当前量子计算和量子计算机技术研究虽已取得长足进展,但具有应用价值的量子计算设备的诞生仍面临诸多问题。量子芯片是未来量子计算系统的一个有力候选。在当前的科学与技术条件下,量子芯片面临的情况是:在有噪声(条件下建立具有一定规模的小型片上量子计算设备。上述条件一般可归纳为“有噪中规模量子条件（Noisy Intermediate-Scale Quantum,NISQ）”。为有噪中规模量子条件建立合理的体系结构、控制流程以及设计可有效运行的量子算法是一个严峻的挑战,当前已受到了工业界和学术界的高度关注。鉴于目前量子计算机的退相干和噪声问题,生成短深度电路的算法对于减少量子计算机的计算误差至关重要。量子电路合成是一种高效推导算法等效电路的方法,它允许同一个量子程序运行在不同的量子计算设备之上,同时量子程序的开发人员只需要关注算法设计本身,而不需要考虑底层硬件细节,保持了如同经典计算机一样的硬件透明性。本文提出了一种基于模拟退火的算法,用于将任意酉变换编译成量子计算芯片量子门集内指定的通用量子门序列。该算法基于经验搜索理论与技术,在对合成量子电路问题形式化后,进行解空间搜索并同时根据成本函数进行优化（梯度下降）,最终经多次迭代得到高质量的输出电路。文中详细讨论了量子电路合成问题的搜索策略和成本函数,并用多种技术扩展解的边界,以达到在多项式时间复杂度内输出趋近最优解的结果。本文提供了一个良好的拓扑感知编译算法的实际演示,主要考虑了量子行走算法在光量子芯片上的实现,具体展示了通过本文所提算法将酉变换定位到不同功能的量子计算芯片电路上的方法与途径。本文还对量子行走的分布、收敛性等问题进行了深入研究。本文建立了离散量子行走的量子中心极限定理（Quantum Central Limit Theorem,QCLT）,研究了开放量子行走在退相干以后的分布特征,并基于QCLT研究了开放量子行走在标准和退相干情况下的位置概率分布的统计假设检验。在该理论系下,面对实际的开放量子行走不完美的概率分布结果,便可以通过统计学方式得到可靠的假设检验分析结果。本文还考虑将量子行走算法应用于量子电路的合成算法中,对量子芯片的量子行走对进行了研究和模拟。为了验证本文所提的主要理论和算法的效果,在当前技术不支持在实际的量子平台上进行实验的客观条件下,本文研究了2个典型的“云量子计算平台”,并模拟了在其上运行的量子电路合成的结果。实验结果表明,与其它技术相比,本文所提的算法在电路深度和运行时间上取得了一个良好的平衡,并且可以动态权衡两者之间的平衡。对于拓扑结构受限的量子计算设备,实验表明合成的电路深度只有适度增加且在某些情况下本文算法得到的电路更优,这表明所提算法可以很好地处理受到限拓扑结构。同时,本文的算法针对不同量子计算芯片的拓扑结构和量子门集,可以获得质量相似的结果。本文所做的基于量子芯片体系结构和运行于量子芯片的通用量子算法的量子电路合成研究可以有效地为量子计算芯片的设计提供更多理论和技术参考,并可为量子芯片微结构、量子程序设计语言以及量子编译工具链提供良好的理论与技术基础。