确定态能的方法技术

提供了一种用于使用量子计算机确定物理系统的能级的方法，其中所述物理系统的所述能级通过对多个被加数求和来描述。所述方法包括执行能量估计例程，所述能量估计例程包括使用量子门布置准备拟设试验态，其中所述拟设试验态具有取决于试验态变量的试验态能；以及分别估计每个被加数的期望值。所述估计包括基于所述量子门布置构建初始量子电路以对所述拟设试验态进行操作，并且进一步包括在迭代过程中多次执行被加数期望值确定子例程。所述能量估计例程进一步包括对每个被加数的期望值估计求和以确定对所述试验态能的估计。所述方法进一步包括通过将优化程序应用于所述能量估计例程来确定所述物理系统的所述能级，其中所述优化程序包括迭代地更新所述试验态变量并且多次执行所述能量估计例程，以确定针对多个不同拟设试验态中的每个拟设试验态的相应试验态能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】确定态能的方法
本公开涉及量子计算，并且具体涉及使用量子计算机确定物理系统的能级的方法。
技术介绍
在许多
中，能够确定如分子或原子等物理系统的可能能态是极其有用的。确定在系统被扰动时能量可能如何变化允许得到许多分子性质。例如，通过对许多原子核几何的电子薛定谔方程求解，可能构造分子系统的势能面(PES)。对PES的了解非常重要，尤其是在化学领域，因为其允许科学家确定反应速率等。获得关于物理系统的能态的信息的许多当前方法都依赖于经典计算机，所述经典计算机使用复杂的算法来模拟物理系统。然而，此类方法需要大量的计算资源和时间。相比于可能在经典计算机上模拟系统，可能在量子计算机上模拟系统更高效，并且在使用各种架构的量子计算机的实验开发方面已经取得了进展。现在，基于捕获的离子和超导系统的设备已经超过了容错量子计算的阈值，这意味着现在已经展示了扩展到大规模容错量子计算所需的关键结构单元。为了了解现有方法的缺点，考虑量子计算的现有技术的当前态，并且特别是考虑当今的量子计算机可以提供的相干时间T和最大电路深度D是非常有用的。最大量子电路深度D直接涉及量子计算机T的相干时间。可以将算法的所需电路深度视为量化要计算的问题的难度的因数。对于可以并行执行量子电路门的计算，电路的深度是电路的输入与输出之间的最大路径长度。在量子计算机的上下文中，相干时间描述了环境如何影响量子位系统。较长的相干时间表明量子态可以在较长的时间段内保持稳定，这意味着可以支持深度不断增加的量子电路，并且因此意味着可以执行更复杂的量子计算。如果计算所需的电路深度太长而无法由量子计算机的相干时间支持，则量子计算机无法执行特定计算。已经存在一些至少在理论上可以在量子计算机上执行以确定物理系统的能级的已知方法。已知方法包含变分量子本征求解器(VQE)方法和量子相位估计(QPE)方法。然而，这些已知方法具有一些缺点。可以使用VQE来估计物理系统到指定准确度的能级，条件是已知系统的哈密顿量(Hamiltonian)。要执行VQE，量子计算机仅需要支持D＝O(1)的电路深度。然而，要使用VQE找到物理系统到指定准确度∈的态能，量子计算机必须执行量子电路的N＝O(1/∈2)迭代。换言之，在VQE体制下，所需电路深度和所需相干时间相对较小。这意味着当今的量子计算机可以开始使用VQE探索物理系统。但是，有用估计所需的迭代数，即适度准确的迭代数过大。因此，VQE方法仅具有有限的应用，并且可以确定的结果要花费很长的时间才能获取和处理。相反，要在量子计算机上使用量子相位估计(QPE)找到哈密顿量到指定准确度∈的基态能，量子计算机必须执行量子电路的N＝O(log(1/∈)迭代，并且需要支持D＝O(1/∈)的电路深度。因此，相比于VQE，QPE需要减少数量的迭代，从而使计算潜在地更快。然而，需要更长的最大电路深度。如此，需要具有非常大的相干时间的量子计算机。实际上，对准确度的要求意味着当前的量子计算机和可以在可预见的未来构建的量子计算机简单地无法提供将允许执行QPE的相干时间。本专利技术试图通过提供一种使用量子计算机确定物理系统的能级的改进方法来解决已知方法的这些和其它缺点。
技术实现思路
根据一方面，提供了一种用于使用量子计算机确定物理系统的能级的方法。所述物理系统的所述能级可以通过对多个此类被加数求和来描述。所述方法包括执行能量估计例程。所述能量估计例程包括使用量子门布置准备拟设(ansatz)试验态，所述拟设试验态具有取决于试验态变量的试验态能。所述能量估计例程还包括分别估计每个被加数的期望值，所述估计包括基于所述量子门布置构建初始量子电路以对所述拟设试验态进行操作，以及在迭代过程中多次执行被加数期望值确定子例程。所述能量估计例程进一步包括对每个被加数的期望值估计求和以确定对所述试验态能的估计。所述方法进一步包括通过对所述能量估计例程应用优化程序来确定所述物理系统的所述能级，所述优化程序包括迭代地更新所述试验态变量以及多次执行所述能量估计例程，以确定针对多个不同拟设试验态中的每个拟设试验态的相应试验态能。所述被加数期望值确定子例程中的每次迭代可以包括构建新量子电路以及对所述拟设试验态操作所述新构建的量子电路，以获得与对所述被加数期望值的估计相关联的测量值。所述被加数期望值确定子例程的每次迭代中的所述新量子电路可以基于所述获得的测量值构建。任选地，所述量子计算机具有相关联的相干时间T，并且所述被加数期望值确定子例程的每次迭代中的所述新量子电路基于所述相干时间构建。以此方式在所述被加数期望值确定子例程内构建新量子电路与现有标准VQE被加数期望值确定子例程形成鲜明对比，其中同一量子电路多次对试验态进行操作。以此方式，尤其在基于可用相干时间构建电路中，构建新量子电路意味着所述可用相干时间可以如本文进一步详细讨论的被最大化利用。所述被加数期望值估计子例程的每次迭代进一步可以包括基于所述测量值生成分布，并且所述迭代过程可以包括基于先前迭代的所述分布的均值和标准偏差随着每次迭代更新所述分布。这可以包括丢弃先前的分布并且随着每次迭代产生新的分布。估计每个被加数的所述期望值可以包括确定在所述被加数期望值确定子例程的最终迭代期间产生的所述分布的均值，所述子例程被执行预定次数。以此方式随着每次迭代迭代地更新分布意味着所述被加数期望值可以利用减少的迭代数被估计到给定准确度。再次，出于多种原因，这与标准VQE形成对比。在标准VQE方法中，并非基于先前迭代的分布的均值和标准偏差随着每次迭代更新分布，而是使用统计采样方法利用测量成果更新单个分布。任选地，所述被加数期望值确定子例程包括：对所述试验态操作所述量子电路以获得值μ，所述值与对所述被加数的所述期望值的估计相关联；确定σ与与对所述期望值的估计相关联的值相关联的误差；以及基于所述所确定误差σ和μ的当前值中的至少一个构建新量子电路。任选地，所述物理系统的所述能级被确定到所需准确度∈，并且所述被加数期望值子例程的每次迭代中的所述新量子电路基于所需准确度∈构建。任选地，所述被加数期望值子例程的每次迭代中的所述新量子电路在取决于T和∈的复杂度下构建，T为与所述量子计算机相关联的相干时间，并且所述新量子电路的所述复杂度对T和∈的依赖性由α给出，其中：在所述被加数期望值确定子例程中丢弃量子电路并且产生新量子电路的能力意味着充分利用了可用资源，每个新产生的电路的复杂度基于所述估计中的所述可用相干时间和所述所需准确度。作为迭代过程的一部分，尤其是当所述新量子电路基于通过对所述试验态操作先前量子电路而确定的参数时，丢弃与先前迭代相关联的量子电路并且产生新量子电路与标准VQE方法的领域中的当前研究方向完全不一致。尤其是，如本文更详细地讨论的，通过考虑可用相干时间产生新量子电路允许利用可用资源。考虑所设想的进一步开发具有更长相干时间的量子计算机尤为重要。任选地，所述能级被确定到所需准确度∈，并且所述被加数期望值确定子例程被重复N次，其中N取决于∈。任选地，所述被加数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于使用量子计算机确定物理系统的能级的方法，所述物理系统的所述能级通过对多个被加数求和来描述；所述方法包括执行能量估计例程，所述能量估计例程包括：/n使用量子门布置准备拟设试验态，所述拟设试验态具有取决于试验态变量的试验态能；/n分别估计每个被加数的期望值，所述估计包括基于所述量子门布置构建初始量子电路以对所述拟设试验态进行操作，以及在迭代过程中多次执行被加数期望值确定子例程；/n所述能量估计例程进一步包括对每个被加数的期望值估计求和以确定对所述试验态能的估计；/n所述方法进一步包括通过对所述能量估计例程应用优化程序来确定所述物理系统的所述能级，所述优化程序包括迭代地更新所述试验态变量以及多次执行所述能量估计例程，以确定针对多个不同拟设试验态中的每个拟设试验态的相应试验态能。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180130 GB 1801517.21.一种用于使用量子计算机确定物理系统的能级的方法，所述物理系统的所述能级通过对多个被加数求和来描述；所述方法包括执行能量估计例程，所述能量估计例程包括：
使用量子门布置准备拟设试验态，所述拟设试验态具有取决于试验态变量的试验态能；
分别估计每个被加数的期望值，所述估计包括基于所述量子门布置构建初始量子电路以对所述拟设试验态进行操作，以及在迭代过程中多次执行被加数期望值确定子例程；
所述能量估计例程进一步包括对每个被加数的期望值估计求和以确定对所述试验态能的估计；
所述方法进一步包括通过对所述能量估计例程应用优化程序来确定所述物理系统的所述能级，所述优化程序包括迭代地更新所述试验态变量以及多次执行所述能量估计例程，以确定针对多个不同拟设试验态中的每个拟设试验态的相应试验态能。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述被加数期望值确定子例程的每次迭代包括构建新量子电路。


3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括对所述拟设试验态操作新构建的量子电路，以获得与对所述被加数期望值的估计相关联的测量值。


4.根据权利要求3所述的方法，其中所述被加数期望值确定子例程的每次迭代中的所述新量子电路基于获得的测量值构建。


5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中所述量子计算机具有相关联的相干时间T，并且所述被加数期望值确定子例程的每次迭代中的所述新量子电路基于所述相干时间构建。


6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中所述被加数期望值估计子例程的每次迭代进一步包括基于所述测量值生成分布，并且所述迭代过程包括基于先前迭代的所述分布的均值和标准偏差随着每次迭代更新所述分布。


7.根据权利要求6所述的方法，其中估计每个被加数的所述期望值包括确定在所述被加数期望值确定子例程的最终迭代期间产生的所述分布的所述均值，所述子例程被执行预定次数。


8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述被加数期望值确定子例程包括：
对所述试验态操作所述量子电路以获得值μ，所述值与对所述被加数的所述期望值的所述估...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬·布赖尔利，奥斯卡·希戈特，王道晨，
申请(专利权)人：河道研究有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB