路操作、垃圾收集以及缓存技术的实现访问控制的优化算法.

一种图形用户界面的XML描述方法与工具开发

传统的图形用户界面开发与具体的程序设计语言和软件开发平台密切相关。图形用户界面开发的这种紧耦合性对软件开发的后续过程和软件移植以及软件开发各阶段工作的重用造成了很大的困难。在分析传统图形用户界面开发存在问题的基础上,提出一种基于XML的图形用户界面描述方法,使用这种描述方法定义图形用户界面,可以实现图形用户界面定义与具体程序设计语言和开发平台的无关性。在此基础上,开发了一个基于上述图形用户界面描述方法的B/S架构的图形用户界面生成工具。其借助开源的fckeditor编辑器与用户交互,可以友好便捷地编辑图形用户界面,生成符合要求的图形用户界面XML描述文档;进一步地,再通过dom4j解析相应的XML文档,可以自动生成html格式等与具体语言相关的图形用户界面代码文档。详细介绍提出的基于XML的图形用户界面描述方法,并给出相应图形用户界面生成工具的设计思路和应用实例。

用遗传算法实现逻辑函数的化简

在硬件设计中引入演化计算,在可编程逻辑器件上通过对基本硬件元器件进行演化而自动生成人工难以设计出的硬件结构,称为演化硬件设计。代数法和卡诺图法用来化简给定的逻辑函数,但它们难以化简规模很大的逻辑函数。这里用演化硬件设计方法实现了区别于传统的代数化简法和卡诺图化简法的一种新的对给定的某一逻辑函数进行化简的方法。实验表明演化硬件设计方法能够化简规模很大的逻辑函数。

多搜索中心的运动估计快速算法

块大小可变的运动估计方法能提高视频编码性能,但也增加了计算时间.为了加快运动估计计算,本文提出了一种基于多搜索中心预测和搜索范围动态调整的快速算法.多搜索中心预测方法对当前宏块时间和空间上相邻块的运动向量进行分析,得出多个预测向量作为运动估计的搜索中心.相比传统预测方法,多搜索中心预测最高可提高约14.6%的预测精度.依据预测运动向量的数目和大小,本文算法对搜索范围进行动态调整,进一步降低了计算复杂度.实验结果显示,相比H.264参考软件中的快速全搜索算法,UMHS算法和EPZS算法,本文算法分别节省约96.22%,59.50%和39.06%的计算时间,且具有相近的率失真性能.

基于重量分析的OBDD变量排序算法

有序的二叉判决图（ＯＢＤＤ）是布尔表达式的一种有效表示方法，但它的体积对变量排序具有较强的依赖性．本文提出一种电路结构图，并在此基础上定义了原始输入重量和节点重量等参数，并建立了用重量分析来指导的ＯＢＤＤ变量排序算法．由于从考虑变量对输出函数的影响出发与从考虑ＯＢＤＤ节点共享性出发对变量排序的要求不同，本文分别设计了两类算法．实验结果表明，本文对大多数标准电路变量排序的效果都优于国际上的同类算法，尤其是对一些较难排序的电路（如Ｃ２６７０）效果更加突出．