基态能量的确定方法、装置、设备及存储介质制造方法及图纸

本公开提供了基态能量的确定方法、装置、设备及存储介质，涉及计算机技术领域，尤其涉及量子计算技术领域。具体实现方案为：确定指向当前第一区间中目标特征值所在位置的区间压缩信息，其中，当前第一区间包含有目标哈密顿量H的目标特征值；基于所述区间压缩信息，对当前第一区间的区间长度进行压缩；在压缩后得到的区间长度满足第一误差条件的情况下，得到目标区间；从所述目标区间中确定出目标值作为所述目标特征值，其中，所述目标特征值为所述目标哈密顿量H所对应的目标量子系统的基态能量。量。量。

【技术实现步骤摘要】
基态能量的确定方法、装置、设备及存储介质


[0001]本公开涉及计算机
，尤其涉及量子计算


技术介绍

[0002]近期量子计算领域发展迅速，从量子算法、量子硬件设备到量子软硬一体化平台，正朝着规模化和实用化稳步前进。其中，通过量子计算求解实际问题并带来量子优势是备受关注的一个方向。在这个方向，求解哈密顿量(Hamiltonian)的基态能量是一个核心问题。

技术实现思路

[0003]本公开提供了一种基态能量的确定方法、装置、设备及存储介质。
[0004]根据本公开的一方面，提供了一种基态能量的确定方法，包括：
[0005]确定指向当前第一区间中目标特征值所在位置的区间压缩信息，其中，当前第一区间包含有目标哈密顿量H的目标特征值；
[0006]基于所述区间压缩信息，对当前第一区间的区间长度进行压缩；
[0007]在压缩后得到的区间长度满足第一误差条件的情况下，得到目标区间；
[0008]从所述目标区间中确定出目标值作为所述目标特征值，其中，所述目标特征值为所述目标哈密顿量H所对应的目标量子系统的基态能量。
[0009]根据本公开的另一方面，提供了一种基态能量的确定装置，包括：
[0010]信息获取单元，用于确定指向当前第一区间中目标特征值所在位置的区间压缩信息，其中，当前第一区间包含有目标哈密顿量H的目标特征值；
[0011]压缩处理单元，用于基于所述区间压缩信息，对当前第一区间的区间长度进行压缩；在压缩后得到的区间长度满足第一误差条件的情况下，得到目标区间；
[0012]信息确定单元，用于从所述目标区间中确定出目标值作为所述目标特征值，其中，所述目标特征值为所述目标哈密顿量H所对应的目标量子系统的基态能量。
[0013]根据本公开的再一方面，提供了一种计算设备，包括：
[0014]至少一个量子处理单元；
[0015]存储器，耦合到所述至少一个QPU并用于存储可执行指令，
[0016]所述指令被所述至少一个量子处理单元执行，以使所述至少一个量子处理单元能够执行以上所述的方法；
[0017]或者，包括：
[0018]至少一个处理器；以及
[0019]与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
[0020]所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行以上所述的方法。
[0021]根据本公开的再一方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储
介质，当至少一个量子处理单元执行时，所述计算机指令使得所述至少一个量子处理单元执行以上所述的方法；
[0022]或者，所述计算机指令用于使所述计算机执行以上所述的方法。
[0023]根据本公开的再一方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被至少一个量子处理单元执行时实现以上所述的方法；
[0024]或者所述计算机程序在被处理器执行时实现以上所述的方法。
[0025]这样，本公开提供了一种简便、更容易实现，同时也能保证高精度的基态能量确定方案，如此，有效解决了量子系统本征能量的问题，同时，也为量子计算求解化学问题、机器学习问题等更多落地应用提供了技术支持。
[0026]应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
[0027]附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：
[0028]图1是根据本公开实施例基态能量的确定方法的实现流程示意图一；
[0029]图2是根据本公开实施例基态能量的确定方法的实现流程示意图二；
[0030]图3(a)至图3(c)是根据本公开实施例预设参数化量子电路的结构示意图；
[0031]图4(a)和图4(b)是根据本公开实施例目标量子电路的结构示意图；
[0032]图5(a)和图5(b)是根据本公开实施例目标量子电路的另一种结构示意图；
[0033]图6是根据本公开实施例基态能量的确定方法在一具体实施例中的实现流程示意图；
[0034]图7是是根据本公开实施例基态能量的确定装置的结构示意图；
[0035]图8是用来实现本公开实施例的基态能量的确定方法的电子设备的框图。
具体实施方式
[0036]以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
[0037]本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。本文中术语“第一”、“第二”表示指代多个类似的技术用语并对其进行区分，并不是限定顺序的意思，或者限定只有两个的意思，例如，第一特征和第二特征，是指代有两类/两个特征，第一特征可以为一个或多个，第二特征也可以为一个或多个。
[0038]另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，缺少某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
[0039]近期量子计算领域发展迅速，从量子算法、量子硬件设备到量子软硬一体化平台，正朝着规模化和实用化稳步前进。其中，通过量子计算求解实际问题并带来量子优势是备受关注的一个方向。在这个方向，求解哈密顿量(Hamiltonian)的基态能量是一个核心问题。一方面，哈密顿量的基态能量代表了系统的特征，求解基态能量对于科学研究和工业发展具有重要意义。比如，在锂电池技术中，高效提取基态能量的性质可以促进锂电池技术发展，包括提升能量存储、快速充电以及降低电池的材料消耗。另一方面，求解系统的基态能量也是诸多量子应用的核心步骤，近年来求解基态能量的量子算法被用于解线性方程组、数据拟合、主成分分析。整体来说，求解量子系统的基态能量，既实用，又兼具诸多拓展应用。
[0040]通常，量子系统的哈密顿量可以表示为一个赫米特矩阵(Hermitian matrix，即共轭对称的复矩阵)，而基态能量就是哈密顿量的最小特征值，那么，求解量子系统的基态能量就是求解哈密顿量(比如赫米特矩阵)的最小特征值。
[0041]基于此，本公开方案提供了一种基态能量的确定方法，能够高效求得到目标量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基态能量的确定方法，包括：确定指向当前第一区间中目标特征值所在位置的区间压缩信息，其中，当前第一区间包含有目标哈密顿量H的目标特征值；基于所述区间压缩信息，对当前第一区间的区间长度进行压缩；在压缩后得到的区间长度满足第一误差条件的情况下，得到目标区间；从所述目标区间中确定出目标值作为所述目标特征值，其中，所述目标特征值为所述目标哈密顿量H所对应的目标量子系统的基态能量。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：在压缩后得到的区间长度未满足所述第一误差条件的情况下，更新当前第一区间，并重新确定指向新的当前第一区间中目标特征值所在位置的区间压缩信息，并基于重新确定的区间压缩信息对新的当前第一区间的区间长度进行压缩，直至压缩后得到的区间长度满足所述第一误差条件。3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：获取当前第一区间，其中，当前第一区间为基于所述目标哈密顿量而确定出的、包含有目标特征值的初始区间；或者，当前第一区间为对所述初始区间至少一次压缩后所得的区间。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定指向当前第一区间中目标特征值所在位置的区间压缩信息，包括：确定目标量子电路的子电路中目标可调参数的目标参数值，其中，所述目标参数值满足所述第一误差条件；所述目标量子电路包含有辅助寄存器和主寄存器，所述子电路作用于所述辅助寄存器；所述主寄存器所包含的量子比特的数量与所述目标量子系统所包含的量子比特的数量相同；所述目标量子电路中还包含有受控于所述辅助寄存器且作用于所述主寄存器的目标受控酉门，所述目标受控酉门用于获取目标量子态在目标特征空间上的投影信息；所述目标量子态为所述目标量子系统所制备的量子态；在所述目标可调参数为所述目标参数值、所述辅助寄存器的第一输入态为预设初态、以及所述主寄存器的第二输入态为所述目标量子态的情况下，获取所述目标量子电路中所述辅助寄存器的状态信息；其中，所述状态信息表征所述目标量子态在所述目标特征空间上的投影信息；所述目标特征空间为目标特征向量所张成的特征空间；所述目标特征向量为所述目标哈密顿量H的特征值小于当前目标值x
d
的特征值所对应的特征向量；所述当前目标值x
d
是基于当前第一区间所得、且位于当前第一区间内的数值；基于所述目标量子态在所述目标特征空间上的投影信息与预设阈值η之间的关系，得到区间压缩信息；其中，所述预设阈值η小于等于基于所述目标量子态所确定出的所述量子系统的基态能量。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述基于所述目标量子态在所述目标特征空间上的投影信息与预设阈值η之间的关系，得到区间压缩信息，包括：在所述目标量子态在所述目标特征空间上的投影信息小于所述预设阈值η的情况下，得到第一压缩信息；其中，所述基于所述区间压缩信息，对当前第一区间的区间长度进行压缩，包括：
基于所述第一压缩信息，将当前第一区间中最小数值更新为当前目标值x
d
，以完成一次压缩并得到新的当前第一区间。6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述基于所述目标量子态在所述目标特征空间上的投影信息与预设阈值η之间的关系，得到区间压缩信息，包括：在所述目标量子态在所述目标特征空间上的投影信息大于等于所述预设阈值η的情况下，得到第二压缩信息；其中，所述基于所述区间压缩信息，对所述当前第一区间的区间长度压缩，包括：基于所述第二压缩信息，将当前第一区间中最大数值更新为当前目标值x
d
，以完成一次压缩并得到新的当前第一区间。7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述目标受控酉门包括第一受控酉门和第二受控酉门；所述确定目标量子电路的子电路中目标可调参数的目标参数值，包括：将训练完成的预设参数化量子电路中所述目标可调参数的目标参数值，作为所述子电路中目标可调参数的目标参数值；所述训练完成的预设参数化量子电路用于模拟目标函数f(x)；所述目标函数f(x)用于：在得到目标量子态在目标特征空间上的投影信息的过程中，为所述目标哈密顿量H的特征值分配权重；其中，所述目标量子电路是将所述预设参数化量子电路中的量子比特作为辅助寄存器，并扩展出主寄存器，将所述预设参数化量子电路中作用于所述辅助寄存器的第一目标旋转门替换为第一受控酉门，以及将所述预设参数化量子电路中作用于所述辅助寄存器的第二目标旋转门替换为第二受控酉门；其中，所述第一受控酉门为酉算子等价的受控酉门，所述第二受控酉门为与酉算子U的转置等价的受控酉门，所述酉算子为基于所述目标哈密顿量所对应的酉算子；所述第一目标旋转门的第一旋转参数和第二目标旋转门的第二旋转参数均为所述目标函数f(x)的自变量x；所述子电路包含有所述预设参数化量子电路中除所述第一目标旋转门和第二目标旋转门之外的至少部分电路。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述预设参数化量子电路包括有L个训练层；所述L为大于等于2的偶数，所述L的取值与所述第一误差条件有关；所述L个训练层中的至少两个训练层包括：目标旋转门，所述旋转参数x用于对第一角度进行旋转操作；其中，所述第一目标旋转门和第二目标旋转门为处于不同训练层中的目标旋转门；用于对第二角度进行旋转操作的、且作用于所述预设参数化量子电路中量子比特上的第一旋转门；用于对第三角度进行旋转操作的、且作用于所述预设参数化量子电路中量子比特上的第二旋转门；其中，所述第一旋转门的旋转角度φ和所述第二旋转门的旋转角度θ为所述目标可调参数。9.根据权利要求8所述的方法，其中，还满足以下至少之一：所述第一角度为z轴所对应的角度；所述第二角度为z轴所对应的角度；
所述第三角度为y轴所对应的角度。10.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述L个训练层的任一训练层中包含有所述目标旋转门、所述第一旋转门以及所述第二旋转门的情况下，各旋转门的作用顺序为：所述第一旋转门、第二旋转门和目标旋转门。11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述预设参数化量子电路的L个训练层之后，还包括其他旋转门。12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述目标量子电路包含有M层，所述M为大于等于1小于等于L/2的正整数；所述M层中的至少一层是基于如下所得：将两个训练层中第一训练层的第一目标旋转门替换第一受控酉门，将所述两个训练层中第二训练层的第二目标旋转门替换第二受控酉门；其中，所述两个训练层为所述L个训练层中的任意两个训练层。13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述两个训练层为L个训练层中的任意相邻的两个训练层。14.根据权利要求4所述的方法，其中，所述确定目标量子电路的子电路中目标可调参数的目标参数值，包括：将训练完成的预设参数化量子电路中所述目标可调参数的目标参数值，作为所述子电路中目标可调参数的目标参数值；所述训练完成的预设参数化量子电路用于模拟目标函数f(x)；所述目标函数f(x)用于：在得到目标量子态在目标特征空间上的投影信息的过程中，为所述目标哈密顿量H的特征值分配权重；其中，所述目标量子电路是将所述预设参数化量子电路中的量子比特作为辅助寄存器，并扩展出主寄存器，将所述预设参数化量子电路中作用于所述辅助寄存器的目标旋转门替换为所述目标受控酉门；所述目标旋转门的为所述目标函数f(x)的自变量x；所述子电路包含有所述预设参数化量子电路中除所述目标旋转门之外的至少部分电路。15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述预设参数化量子电路包括有L个训练层；所述L为大于等于1的正整数；所述L的取值与所述第一误差条件有关；所述L个训练层中的至少一个训练层包括：目标旋转门，所述旋转参数x用于对第一角度进行旋转操作；用于对第二角度进行旋转操作的、且作用于所述预设参数化量子电路中量子比特上的第一旋转门；用于对第三角度进行旋转操作的、且作用于所述预设参数化量子电路中量子比特上的第二旋转门；其中，所述第一旋转门的旋转角度φ和所述第二旋转门的旋转角度θ为所述目标可调参数。16.根据权利要求15所述的方法，其中，还满足以下至少之一：所述第一角度为z轴所对应的角度；所述第二角度为z轴所对应的角度；
所述第三角度为y轴所对应的角度。17.根据权利要求15所述的方法，其中，在所述L个训练层的至少一个训练层中包含有所述目标旋转门、所述第一旋转门以及所述第二旋转门的情况下，各旋转门的作用顺序为：所述第一旋转门、第二旋转门和目标旋转门。18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述预设参数化量子电路的L个训练层之后，还包括其他旋转门。19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述目标量子电路包含有L层，所述L层中的至少一层是将训练层中的目标旋转门替换为所述目标受控酉门后所得；所述训练层为L个训练层中的任一训练层。20.根据权利要求7
‑
19任一项所述的方法，还包括：在所述预设参数化量子电路的旋转参数x取值为N个数据点中的任一数据点x
j
的情况下，获取所述预设参数化量子电路的实际输出结果y
j
；所述实际输出结果y
j
为所述预设参数化量子电路中的所述目标可调参数在当前参数值下、所述预设参数化量子电路的输出结果；所述N为大于等于1的正整数，所述j为大于等于1小于等于N的正整数；所述旋转参数x包括所述第一旋转参数和所述第二旋转参数；得到N个实际输出结果y
j
；在确定满足迭代终止条件的情况下，将所述目标可调参数的当前参数值作为训练完成的所述预设参数化量子电路中所述目标可调参数的目标参数值；其中，所述迭代终止条件包括以下至少之一：基于所述N个实际输出结果y
j
与N个目标输出结果确定预设损失函数的损失值满足收敛条件；所述目标输出结果当前迭代次数到达预设次数。21.根据权利要求20所述的方法，还包括：在确定不满足所述迭代终止条件的情况下，对所述目标可调参数的参数值进行调整；重新在所述预设参数化量子电路的旋转参数x取值为N个数据点中的任一数据点x
j
的情况下，获取所述预设参数化量子电路的实际输出结果y
j
；重新得到N个实际输出结果y
j
，直至满足所述迭代终止条件为止。22.一种基态能量的确定装置，包括：信息获取单元，用于确定指向当前第一区间中目标特征值所在位置的区间压缩信息，其中，当前第一区间包含有目标哈密顿量H的目标特征值；压缩处理单元，用于基于所述区间压缩信息，对当前第一区间的区间长度进行压缩；在压缩后得到的区间长度满足第一误差条件的情况下，得到目标区间；信息确定单元，用于从所述目标区间中确定出目标值作为所述目标特征值，其中，所述目标特征值为所述目标哈密顿量H所对应的目标量子系统的基态能量。23.根据权利要求22所述的装置，其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王友乐，张磊，余展，王鑫，
申请(专利权)人：北京百度网讯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：