具有中间再优化以求解量子计算中的困难变分量子问题的绝热进展制造技术

一种用于执行对应于变分问题的量子电路的混合经典量子计算设备被配置。该配置进一步包括使混合经典量子计算设备通过执行绝热进展操作来执行量子电路，其中绝热进展操作包括将变分问题的难度从问题的简化版本增加到变分问题。分问题。分问题。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有中间再优化以求解量子计算中的困难变分量子问题的绝热进展
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2019年4月9日提交的标题为“Adiabatic Progression with Intermediate Re
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Optimization to Solve Hard Variational Quantum Problems in Quantum Computing”的美国临时申请序列号62831418的优先权，该申请通过引用整体并入本文。本申请还要求美国申请号16/427043和美国申请号16/427080的优先权。


[0003]本专利技术通常涉及用于运行量子计算数据处理环境以求解某些类型的问题的方法、系统以及计算机程序产品。更具体地，本专利技术涉及用于具有中间再优化以求解量子计算中的困难变分量子问题的绝热进展的方法、系统和计算机程序产品。

技术介绍

[0004]在下文中，除非在使用时明确区分，否则短语的词中的“Q”前缀指示在量子计算上下文中引用该词或短语。
[0005]分子和亚原子粒子遵循量子力学定律，量子力学是探索物理世界如何在最基本的水平上工作的物理学分支。在这个水平，粒子以奇怪的方式表现，同时呈现多于一个状态，并且与非常远的其他粒子相互作用。量子计算利用这些量子现象来处理信息。
[0006]我们今天使用的计算机被称为经典计算机(在此也被称为“传统”计算机或传统节点，或“CN”)。在所谓的冯诺依曼架构中，传统计算机使用利用半导体材料和技术制造的传统处理器、半导体存储器、以及磁性或固态存储设备。具体地，传统计算机中的处理器是二进制处理器，即，对以1和0表示的二进制数据进行操作。
[0007]量子处理器(q
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处理器)使用纠缠的量子位器件(在此紧凑地称为“量子位”、多个“量子位”)的奇数性质来执行计算任务。在量子力学运行的具体领域中，物质粒子能以多种状态存在，诸如“开”状态、“关”状态以及同时“开”和“关”状态二者。在使用半导体处理器的二进制计算被限制为仅使用开和关状态(在二进制代码中相当于1和0)的情况下，量子处理器利用这些物质的量子状态来输出在数据计算中可用的信号。
[0008]传统计算机以位编码信息。每个位可以取1或0的值。这些1和0用作最终驱动计算机功能的开/关开关。另一方面，量子计算机是基于量子位的，这些量子位根据量子物理学的两个关键原理来操作：叠加和纠缠。叠加意味着每个量子位可以同时表示1和0两者。纠缠意味着叠加中的量子位能够以非经典的方式彼此相关；即，一个量子位(无论它是1还是0还是两者)的状态可以取决于另一量子位的状态，并且当这两个量子位纠缠时比当它们被单独处理时存在更多可以关于这两个量子位确认的信息。
[0009]使用这两种原理，量子位作为更复杂的信息处理器运行，使量子计算机能够以允许它们求解难于使用传统计算机处理的问题的方式起作用。IBM已经成功地构建并且证明了使用超导量子位的量子处理器的可操作性(IBM是国际商业机器公司在美国和其他国家
的注册商标。)
[0010]超导量子位包括约瑟夫逊结。约瑟夫逊结是通过用非超导材料将两个薄膜超导金属层分离而形成的。当使超导层中的金属变得超导时，例如通过将金属的温度降低到指定的低温温度，电子对可以从一个超导层穿过非超导层隧穿到另一超导层。在量子位中，该约瑟夫逊结(其作为分散的非线性电感器起作用)与一个或多个电容性设备并联地电耦接，从而形成非线性微波振荡器。该振荡器具有由该量子位中的电感和电容的值确定的共振/过渡频率。除非在使用时明确区分，否则任何对术语“量子位”的引用都是对采用约瑟夫逊结的超导量子位振荡器电路的引用。
[0011]由量子位处理的信息以微波频率范围内的微波信号/光子的形式被携带或传输。量子位输出的微波频率由量子位的共振频率确定。微波信号被捕获、处理和分析，以解译其中编码的量子信息。读出电路是与量子位耦接以捕获、读取和测量量子位的量子状态的电路。读出电路的输出是可由q处理器用来执行计算的信息。
[0012]超导量子位具有两个量子状态——|0>和|1>。这两个状态可以是原子的两个能量状态，例如超导人工原子(超导量子位)的基态(|g>)和第一激发态(|e>)。其他示例包括核或电子自旋的自旋向上和自旋向下、晶体缺陷的两个位置、以及量子点的两个状态。因为系统具有量子性质，所以这两个状态的任何组合都是被允许的并且有效的。
[0013]为了使使用量子位的量子计算可靠，量子电路(例如，量子位本身、与量子位相关联的读出电路、以及量子处理器的其他部分)必须不以任何显著的方式改变量子位的能量状态(诸如通过注入或耗散能量)或影响量子位的|0>与|1>状态之间的相对相位。对以量子信息操作的任何电路的这种操作约束使得制造在这种电路中使用的半导体和超导结构的特殊考虑成为必要。
[0014]量子计算通常可以用于比传统计算更快地求解问题。例如，一种量子算法是Grover的搜索，其实现了利用比传统计算中的情况更少的查找搜遍N个项目的无序列表。
[0015]量子门是用于量子计算的基本构件，以经典逻辑门作用于位的方式一次一个和两个地作用于量子位，从而以可控的方式改变量子位状态。X门将单个量子位的状态反相，非常像在经典计算中非门将单个位的状态反相。H门或Hadamard门将单个量子位置于叠加状态，0和1量子状态的组合。当测量时，量子位仅解析到确定的状态。例如，当提供有具有量子状态0的输入时，在Hadamard门内，量子状态处于叠加，但是输出有50％的概率处于量子0状态并有50％的概率处于量子1状态。其他单量子位门以其他定义的方式改变量子位状态。
[0016]多量子位门实施在量子位之间执行条件逻辑的门，意味着一个量子位的状态取决于另一量子位的状态。例如，受控非门或CNOT门具有两个量子位，目标量子位和控制量子位。如果控制量子位处于1量子状态，那么CNOT门将目标量子位的状态反相。如果控制量子位处于0量子状态，那么CNOT门不改变目标量子位的状态。
[0017]多个量子位也可以纠缠。尽管两个或更多个量子位相距太远而不能彼此影响，当它们以单独地是随机的但也太强相关而不能通过假设每个物体彼此独立来解释的方式表现时，这两个或更多个量子位是纠缠的。因此，可以预测纠缠的多量子位系统的组合特性，但是不能预测在这种系统中测量每个单独量子位的单独结果。
[0018]类似于传统计算，量子计算门可以被组装成更大的组(称为量子电路)以执行更复杂的操作。例如，交换一对量子位的状态的SWAP门可以由三个CNOT门构成。
[0019]量子电路可以并行执行一些操作，并且串行执行一些操作。程序中最长系列的长度也被称为量子电路的深度。例如，构成SWAP门的三个CNOT门串联布置，给出深度3。具有较浅深度的程序花费较少的执行时间并且提供更好的性能，因此是优选的。
[0020]传统计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种计算机实现的方法，包括：配置混合经典量子计算设备以执行对应于变分问题的量子电路，其中所述配置进一步包括：通过执行绝热进展操作使所述混合经典量子计算设备执行所述量子电路；生成对应于所述变分问题的参数化的优化问题的连续参数的第一增加，其中所述连续参数的当前状态对应于所述优化问题的可解状态；生成对应于所述第一增加的变分参数集合，所述变分参数集合指定量子电路的配置；以及响应于确定所述量子电路的输出与问题的已知正确解相差小于或等于阈值量，用所述第一增加代替所述连续参数的所述当前状态。2.如权利要求1所述的计算机实现的方法，其中，所述混合经典量子计算设备包括嘈杂中间尺度量子(NISQ)设备。3.如权利要求2所述的计算机实现的方法，进一步包括：使用对应于所述第一增加的所述变分参数集合产生方形量子电路，所述方形量子电路适合于在NISQ设备上实施。4.如权利要求1所述的计算机实现的方法，进一步包括：控制使所述变分问题的难度进展的步速。5.如权利要求4所述的计算机实现的方法，其中，所述第一增加包括所述连续参数的目标状态与所述连续参数的所述当前状态之间的差。6.如权利要求4所述的计算机实现的方法，其中，所述第一增加包括所述连续参数的目标状态与所述连续参数的所述当前状态之间的差，所述差随后除以n，其中n是正整数。7.如权利要求4所述的计算机实现的方法，进一步包括：响应于确定所述量子电路的输出与优化问题的已知正确解相差大于阈值量，从所述当前状态生成所述连续参数的第二增加，其中所述第二增加小于所述第一增加。8.如权利要求7所述的计算机实现的方法，其中，所述第二增加是1/n乘以所述第一增加，其中，n是正整数。9.一种计算机可用程序产品，包括一个或多个计算机可读存储设备以及存储在所述一个或多个存储设备中的至少一个存储设备上的程序指令，所存储的程序指令包括：用于配置混合经典量子计算设备以执行对应于变分问题的量子电路的程序指令，其中，所述配置进一步包括：通过执行绝热进展操作使所述混合经典量子计算设备执行所述量子电路；生成对应于所述变分问题的参数化的优化问题的连续参数的第一增加，其中所述连续参数的当前状态对应于所述优化问题的可解状态；生成对应于所述第一增加的变分参数集合，所述变分参数集合指定量子电路的配置；以及响应于确定所述量子电路的输出与问题的已知正确解相差小于或等于阈值量，用所述第一增加代替所述连续参数的所述当前状态。10.如权利要求9所述的计算机可用程序产品，其中，所述混合经典量子计算设备包括嘈杂中间尺度量子(NISQ)设备。
11.如权利要求10所述的计算机可用程序产品，进一步包括：用于使用对应于所述第一增加的所述变分参数集合产生方形量子电路的程序指令，所述方形量子电路适合于在NISQ设备上实施。12.如权利要求9所述的计算机可用程序产品，进一步包括：用于控制使所述变分问题的难度进展的步速的程序指令。13.如权利要求12所述的计算机可用程序产品，其中，所述第一增加包括所述连续参数的目标状态与所述连续参数的所述当前状态之间的差。14.如权利要求12所述的计算机可用程序产品，其中，所述第一增加包括所述连续参数的目标状态与所述连续参数的所述当...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：