基于Visio的量子電路矢量圖自動繪制

王秋里等

摘要：目前量子可逆邏輯電路的繪制工作十分復雜。雖然現(xiàn)有的自動繪圖工具只能滿足基本的繪圖需求，但是它們繪制出的是低分辨率的點陣圖，而這種點陣圖很難滿足研究者們在論文發(fā)表時對高清圖像的要求。因此，用C#對Visio繪圖功能進行二次開發(fā)，解析并描述用戶提供的量子電路TFC文件， C#讀取用戶對電路多種格式的自定義參數(shù)，依次畫出所需的量子門，則可自動繪制出符合高清要求的矢量量子電路圖。因為可逆邏輯量子電路的操作是為了得到特定的信號，所以真值表的計算可以驗證這個電路是否已經(jīng)達到事先設置的要求。所以還提供該量子電路的真值表，方便用戶查看并分析產(chǎn)生的量子電路。

關鍵詞：量子電路；點陣圖；量子門；TFC文件；Visio二次開發(fā)；真值表

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）12-0237-04

Visio-based Automatically Drawing of Vector Quantum Circuit

WANG Qiu-li， CAI Song-cheng， JI Yan-yu， CHEN Zhou-ling， WU Yang-yang， LI Zhi-qiang， FENG Xiao-xia

（College of Information Engineering， Yangzhou University， Yangzhou 225009， China）

Abstract： Drawing quantum reversible logic circuits are very complicated at present. The existing automatic drawing tools meet the needs of the basic drawing， but it can only draw the low-resolution bitmaps. But these kinds of bitmaps are difficult to meet the requirements of high-definition images when the paper was published. Therefore， further development of the Visios drawing function is achieved by using C#， the description files of quantum circuits--TFC files are parsed， the parameters of many user-defined formats for circuits are read by c#， then the required quantum gates are drawn in turn， finally the high-definition vector graphs meeting the requirements are drew automatically. The operation of quantum reversible logic circuits is for a specific signal， so the truth table can verify whether the circuit has to meet the requirements set in advance. It also provides a truth table of the quantum circuit for users to view and analyze the result of quantum circuits.

Key words： quantum circuit； bitmaps； quantum gates； TFC file； Visio secondary development； truth table

量子邏輯門的組合與級聯(lián)是組成量子計算機的基本元素，科研人員做了大量的工作來研究構造代價最小的量子電路[1-3]。但是量子電路的繪制一直是一項繁瑣的工作，如果動手繪制，工作效率低下；如果使用現(xiàn)有的繪圖工具，只能得到清晰度不高的點陣圖，不能夠滿足科研人員撰寫論文的需要。

Microsoft Office Visio[4]是一款功能強大的矢量圖繪圖與建模工具。它能夠提供多樣的模板和形狀，使用戶能以拖拽的方式繪制流程圖和類圖等圖形。Visio繪制出來的圖也可以直接進行拖拽修改，而且清晰度高、圖像質量好，能滿足各期刊發(fā)表論文的要求。由于Visio提供了編程接口，因此我們可以使用C#編程語言調(diào)用這些接口對Visio進行二次開發(fā)[5]，將復雜的繪圖工作交給計算機自動實現(xiàn)。

1 基本概念

1.1 量子電路可逆邏輯綜合

量子電路可逆邏輯綜合，主要是研究在給定量子門及給定量子電路的約束條件及限制下，生成代價最小的量子可逆邏輯電路，以及它的可逆邏輯綜合理論和電路生成方法。它包含合成和優(yōu)化兩個方面，現(xiàn)在很多方法是將合成與優(yōu)化這兩個過程同時進行，在不改變可逆電路函數(shù)功能的條件下，對電路進行重組、替換，來減少電路邏輯門數(shù)量，從而降低量子可逆電路的代價。當然，如果使用不同的實現(xiàn)技術，通常量子可逆門的代價是不相同的。為此人們提出了若干可逆邏輯電路綜合的算法，如窮舉法[6-8]、基于代數(shù)的方法、基于模板的方法、基于真值表的方法等。這些方法各有優(yōu)缺點，但不管專家們用何方法生成了最優(yōu)量子電路，最終需要將生成的量子電路圖繪制出來，方便檢查、核對、展現(xiàn)。本文則根據(jù)專家們生成的最優(yōu)量子電路的TFC文件，完成量子電路圖的繪圖功能。

1.2 量子邏輯門

在經(jīng)典計算機中，二進制信息以比特（bit）形式存儲，物理上可以是在晶體管電子電路中的電壓信號；數(shù)學上可以是布爾值或者變量。但在量子計算領域中，這樣的二進制信息均以量子狀態(tài)形式存儲，比如光子的偏振和圍繞單個原子核電子的兩種狀態(tài)（基態(tài)/激發(fā)態(tài)）或者均勻電磁場中的電子/原子核的自旋（向上/向下）等。不同于經(jīng)典比特，量子比特能夠以其經(jīng)典比特的疊加態(tài)的形式存在。量子門的操作可以用代表量子門的矩陣與代表量子比特狀態(tài)的向量相乘來表示。

量子邏輯門是處理量子信息的基本單元，其級聯(lián)構成可逆的量子電路。量子計算中，一個量子邏輯門對應一個幺正變換。量子門常使用矩陣表示，例如操作K個量子比特門可以表示成2k * 2k的酉矩陣[9]。一個量子電路的輸入與輸出數(shù)量必須相等。根據(jù)量子輸入輸出的個數(shù)，邏輯門可分為單量子比特門[10]與多量子比特門。

1）非門（NOT門）

如圖1所示。非門為單量子門，即一個輸入與一個輸出。輸入的a經(jīng)過非門之后則輸出a的相反狀態(tài)。

此類單量子門很多，如：Hadamard門、Pauli-X門、Pauli-Y門等都是單量子門。多比特量子系統(tǒng)則是單比特系統(tǒng)的推廣，量子力學的基本原理指出單獨的狀態(tài)向量可以通過張量積形式和其他狀態(tài)向量結合起來。

2）控制V門

控制V門如圖2所示，兩個輸入與兩個輸出則為2比特量子門。a為控制端，b為受控端。當控制信號a=0時，則b的輸出不變，即Q=b。當控制信號a=1時，則輸出為[V=i+12 1-i -i 1]，是b的幺正操作，即Q=V（b）。

3）量子異或門

即控制非門（CNOT門），它和經(jīng)典異或門非常類似。如圖3所示，它有2個輸入比特，a表示控制比特，b表示受控條件反轉比特。當控制比特等于1，即在上能級時，受控比特狀態(tài)發(fā)生反轉，否則保持不變。

4）Toffoli量子門

Toffoli是CNOT門的受控行為的推廣，是一個具有兩個控制量子比特、一個目標量子比特的常用量子門。不同于CNOT門，Toffoli門目標量子比特只有在兩個控制量子比特都置為“1”時才翻轉，即實現(xiàn)變換[A，B；C→A，B；AB⊕C]。如圖4所示。

5）控制交換門

如圖5所示，即Fredkin門。當C=0時，a與b的輸出保持不變，當C =1時，a與b的值交換。

2 Visio編程接口的各種函數(shù)的功能與調(diào)用方法

為了實現(xiàn)軟件的畫圖功能，需要引用各類命名空間來配置系統(tǒng)。其中一些特殊的命名空間所包含的功能對實現(xiàn)程序功能起著重要作用。

程序需要用到Visio命名空間，在這個命名空間里包含了所有畫圖所需要的方法。比如DrawOval方法，這個方法可以畫出一個圓，一共四個參數(shù)，前面兩個參數(shù)為坐標，后面兩個參數(shù)為高度和寬度。除此之外，我們還用到了其他的方法讓程序更適合用戶使用。

在使用Visio的時候，如果打開了Visio軟件窗口，在自動完成繪圖的情況下，窗口難免顯得多余，所以調(diào)用了InvisibleAppClass方法，創(chuàng)建一個不可見的應用程序，也就是在不打開Visio窗口的情況下打開Visio軟件，并控制程序的環(huán)境。讓畫圖過程在后臺完成，保證了程序界面的簡潔。

在程序中，使用了Document方法[11-12]。Document表示一個繪圖、模具或模板文件。在打開Visio文檔或創(chuàng)建新文檔時，都會創(chuàng)建一個新的Document對象，并將其添加到Application對象的Documents集合中。在繪制圖像的時候，使用Page 對象表示前景或背景的繪圖區(qū)域，也就是當前繪制電路圖的繪圖區(qū)域。利用Shape創(chuàng)建一個圖形對象，這個對象可以接收畫出的線條或者圖形，并通過調(diào)用相應方法對這個對象進行一定的調(diào)整。然后再利用DrawOval、DrawRect等方法畫出需要的圖形。在圖像中所需要的文字信息的字體和大小，分別用void set_CharProps和Cell get_CellsSRC方法來設置。

3 量子電路描述的TFC文件格式

TFC文件是一種包含量子電路信息的文件。它為量子電路提供了一種統(tǒng)一的、格式化的文件存儲方式，方便我們快速地讀取、識別并畫出量子電路圖。

TFC文件主要可以分為兩個部分。第一部分為前四行，主要描述了電路的基本信息。第一行.v給出所繪制的電路圖的行數(shù)；第二行.i給出輸入端（即Input）；第三行.o給出輸出端（即Output）；第四行.c給出剩余電路的標號。第二部分在BEGIN和END之間為需要繪制的量子邏輯門，量子邏輯門的每一行先給出所要畫的門的種類，再給出其控制端和受控端信號。

如圖6所示為TFC文件內(nèi)容格式，第一行.v包含a，b，c，d，表示這個電路一共有a，b，c，d四行；第二行.i包含a，b，c，表示信號由a，b，c這三個端口輸入；第三行.o包含d，表示信號由d端輸出；剩余的電路信息則為0。緊接著BEGIN和END之間則是畫出完整電路圖的內(nèi)容格式。下一節(jié)具體介紹門電路的繪制。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 TFC文件的算法

程序在識別TFC文件時，以行為單位進行逐行讀取。當讀完TFC文件的第一部分時繪制出電路的基本框架，當讀到BEGIN時則開始正式畫門及電路。以行為單位，每一行的開頭如T1，f3，V，p3等均表示量子門的門類型，程序通過量子門名稱的匹配判斷分別調(diào)用相應電子門繪制函數(shù)，其后的端口信息則作為參數(shù)傳遞給所調(diào)用的繪制函數(shù)，畫出相應的門電路。

本軟件所能識別的量子邏輯門種類包括T門、F門、H門、V門、V+門、P3門、S門、T門以及T+門。T類門可識別T1～T21這21種門，對應的端口個數(shù)分別為1～21。F類門可識別F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5四種門，對應的端口個數(shù)分別2個，3個，4個和5個。H門、S門、T門、T+門對應的端口個數(shù)均為1個。V門、V+門的端口個數(shù)為2個。P3門端口個數(shù)為3個。

4.2 調(diào)用Visio接口函數(shù)繪制電路圖的算法

同一類型的量子門為一個類（如所有以通用Toffoli門的形式畫出的量子門為一個類），在類里面實現(xiàn)一個量子門的繪制。在正式介紹各類門畫法之前要設置繪制量子門時的參數(shù)變量，如控制點半徑，受控點半徑，行間距，門間距，換行基數(shù)，這些變量都可以自行設置來調(diào)整電路圖的美觀。

程序在匹配并調(diào)用相應的量子門繪制函數(shù)后，若控制端和受控端的個數(shù)與已匹配的量子門所應有的個數(shù)不符，則出錯。上述TFC文件將如何調(diào)用量子門函數(shù)：首先，程序識別到.v a b c d時，確定整個電路的行數(shù)，接著確定電路的輸入與輸出標識并畫出，如圖7的a，b，c等；再判斷BEGIN后面一共幾個函數(shù)（即一共幾個門），用門數(shù)確定整個電路橫線的長度并畫出；接著依次調(diào)用門函數(shù)畫出量子電路門。得到的量子電路圖如圖7所示。接下來介紹程序如何依次調(diào)用門函數(shù)畫出所需的量子電路圖。

1）通用Toffoli門

繪圖過程中，若將繪制的門在電路圖中為第一個門（如圖7第一個門）則規(guī)定它在縱向上為第一個位置，橫向由控制端與受控端決定。

當通用Toffoli類門只含一個參數(shù)時，如T1（a），則被認定為受控端，即一個非門。

如圖7中，第一個門調(diào)用函數(shù)為T2（b，d），即控制非門。在圖中，b點為控制點，d點為受控點。通用Toffoli類規(guī)定最后一個參數(shù)對應的是受控制端，其他均為控制端。

圖7中，第二個門調(diào)用函數(shù)為T3 （a，c，b），此通用Toffoli門為電路的第二個門，從開始位置將縱軸將向后移一個門的位置開始繪制。前面兩個參數(shù)a， c對應的是控制端，其中a表示一個空心圓的控制端，即表示非，c用實心圓表示（注：此文章中所有帶單引號的參數(shù)都表示空心圓）；b則對應受控制端，受控制端則用一個帶“十”字的圓來表示。然后比較三個參數(shù)的大小，確定一個最大值和一個最小值，此處最小值為a，最大值為c。在a和c所代表的兩條水平線上畫一條豎線，從而形成一個Toffoli量子門。當參數(shù)變多時，繪圖的過程也是如此。

由上述可知，帶三個參數(shù)的Toffoli量子門相應的函數(shù)見算法1：

[算法1 類通用Toffoli量子門圖形的繪制函數(shù)Toffoli（c1，c2，c3）＼&輸入：控制端c1，c2和受控端c3

輸出：Toffoli門

1. MAX=max（c1，c2，c3） //取c1，c2，c3的最高點

2. MIN=min（c1，c2，c3） //取c1，c2，c3的最低點

3. Drawline（MIN，MAX）//最高點最低點之間畫一條豎線

4. DrawControlCircle（c1）//畫控制端c1

5. DrawControlCircle（c2）//畫控制端c2

6.. CrossCircle（c3）//畫受控端c3＼&]

2）Fredkin門

如圖7所示，F(xiàn)redkin門為電路的第三個門，從開始位置將縱軸將向后移二個門的位置開始繪Fredkin門。Fredkin門至少有三個參數(shù)。當Fredkin門有三個參數(shù)或多個參數(shù)時，最后兩個參數(shù)均為受控制端，前面剩余的參數(shù)作為控制端，可有多個控制端。此時受控制端用一個“X”形表示。

圖7中，第三個門調(diào)用函數(shù)為f3（b，c，d），此時控制端為b，受控端為c和d。然后比較三個參數(shù)的大小，同理通用Toffoli門。從而畫出一個Fredkin門。當參數(shù)變多時，繪圖的過程也是如此。三個參數(shù)的Fredkin門相應的函數(shù)見算法2。

3）控制V門

如圖7，控制V門為電路的第四個門，從開始位置將縱軸將向后移三個門的位置開始繪V門。V門只有兩個參數(shù)，第一個參數(shù)代表控制端，第二個參數(shù)代表受控制端，受控端用帶“V”的矩形框表示?？刂芕+量子門同樣只有兩個參數(shù)，與控制V門不同的是，用帶“V+”的矩形框表示受控制端。

[算法2 類Fredkin量子門圖形的繪制函數(shù)Fredkin（c1，c2，c3）＼&輸入：控制端c1和受控端c2，c3

輸出：Fredkin門

1. MAX=max（c1，c2，c3） //取c1，c2，c3的最高點

2. MIN=min（c1，c2，c3） //取c1，c2，c3的最低點

3. Drawline（MIN，MAX） //最高點最低點之間畫一條豎線

4. DrawControlCircle（c1）//畫控制端c1

5. Cross（c2）//畫受控端c2

6. Cross（c3）//畫受控端c3＼&]

圖7中，第四個門調(diào)用函數(shù)為v（b，a），此時b表示控制端，a表示受控端。然后比較兩個參數(shù)的大小，同理通用Toffoli門，則畫出一個控制V門。對應的函數(shù)見算法3：

[算法3 類控制V量子門圖形的繪制函數(shù)V（c1，c2）＼&輸入：控制端c1和受控端c2

輸出：V門

1. DrawRectangle（c2）//在c2處畫矩形

2.Shape1.Text=”V”//給矩形標注”V”

3. Drawline（c1，c2）//在c1，c2之間畫豎線

4.DrawControlCircle（c1）//畫控制端c1＼&]

5 真值表生成算法

因為可逆邏輯量子電路的操作是為了得到特定的信號，所以真值表的計算可以驗證這個電路是否已經(jīng)達到事先設置的要求。關于生成真值表，只闡述通用Toffoli類門生成真值表。本軟件對其他類型門的生成真值表暫時不支持。

量子電路的傳輸信號可以分為兩類：0和1。通用Toffoli類門的傳輸信號由控制端和受控制端提供。所以求真值表的過程，實際上就是對數(shù)字信號進行組合，直到輸出符合的信號為止。

控制端可分為實心圓和空心圓，空心圓表示若接受的控制信號為“1”，則將控制信號轉換為“0”；若接收的控制信號為“0”，則將控制信號轉換為“1”。實心圓表示接受的控制信號為“1”，控制信號就為“1”；接收的控制信號為“0”，控制信號就為“0”。在計算真值表的時候，輸入端輸入的信號種類按照2n來計算，即如果輸入端有2個輸入信號，則輸入的信號有22=4種，以此類推。

圖7所示電路中第一個門，控制端是實心圓，所以當b接收的控制信號為“1”時，則d信號輸出翻轉。當b接收的信號為“0”時，d信號輸出則不變。圖7電路中第一個門的真值表為表1所示。

如果出現(xiàn)空心的控制端和實心的控制端同時出現(xiàn)的情況，則受控端的信號同時受兩種控制端控制。受控制端信號置反的條件是：實心控制端接收“1”信號，空心控制端接收“0”信號，即為兩種控制端分別接受相匹配的信號。如圖7中第二個門的真值表如表2所示。

程序中，得到2n個信號種類之后，將0到2n依次轉化為2進制，再將2進制信號與控制端激發(fā)信號匹配，如果所有控制端的信號都能夠匹配，則改變受控制端的信號。如果不能完全匹配，則不改變信號。

6 結束語

本軟件采用C#語言編寫，是為將來能夠更好的移植到web平臺做準備。用戶已經(jīng)可以利用本軟件得到自定義的高清電路圖，滿足他們畫圖需求。接下來我們會把這款軟件移植到web平臺，并建立數(shù)據(jù)庫。這樣不僅能夠畫出用戶需要的圖像，還能對已經(jīng)繪出的圖像進行分析，將不同的電路圖進行對比，計算出它們的垃圾輸出與量子代價等信息，并與歷史最優(yōu)結果進行比較，得出這些電路的各種統(tǒng)計報表，為優(yōu)化量子電路的綜合算法提供參考數(shù)據(jù)，更好地為量子電路的研究人員提供畫圖和對比服務。

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