使用解耦的哈密顿量模拟量子电路的系统和方法技术方案

本申请提供了用于模拟量子电路的方法和系统。一种系统可以执行包括生成对应于量子电路的变换后的哈密顿量的操作。变换后的哈密顿量可以包括变换后的局部和耦合哈密顿量。变换后的哈密顿量的生成可以包括获得对应于量子电路的原始哈密顿量的电荷耦合矩阵和磁通耦合矩阵，并且至少部分对角化电荷耦合矩阵和磁通耦合矩阵。这些操作还可以包括确定包括变换后的局部哈密顿量的多个特征向量的有限特征基，将变换后的耦合哈密顿量和变换后的局部哈密顿量投影到有限特征基上，以及通过组合变换后的耦合哈密顿量和局部哈密顿量的投影来生成至少部分解耦的哈密顿量。这些操作还可以包括使用至少部分解耦的哈密顿量来模拟量子电路的行为。路的行为。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用解耦的哈密顿量模拟量子电路的系统和方法


[0001]本公开涉及量子计算，并且更具体地，涉及通过使用至少部分解耦的哈密顿量的经典计算机模拟量子电路。

技术介绍

[0002]量子计算机的设计和验证必须使用经典计算机来执行，这带来了一个问题，因为量子计算机被构造来执行经典计算机无法执行的某些任务。例如，随着量子计算机设计变得越来越复杂，并涉及更大的量子电路，简单的模拟技术在计算上变得不可行。例如，像0
‑
π量子位这样的量子位设计涉及三个自由度或模式，因此模拟多个这样的量子位将涉及六个或更多的模式。此外，量子计算机设计中超出量子位的组件也可能需要模拟。因此，量子电路的这种简单模拟方法会导致高维哈密顿量，这对于模拟量子计算机设计的行为来说是难以对角化或计算量指数化的。

技术实现思路

[0003]所公开的系统和方法涉及使用至少部分解耦的哈密顿量来模拟量子电路。该至少部分解耦的哈密顿量可以使用与量子电路相关联的原始哈密顿量的线性变换来生成。
[0004]所公开的实施例包括一种使用处理比特的计算机来模拟量子电路的方法。该方法可以包括：获得量子电路的表示。该方法还可以包括生成对应于量子电路的变换后的哈密顿量。变换后的哈密顿量可以包括变换后的局部哈密顿量和变换后的耦合哈密顿量。该方法还可以包括确定包括变换后的局部哈密顿量的多个特征向量的有限特征基。该方法还可以包括将变换后的耦合哈密顿量投影到有限特征基上，该变换后的耦合哈密顿量以变换后的局部哈密顿量的模式表示。该方法还可以包括将变换后的局部哈密顿量投影到有限特征基上。该方法还可以包括通过组合变换后的耦合哈密顿量的投影和变换后的局部哈密顿量的投影来生成至少部分解耦的哈密顿量。该方法还可以包括由计算机使用至少部分解耦的哈密顿量来模拟量子电路的行为。
[0005]所公开的实施例包括一种使用处理比特的计算机来模拟量子电路的系统。该系统可以包括至少一个处理器和至少一个计算机可读介质。计算机可读介质可以包含当由至少一个处理器执行时使系统执行操作的指令。这些操作可以包括生成对应于量子电路的变换后的哈密顿量。变换后的哈密顿量可以包括变换后的局部哈密顿量和变换后的耦合哈密顿量。变换后的哈密顿量的生成可以包括获得对应于量子电路的原始哈密顿量的电荷耦合矩阵和磁通耦合矩阵，并且至少部分对角化电荷耦合矩阵和磁通耦合矩阵。这些操作还可以包括确定包括变换后的局部哈密顿量的多个特征向量的有限特征基。这些操作还可以包括将变换后的耦合哈密顿量投影到有限特征基上，变换后的耦合哈密顿量以变换后的局部哈密顿量的模式表示。这些操作还可以包括将变换后的局部哈密顿量投影到有限特征基上。这些操作还可以包括通过组合变换后的耦合哈密顿量的投影和变换后的局部哈密顿量的投影来生成至少部分解耦的哈密顿量。这些操作还可以包括使用至少部分解耦的哈密顿量
来模拟量子电路的行为。
[0006]所公开的实施例包括一种包含指令的非暂时性计算机可读介质，这些指令可由系统的至少一个处理器执行，以使系统执行操作。这些操作可以包括生成对应于量子电路的变换后的哈密顿量。变换后的哈密顿量包括变换后的局部哈密顿量和变换后的耦合哈密顿量。变换后的哈密顿量的生成可以包括获得对应于量子电路的原始哈密顿量的电荷耦合矩阵和磁通耦合矩阵，并且至少部分对角化电荷耦合矩阵和磁通耦合矩阵。这些操作还可以包括确定包括变换后的局部哈密顿量的多个特征向量的有限特征基。这些操作还可以包括将变换后的耦合哈密顿量投影到有限特征基上，变换后的耦合哈密顿量以变换后的局部哈密顿量的模式表示。这些操作还可以包括将变换后的局部哈密顿量投影到有限特征基上。这些操作还可以包括通过组合变换后的耦合哈密顿量的投影和变换后的局部哈密顿量的投影来生成至少部分解耦的哈密顿量。这些操作还可以包括由处理比特的计算机使用至少部分解耦的哈密顿量来模拟量子电路的行为。
[0007]应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和解释性的，而不是对所公开的实施例的限制。
附图说明
[0008]构成本说明书一部分的附图示出了几个实施例，并与说明书一起用于解释所公开的实施例的原理和特征。在附图中：
[0009]图1A描绘了根据所公开的实施例的表示量子电路的示例图。
[0010]图1B和1C描绘了根据所公开的实施例的图1A的量子电路的组件的值。
[0011]图1D和1E描绘了根据所公开的实施例的用于图1A的量子电路的示例性磁通耦合矩阵和电荷耦合矩阵。
[0012]图2A和2B描绘了根据所公开的实施例的用于1A的量子电路的作为每模式能级的函数的状态和跃迁能量的曲线图。
[0013]图3A描绘了根据所公开的实施例的使用经典计算机模拟量子电路的示例性过程的流程图。
[0014]图3B至3J描绘了根据所公开的实施例的用于模拟量子电路的至少部分解耦的哈密顿量的构造中涉及的示例性等式。
[0015]图4描绘了根据所公开的实施例的用于选择用于模拟量子电路的变换后的哈密顿量的示例性过程的流程图。
[0016]图5A描绘了根据所公开的实施例的用于生成变换后的哈密顿量的示例性同时近似对角化过程的流程图。
[0017]图5B至5D描绘了根据所公开的实施例的通过将图5A的过程应用于图1A的量子电路而生成的变换矩阵和变换后的电荷和磁通耦合矩阵。
[0018]图5E和5F描绘了根据所公开的实施例的用于使用图5B到5D的变换后的哈密顿量生成的至少部分解耦的哈密顿量的作为每模式能级的函数的状态和跃迁能量的曲线图。
[0019]图6A描绘了根据所公开的实施例的用于生成变换后的哈密顿量的示例性仅电感器的辛对角化过程的流程图。
[0020]图6B至6J描绘了根据所公开的实施例的仅电感器辛对角化中涉及的示例性等式。
[0021]图6M至6O描绘了根据所公开的实施例的通过将图6A的过程应用于图1A的量子电路而生成的变换矩阵和变换后的电荷和磁通耦合矩阵。
[0022]图6P和6Q描绘了根据所公开的实施例的用于使用图6M至6O的变换后的哈密顿量生成的至少部分解耦的哈密顿量的作为每模式能级的函数的状态和跃迁能量的曲线图。
[0023]图7A描绘了根据所公开的实施例的用于生成变换后的哈密顿量的示例性全辛对角化过程的流程图。
[0024]图7B至7H描绘了根据所公开的实施例的仅电感器辛对角化中涉及的示例性等式。
[0025]图7I至7K描绘了根据所公开的实施例的通过将图7A的过程应用于图1A的量子电路而生成的变换矩阵和变换后的电荷和磁通耦合矩阵。
[0026]图7L和7M描绘了根据所公开的实施例的用于使用图7I至7K的变换后的哈密顿量生成的至少部分解耦的哈密顿量的作为每模式能级的函数的状态和跃迁能量的曲线图。
[0027]图8描绘了根据所公开的实施例的适用于使用至少部分解耦的哈密顿量来模拟量子电路的经典计算机。
[0028]图9示出了根据本公开的一些实施例的示例性量子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种使用处理比特的计算机来模拟量子电路的方法，所述方法包括：获得量子电路的表示；生成对应于所述量子电路的变换后的哈密顿量，所述变换后的哈密顿量包括变换后的局部哈密顿量和变换后的耦合哈密顿量；确定包括所述变换后的局部哈密顿量的多个特征向量的有限特征基；将所述变换后的耦合哈密顿量投影到所述有限特征基上，所述变换后的耦合哈密顿量以所述变换后的局部哈密顿量的模式表示；将所述变换后的局部哈密顿量投影到所述有限特征基上；通过组合所述变换后的耦合哈密顿量的投影和所述变换后的局部哈密顿量的投影来生成至少部分解耦的哈密顿量；以及由计算机使用所述至少部分解耦的哈密顿量来模拟所述量子电路的行为。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生成所述变换后的哈密顿量包括：重复生成至少部分解耦的哈密顿量和对应的耦合值，重复包括：为所述量子电路选择生成树；使用所述生成树确定所述量子电路的原始哈密顿量，所述原始哈密顿量包括电荷耦合矩阵和磁通耦合矩阵；确定所述原始哈密顿量的模式的线性变换；使用所述线性变换生成至少部分解耦的哈密顿量；以及为所述至少部分解耦的哈密顿量确定对应的耦合值；以及基于所述对应的耦合值选择至少部分解耦的哈密顿量，作为所述变换后的哈密顿量。3.根据权利要求2所述的方法，其中：所述线性变换取决于块对角辛矩阵，所述块对角辛矩阵包括第一子矩阵和第二子矩阵，所述第二子矩阵是所述第一子矩阵的函数。4.根据权利要求3所述的方法，其中：使用所述线性变换生成所述至少部分解耦的哈密顿量包括使用所述块对角辛矩阵对角化所述电荷耦合矩阵和所述磁通耦合矩阵；以及所述对应的耦合值取决于对应于所述原始哈密顿量的约瑟夫森结模式的所述第一子矩阵的行。5.根据权利要求3所述的方法，其中：使用所述线性变换生成至少部分解耦的哈密顿量包括：使用所述块对角辛矩阵生成第一变换矩阵；通过使用所述第一变换矩阵对角化所述电荷耦合矩阵的子矩阵来变换所述电荷耦合矩阵，所述电荷耦合矩阵的所述子矩阵对应于所述原始哈密顿量的线性电感模式；使用所述块对角辛矩阵生成第二变换矩阵；以及通过对角化所述磁通耦合矩阵的子矩阵来变换所述磁通耦合矩阵，所述磁通耦合矩阵的所述子矩阵对应于所述线性电感模式；并且所述对应的耦合值取决于所述变换后的电荷耦合矩阵和变换后的磁通耦合矩阵的非对角元素。6.根据权利要求2所述的方法，其中：
确定所述线性变换包括：通过迭代确定绕旋转矩阵的轴的旋转来生成旋转矩阵，所述轴对应于所述原始哈密顿量中的线性电感模式。7.根据权利要求3所述的方法，其中：所述方法还包括生成所述块对角辛矩阵，生成包括：确定包括所述磁通耦合矩阵和所述电荷耦合矩阵的初始块对角矩阵；基于所述初始块对角矩阵来确定埃尔米特矩阵；确定所述埃尔米特矩阵的特征基和对应于所述特征基的特征值矩阵；以及使用所述初始块对角矩阵、所述埃尔米特矩阵的所述特征基和所述对应的特征值的所述特征值矩阵来确定所述块对角辛矩阵。8.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述变换后的哈密顿量包括至少部分地解耦对应于所述量子电路的原始哈密顿量。9.根据权利要求8所述的方法，其中，至少部分解耦所述原始哈密顿量包括对角化所述原始哈密顿量的二次部分的至少一个线性电感模式。10.一种使用处理比特的计算机来模拟量子电路的系统，包括：至少一个处理器；以及包含指令的至少一个计算机可读介质，当所述指令被所述至少一个处理器执行时，使得所述系统执行操作，所述操作包括：生成对应于量子电路的变换后的哈密顿量...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁大威，赵汇海，施尧耘，
申请(专利权)人：阿里巴巴集团控股有限公司，
类型：发明
国别省市：