【代码贡献】修复 QUBO/Grover 结果寄存器缺少符号位的问题

[youshen2025]

【代码贡献】修复 QUBO/Grover 结果寄存器缺少符号位的问题

队伍 youshen，关联 #13，目标 develop。

问题

QuadraticBinary.query_qnumber() 对正数上界按无符号整数计算位数，但
QUBO_GAS_origin 使用结果寄存器最高位判断负数。旧实现对 Q(x)=x 返回一个
结果比特：CPU 实际将 Q(1)=1 编码成 1，按补码解释却是 -1。
Q(x)=4x 的结果比特数为 3，正数 4 同样被解释为 -4；相应 oracle 错误标记正值。
全零系数输入返回零个结果比特，无法供 oracle 访问最高位。

NumPy 整数输入还可能在边界计算中溢出：np.int64(-2**63) 的绝对值溢出，
会被分配 1 位而非 64 位；8 个 np.int64(2**61) 相加会绕回零。即使不溢出，
ceil(np.int64(...)) 的浮点转换也可能在整数边界多分配一位。

修复与原理

继续使用现有的正/负系数和作为保守上下界 U/L，不改变多项式建模或查询接口。
m 位补码的可表示范围为 [-2^(m-1), 2^(m-1)-1]，因此需要同时容纳两侧边界：

• 正侧位数：ceil(U).bit_length() + 1，包含符号位。
• 负侧位数：(max(1, ceil(abs(L))) - 1).bit_length() + 1，允许 -2 的幂落在负边界。
• 取两侧较大值；全零问题自然保留一个结果比特。

求和前将 NumPy 整数转换为 Python 整数，避免定长累加与绝对值溢出；整数
边界保持精确。使用 bit_length 避免浮点 log2 在大整数/2 的幂附近的舍入错误。
分数边界向外取整数包络，只影响分配；不宣称有限位数能精确编码任意小数。
上界来自各系数符号，是安全但可能不紧的界，不增加指数规模的经典枚举。

仅改 QUBO 的该位数方法及其文档，并替换原来复制实现公式的测试。没有修改
QUBO 二进制幂规范化、QAOA 默认层数、Grover 迭代策略或应用项目。

验证

40 项聚焦测试包含：

• 全零、正负整数、2 的幂及相邻边界；常数、对角项、非对称交叉系数。
• 对每个小整数实例的所有输入，真实 CPU 执行算术线路，核验目标补码态概率为 1。
• 对多种阈值与正/负/零问题，在输入叠加态上运行真实 GAS 符号 oracle，
  比较完整复数振幅与经典条件 Q(x) < threshold，同时核验辅助寄存器回到零态。
• 分数区间与 2^53 附近的位数边界只检查分配，不运行 54/55 比特模拟。
• int32/int64/uint64 的求和、最小负值、矩阵及常数边界；只检查分配，
  并将 NumPy 溢出警告提升为异常，确保问题没有被静默掩盖。
• 原有文档小数例子的结果位数仍为 3。

原先 32 项修复前 17 失败、15 通过；追加的 8 项 NumPy 整数回归修复前
全部失败。最终 Python 3.12.3 完整测试 57 通过，11.53 s（替换原 1 项为
40 项）；Python 3.11.16 / 3.13.11 的 40 项聚焦回归均通过（1.18 / 1.15 s）。
新测试 Ruff lint/format、项目虚拟环境依赖检查及 CRLF 感知 Git diff 检查通过。
3.11 保留上游文档字符串转义弃用警告。以上为本地验证，尚无本 PR 的远程 CI 结果。

环境：PyQPanda3 0.4.1；3.12/3.13 的 NumPy 2.5.3、SciPy 1.18.1，
3.11 的 NumPy 2.4.6、SciPy 1.17.1。无硬件、API Key、全局 pip 安装或模拟器 mock。
在已安装项目及 pytest/pytest-timeout/allure-pytest 的项目 .venv 中运行：

OMP_NUM_THREADS=1 OPENBLAS_NUM_THREADS=1 .venv/bin/python -m pytest -c test/pytest.ini -o addopts='' test/QAlgBase/Test_QUBO_query_qnumber.py --timeout=60 -q
OMP_NUM_THREADS=1 OPENBLAS_NUM_THREADS=1 .venv/bin/python -m pytest -c test/pytest.ini -o addopts='' test --timeout=60 -q

兼容性与查重

受影响输入会按正确的补码边界分配结果比特；溢出案例可能有较大的位数纠正。调用者应使用
返回的大小分配寄存器。很大的整数只验证了位数计算，不代表能够模拟相应量子规模。
浮点表示、分数相位编码精度及输入校验的一般限制不在本次修复范围内。

2026-09-22 检索 query_qnumber / QUBO sign / QUBO 补码，并阅读 #69 和 #45 的
实际 diff；二者分别修复多项式规范化和默认 QAOA 层数，没有覆盖结果符号位。
本分支直接从官方 develop 5f973ef 创建，仅包含两个现有文件的改动。

附加集成验证：独立本地 checkout 合并应用 #92 与 #95/#96/#97/#98 的当前
修复后，Python 3.11 / 3.12 / 3.13 各 242 项测试全部通过（26.28 / 29.41 /
25.09 s），应用覆盖率均为 98.92%。其他 PR 的改动没有加入本分支；这些是
本地兼容性证据，不代替上游审核或 CI。

合并交互检查：另在本地合并第三方开放 #45（f829357）、#69（6f0fcb2）、
#36（e1992fb），均自动合并无冲突；Python 3.12 的 264 项测试通过（37.15 s），
应用覆盖率 98.92%。该记录仅覆盖这些提交的本地兼容性；他人的代码不进入本 PR。