一种基于量子门获取待测系统本征值的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供了一种基于量子门获取待测系统本征值的方法和装置，该方法包括：制备第一量子态；基于预设的概率分布，采样得到演化时间；确定出待测系统对应的哈密顿量；根据哈密顿量和演化时间，确定哈密顿演化操作；测量对于第一量子态施加哈密顿演化操作的期望值，得到第一测量结果，哈密顿演化操作由多个量子门构成；根据第一测量结果，得到待测系统的本征值。统的本征值。统的本征值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子门获取待测系统本征值的方法及装置


[0001]本专利技术涉及量子计算领域，尤其涉及一种基于量子门获取待测系统本征值的方法及装置。

技术介绍

[0002]高效地估计系统的本征值是量子计算中长期存在的基本问题，在非常多的
中有着广泛的应用。例如，在物理和化学领域的微分方程、连续的或离散的动力系统、图像处理中的主成分分析中；还包括化学分子和材料的能谱、分子的振动能谱、化学反应生成物的确立等中。
[0003]现有的技术方案，得到系统的本征态值信息，具有随着问题规模指数级攀升的时间复杂度和空间复杂度，即需要消耗大量的时间和空间计算资源。具体而言，现有的利用对角化矩阵获取系统本征值的方案，其需要O(D3)的时间复杂度和O(D2)空间复杂度。另一种方案可以通过牺牲一部分的时间复杂度来换取空间资源的节省，但是其仅仅可以在此多项式的复杂度的基础上进行一部分的提高，但是其无法获得一个真实的物理系统(系统尺寸通常随着粒子数量或者物理自由度而指数增长)的本征值。还有一些技术方案，通过一系列的受控量子门来估计系统的本征值，其需要的量子线路深度很长，使用的量子比特数目众多，且对量子噪声很敏感。
[0004]因此，需要一种新的获取待测系统本征值的方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例提供一种基于量子门获取待测系统本征态的方法及装置。利用该方法，可以利用量子门构成的量子演化线路以及后处理，高效地获取量子系统的本征值。
[0006]本专利技术为解决上述技术问题采用的技术方案为，一方面提供一种通过量子门获取待测系统本征值的方法，所述方法包括：
[0007]制备第一量子态；
[0008]基于预设的概率分布，采样得到演化时间；
[0009]确定出待测系统对应的哈密顿量；根据哈密顿量和所述演化时间，确定哈密顿演化操作；测量对于第一量子态施加所述哈密顿演化操作的期望值，得到第一测量结果，所述哈密顿演化操作由多个量子门构成；
[0010]根据第一测量结果，得到待测系统的本征值。
[0011]优选地，所述待测系统包括分子系统、超导材料系统、金属晶体量子系统、纳米材料量子系统中的任意一种。
[0012]优选地，制备第一量子态，包括：
[0013]基于态制备操作、变分量子本征求解器中的任意一种，制备第一量子态。
[0014]优选地，对于第一量子态施加所述哈密顿演化操作的期望值，可以表示为：
[0015]P＝<ψ0|U|ψ0>
[0016]其中，P为期望值，ψ0为第一量子态，U为哈密顿演化操作。
[0017]优选地，所述哈密顿演化操作包括的多个量子门，通过以下过程确定：
[0018]将所述演化时间划分为依次的多个时间段；
[0019]将所述哈密顿演化操作分解为与所述多个时间段分别对应的多个演化子操作，所述演化子操作由泡利旋转门和泡利门构成。
[0020]优选地，所述泡利旋转门的旋转角度和门类别分别通过随机采样获得。
[0021]优选地，在根据第一测量结果，得到待测系统的本征值之前，对于第一测量结果进行错误探测，若存在测量错误，丢弃第一测量结果。
[0022]优选地，对于第一测量结果进行错误探测，包括：
[0023]利用受控辅助比特，获取施加所述哈密顿演化操作后的第一宇称，
[0024]将第一宇称与待测系统的初始宇称相比较，若两者不符合，则确定存在测量错误。
[0025]第二方面，提供了一种基于量子门获取待测系统本征值的装置，所述装置包括：
[0026]初态制备单元，配置为，制备第一量子态；
[0027]演化时间采样单元，配置为，基于预设的概率分布，采样得到演化时间；
[0028]测量单元，配置为，确定出待测系统对应的哈密顿量；根据哈密顿量和所述演化时间，确定哈密顿演化操作；测量对于第一量子态施加所述哈密顿演化操作的期望值，得到第一测量结果，所述哈密顿演化操作由多个量子门构成；
[0029]本征值确定单元，配置为，根据第一测量结果，得到待测系统的本征值。
[0030]第三方面，提供一种量子计算机，包括被配置为实现第一方面所述的方法的一个或多个量子线路。
附图说明
[0031]为了更清楚说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]图1为本专利技术实施例提供的一种基于量子门获取待测系统本征值的方法的流程图；
[0033]图2为本专利技术实施例提供的量子态不同制备方式的示意图；
[0034]图3为本专利技术实施例提供的测量线路的示意图；
[0035]图4为本专利技术实施例提供的进行错误探测的量子线路的示意图；
[0036]图5为本专利技术实施例提供的一种基于量子门获取待测系统本征值的装置的结构图。
具体实施方式
[0037]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0038]如前所述，现有的获取量子系统本征值的方案，存在通常需要消耗大量的时间和
空间两方面的计算资源的缺陷，或者存在通过受控量子门来估计系统的本征值，需要的量子线路深度很长、使用的量子比特数目过多，且对于量子噪声敏感的缺陷。为了更清晰的表述本说明书实施例提供的基于量子门获取待测系统本征值的方案的优点。下面先对现有的获取系统本征值的方案及其缺点做进一步的概要说明。
[0039]现有的技术方案，主要包括变分量子本征求解器及其衍生方案、以及量子相位估计(quantum phase estimation)方案。
[0040]其中，变分量子本征求解器的大致过程如下：在参数化量子电路中准备一个量子态；测量待测量子系统的哈密顿量在参数化量子态下的平均值；利用经典计算机优化参数；重复上述测量和优化过程，使得其能量平均值达到最小，即优化到最终结果，其对应的量子态即为生产中制备的基态，进而可以得到基态的本征值能量E
i
。但是变分量子本征求解器及其衍生方案，具有如下问题：第一，变分量子本征求解器算法及其衍生算法，通常着眼于利用经典计算机的参数优化及量子线路的量子门形式。因此，受到现有量子芯片资源的限制，实际能够表达的量子纠缠特性有限。对于更为复杂的、纠缠更深的体系而言，现有技术的精度和资源都会受到限制，这是其现有结构的技术方法目前无法解决的。第二、优化变分量子本征求解器的参数需要经典计算辅助。对于一个真实的问题，变分量子本征求解器并不能保证一定可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于量子门获取待测系统本征值的方法，所述方法包括：制备第一量子态；基于预设的概率分布，采样得到演化时间；确定出待测系统对应的哈密顿量；根据哈密顿量和所述演化时间，确定哈密顿演化操作；测量对于第一量子态施加所述哈密顿演化操作的期望值，得到第一测量结果，所述哈密顿演化操作由多个量子门构成；根据第一测量结果，得到待测系统的本征值。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述待测系统包括分子系统、超导材料系统、金属晶体量子系统、纳米材料量子系统中的任意一种。3.根据权利要求1所述的方法，其中，制备第一量子态，包括：基于态制备操作、变分量子本征求解器中的任意一种，制备第一量子态。4.根据权利要求1所述的方法，其中，对于第一量子态施加所述哈密顿演化操作的期望值，可以表示为：P＝<ψ0|U|ψ0>其中，P为期望值，ψ0为第一量子态，U为哈密顿演化操作。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述哈密顿演化操作包括的多个量子门，通过以下过程确定：将所述演化时间划分为依次的多个时间段；将所述哈密顿演化操作分解为与所述多个时间段分别对应的多个演化子操作，所述演化子操作由泡...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙金钊，袁骁，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：