参数化量子线路构建方法及量子态系统构建方法技术方案

本发明专利技术公开了一种参数化量子线路构建方法，包括确定初始系统的哈密顿量，并预设末态系统的哈密顿量；根据得到的初始系统的哈密顿量和末态系统的哈密顿量构造对应的酉算子；对构造得到的酉算子进行分解得到对应的量子逻辑门；根据得到的量子逻辑门构建最终的参数化量子线路。本发明专利技术还公开了包括所述参数化量子线路构建方法的量子态系统构建方法。本发明专利技术提供的这种参数化量子线路构建方法及量子态系统构建方法，通过创新的量子线路构建方法的设计，不仅可以通过构建参数化量子线路完成哈密顿学习，而且而且所设计的参数化量子线路具有学习性、稳定性以及实用性，可靠性更高，实用性更好。更好。更好。

【技术实现步骤摘要】
参数化量子线路构建方法及量子态系统构建方法


[0001]本专利技术属于量子计算领域，具体涉及一种参数化量子线路构建方法及量子态系统构建方法。

技术介绍

[0002]随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，量子计算技术已经开始了逐步的应用。目前，量子计算具有解决一些基本问题的潜力，例如分解整数或查找无序数据集，因此量子计算的研究已经引起了相当多的关注。
[0003]哈密顿学习是一种重要的量子机器学习技术；通过学习哈密顿量来感知未知的物理系统，因此哈密顿量是表示物理系统能量的必要参数，哈密顿量为解决准备和测量物理系统的基本问题提供了重要的思路。哈密顿学习算法旨在通过更新演化时间来学习具有Ising模型的量子系统。近年来，哈密顿学习算法在计算精度和消除噪声影响方面有所提高，该算法的一系列改进方法广泛推动了探索量子系统状态的研究进程。
[0004]参数化量子线路，是近些年被提出来的一种量子线路训练方法。它可用于通过降低电路中参数的损失函数直到收敛来训练和优化量子电路。但是，目前并没有关于通过参数化量子线路来实现哈密顿学习的研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的之一在于提供一种能够实现哈密顿学习，而且可靠性高、实用性好的参数化量子线路构建方法。
[0006]本专利技术的目的之二在于提供一种包括了所述参数化量子线路构建方法的量子态系统构建方法。
[0007]本专利技术提供的这种参数化量子线路构建方法，包括如下步骤：
[0008]S1.确定初始系统的哈密顿量，并预设末态系统的哈密顿量；
[0009]S2.根据步骤S1得到的初始系统的哈密顿量和末态系统的哈密顿量，构造对应的酉算子；
[0010]S3.对步骤S2构造得到的酉算子进行分解，得到对应的量子逻辑门；
[0011]S4.根据步骤S3得到的量子逻辑门，构建最终的参数化量子线路。
[0012]步骤S1所述的确定初始系统的哈密顿量，并预设末态系统的哈密顿量，具体包括如下步骤：
[0013]确定初始系统为拥有哈密顿量为H
b
的量子系统，且哈密顿量H
b
满足式中N为系统中粒子的个数；为泡利Y算子；
[0014]预设末态系统为拥有哈密顿量为H
p
的量子系统，且哈密顿量H
p
满足
式中I为单位矩阵；N为系统中粒子的个数；为泡利Z算子；为量子计算中的直接乘积符号。
[0015]步骤S2所述的根据步骤S1得到的初始系统的哈密顿量和末态系统的哈密顿量，构造对应的酉算子，具体包括如下步骤：
[0016]搭建的量子电路的量子门基于以参数α和β作为酉算子生成元在U(α,β)中的幺正变换的累乘，式中M为系统演化步数；α和β均为参数化量子线路中需要更新的参数；α
ρ
为α在演化的第ρ步的参数；β
ρ
为β在演化的第ρ步的参数；U(H
b
,α
ρ
)和U(H
p
,β
ρ
)为演化的第ρ步的量子电路，且U(H
b
,α
ρ
)的数学表达式为U(H
p
,β
ρ
)的数学表达式为其中i为虚数单位，H
b
为初始系统所拥有的哈密顿量，H
p
为末态系统所拥有的哈密顿量；
[0017]U(H
b
,α
ρ
)和U(H
p
,β
ρ
)为最终构造的对应的酉算子。
[0018]步骤S3所述的对步骤S2构造得到的酉算子进行分解，得到对应的量子逻辑门，具体包括如下步骤：
[0019]采用如下算式分解酉算子U(H
b
,α
ρ
)：
[0020][0021]从而将酉算子U(H
b
,α
ρ
)分解为若干旋转角度为2α
ρ
的R
y
(2α
ρ
)门；
[0022]采用如下算式分解酉算子U(H
p
,β
ρ
)：
[0023][0024]式中为常数项；然后再对后一项分解为：
[0025][0026]从而将酉算子U(H
p
,β
ρ
)分解为若干旋转角度为的门和CNOT门。
[0027]步骤S4所述的根据步骤S3得到的量子逻辑门，构建最终的参数化量子线路，具体为在每条量子线路上均先行串接Hadamard门和泡利X门后，在将步骤S3分解得到的对应的量子逻辑门按照酉算子的搭建顺序组合在一起，从而得到最终的参数化量子线路。
[0028]本专利技术还公开了一种包括了所述参数化量子线路构建方法的量子态系统构建方法，包括如下步骤：
[0029]A.采用所述的参数化量子线路构建方法，构建参数化量子线路；
[0030]B.初始系统由步骤A构建的参数化量子线路激发，并进行系统演化，从而产生中间态量子系统；
[0031]C.比较步骤B得到的中间态量子系统所拥有的哈密顿量与预设的末态系统所拥有的哈密顿量，并根据比较结果得到最终的量子态系统。
[0032]步骤B所述的初始系统由步骤A构建的参数化量子线路激发，并进行系统演化，从而产生中间态量子系统，具体为利用步骤A构建的参数化量子线路，对初始态系统进行激发；初始态系统在参数化量子线路中，开始自发的完成系统演化环节，并开始产生中间态；中间态的哈密顿量H(t)符合算式式中t为演化时间，T为演化过程中的系统温度；H
b
为初始系统所拥有的哈密顿量；H
p
为预设的末态系统所拥有的哈密顿
量。
[0033]步骤C所述的比较步骤B得到的中间态量子系统所拥有的哈密顿量与预设的末态系统所拥有的哈密顿量，并根据比较结果得到最终的量子态系统，具体包括如下步骤：
[0034]比较步骤B得到的中间态量子系统所拥有的哈密顿量与预设的末态系统所拥有的哈密顿量：
[0035]若中间态量子系统所拥有的哈密顿量与预设的末态系统所拥有的哈密顿量不同，则将中间态重新带入到参数化量子线路中并继续进行演化；
[0036]若中间态量子系统所拥有的哈密顿量与预设的末态系统所拥有的哈密顿量相同，则停止演化，并将当前所得到的量子态系统作为得到的最终的量子态系统。
[0037]本专利技术提供的这种参数化量子线路构建方法及量子态系统构建方法，通过创新的量子线路构建方法的设计，不仅可以通过构建参数化量子线路完成哈密顿学习，而且所设计的参数化量子线路具有学习性、稳定性以及实用性，可靠性更高，实用性更好。
附图说明
[0038]图1为本专利技术的参数化量子线路构建方法的方法流程示意图。
[0039]图2为本专利技术的参数化量子线路构建方法所构建的参数化量子线路的线路结构示意图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种参数化量子线路构建方法，包括如下步骤：S1.确定初始系统的哈密顿量，并预设末态系统的哈密顿量；S2.根据步骤S1得到的初始系统的哈密顿量和末态系统的哈密顿量，构造对应的酉算子；S3.对步骤S2构造得到的酉算子进行分解，得到对应的量子逻辑门；S4.根据步骤S3得到的量子逻辑门，构建最终的参数化量子线路。2.根据权利要求1所述的参数化量子线路构建方法，其特征在于步骤S1所述的确定初始系统的哈密顿量，并预设末态系统的哈密顿量，具体包括如下步骤：确定初始系统为拥有哈密顿量为H
b
的量子系统，且哈密顿量H
b
满足式中N为系统中粒子的个数；为泡利Y算子；预设末态系统为拥有哈密顿量为H
p
的量子系统，且哈密顿量H
p
满足式中I为单位矩阵；N为系统中粒子的个数；为泡利Z算子；为量子计算中的直接乘积符号。3.根据权利要求2所述的参数化量子线路构建方法，其特征在于步骤S2所述的根据步骤S1得到的初始系统的哈密顿量和末态系统的哈密顿量，构造对应的酉算子，具体包括如下步骤：搭建的量子电路的量子门基于以参数α和β作为酉算子生成元在U(α,β)中的幺正变换的累乘，式中M为系统演化步数；α和β均为参数化量子线路中需要更新的参数；α
ρ
为α在演化的第ρ步的参数；β
ρ
为β在演化的第ρ步的参数；U(H
b
,α
ρ
)和U(H
p
,β
ρ
)为演化的第ρ步的量子电路，且U(H
b
,α
ρ
)的数学表达式为U(H
p
,β
ρ
)的数学表达式为其中i为虚数单位，H
b
为初始系统所拥有的哈密顿量，H
p
为末态系统所拥有的哈密顿量；U(H
b
,α
ρ
)和U(H
p
,β
ρ
)为最终构造的对应的酉算子。4.根据权利要求3所述的参数化量子线路构建方法，其特征在于步骤S3所述的对步骤S2构造得到的酉算子进行分解，得到对应的量子逻辑门，具体包括如下步骤：采用如下算式分解酉算子U(H
b
,α
ρ
)：从而将酉算子U(H

【专利技术属性】
技术研发人员：石金晶，王雯萱，孙志伟，康叶，施鹤远，胡超，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：