基于量子线路模拟生物光电解制氢气的装置、方法、设备及介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开的基于量子线路模拟生物光电解制氢气的装置、方法、设备及介质，涉及量子计算技术领域，其中，基于量子线路模拟生物光电解制氢气的装置包括第一子线路、第二子线路、第三子线路及计算子线路，其中，第一子线路包括顺序作用于第一量子比特的第一量子H门、量子旋转门及第二量子H门，第二子线路包括顺序作用于第二量子比特的第三量子H门及第一CNOT门，第三子线路包括顺序作用于第三量子比特的第四量子H门及第二CNOT门，其中，所述第三量子比特代表氢质子，计算子线路作用于第二量子比特及第三量子比特，用于基于VQE算法，计算哈密顿量的本征值，为人工光合作用提供了一个高效、低成本且可控的量子模拟环境。低成本且可控的量子模拟环境。低成本且可控的量子模拟环境。

【技术实现步骤摘要】
基于量子线路模拟生物光电解制氢气的装置、方法、设备及介质


[0001]本专利技术涉及量子计算
，尤其涉及一种基于量子线路模拟生物光电解制氢气的装置、方法、设备及介质。

技术介绍

[0002]生物光电解是光合作用过程的一部分，它涉及到光子能量的吸收和转化，以及电子的转移。在这个过程中存在一些量子效应，包括量子相干和量子纠缠等量子效应。这些量子效应在光合作用的光依赖阶段，特别是在光系统的反应中心，发挥了重要的作用。在某些微生物（如蓝藻）中，可以通过将电子直接传递给质子，生成氢气。这个过程需要特殊的酶，如氢酶。在蓝藻中，当电子找到最低能量态（哈密顿量的本征值）后，会通过氢酶把电子直接传递给质子，生成氢气。这个化学过程可以表示为：。这是一个化学反应，是在电子和质子的相互作用下发生的。这两个过程是相互关联的。首先，光子的吸收激发出电子，然后电子通过量子行走寻找最低能量态。当电子找到最低能量态后，如果存在氢酶，那么电子就可以通过氢酶把电子直接传递给质子，生成氢气。
[0003]在量子物理中，电子的能量状态是离散的，也就是说，电子不能处于任意的能量状态，而只能处于某些特定的能量状态。这些能量状态被称为能级。当电子从一个能级跃迁到另一个能级时，必须吸收或释放与两个能级的能量差相等的能量。这就是为什么电子需要先通过量子行走找到最低能量态，然后才能通过氢酶把电子直接传递给质子。此外，这个过程也是受到热力学的影响的。在一个化学反应中，反应物需要越过一个能量障碍才能转化为产物。这个能量障碍被称为活化能。如果电子的能量过高，那么它可能无法越过这个能量障碍，从而无法与质子结合生成氢气。因此，电子需要先找到一个能量足够低的状态，才能稳定地与质子结合生成氢气。
[0004]人工光合作用是一种模拟自然光合作用的过程，其目标是利用太阳能，将二氧化碳和水转化为有用的能源，如氢气或者有机物质，比如糖类。这个过程如果成功的话，不仅可以提供可持续的能源来源，而且还有可能帮助减少大气中的二氧化碳浓度，从而对抗气候变化。
[0005]以下是人工光合作用的一些可能的应用前景：
[0006]（1）可再生能源：人工光合作用可以用于产生一种可再生、无碳的能源，比如氢气。通过人工光合作用，水在阳光的作用下可以分解为氧气和氢气，而后者可以作为一种高效、清洁的能源使用；
[0007]（2）天然气替代品：人工光合作用还可以用来制造天然气的替代品，如甲烷。通过人工光合作用，二氧化碳和水可以在阳光的作用下转化为氧气和甲烷；
[0008]（3）降低二氧化碳浓度：人工光合作用可以吸收大气中的二氧化碳，并将其转化为有用的化合物，如糖类或其他有机物质。这样不仅可以减少大气中的二氧化碳浓度，从而对抗气候变化，同时也可以提供可再生的原料，用于制造各种产品，如塑料和药品。
[0009]对于人工光合作用，当前主要使用量子化学计算方法来研究涉及光激发和电子转移的过程。这些量子化学计算方法包括密度泛函理论、耦合簇理论和多配置自洽场方法等。通过计算分子的能量和电子结构，可以预测化学反应的可能途径和产物。但是这些量子化学计算方法的复杂度较高且光合作用取决于许多因素，包括反应物的性质、反应条件和催化剂的存在等，模拟很困难且化学反应的复杂性高，导致实现光合作用模拟的效率较低且由于这些量子化学计算方法属于收费项目，导致成本较高。所以说，尽管人工光合作用具有巨大的潜力，但实现这一过程的技术挑战仍然很大。所以说，目前嗜需找到一种既高效又经济的方法来模拟自然界中的光合作用过程。

技术实现思路

[0010]有鉴于此，本专利技术实施例提供一种基于量子线路模拟生物光电解制氢气的装置、方法、设备及介质，用于实现既高效又经济地模拟生物光电解制造氢气。
[0011]根据本专利技术的一个方面，本专利技术的一个实施例提供了一种基于量子线路模拟生物光电解制氢气的装置包括：
[0012]第一子线路，包括顺序作用于第一量子比特的第一量子H门、量子旋转门及第二量子H门，其中，所述第一量子比特代表光子。
[0013]第二子线路，包括顺序作用于第二量子比特的第三量子H门及第一CNOT门，其中，所述第二量子比特代表电子。
[0014]第三子线路，包括顺序作用于第三量子比特的第四量子H门及第二CNOT门，其中，所述第三量子比特代表氢质子。
[0015]计算子线路，作用于所述第二量子比特及所述第三量子比特，用于基于VQE算法，计算哈密顿量的本征值，以使得电子被光子激发后与氢质子结合，生成氢气，其中：
[0016]经过所述第二量子H门操作的第一量子比特为所述第一CNOT门的控制量子比特，经过所述第三量子H门操作的第一量子比特作为所述第一CNOT门的目标量子比特；经过所述第一CNOT门操作的第二量子比特作为所述第二CNOT门的控制量子比特，经过所述第四量子H门操作的第三量子比特作为所述第二CNOT门的目标量子比特。
[0017]在一些实施例中，量子旋转门为量子Z门。
[0018]在一些实施例中，该基于量子线路模拟生物光电解制氢气的装置还包括：
[0019]第一测量装置，被配置为对依次经过所述第一量子H门、所述量子旋转门及所述第二量子H门的第一量子比特进行测量，得到第一测量值。
[0020]第二测量装置，被配置为对依次经过所述第三量子H门及所述第一CNOT门的第二量子比特进行测量，得到第二测量值。
[0021]第三测量装置，被配置为对依次经过所述第四量子H门及所述第二CNOT门的第三量子比特进行测量，得到第三测量值，其中，所述第一测量值、所述第二测量值及所述第三测量值为0或1。
[0022]在一些实施例中，该基于量子线路模拟生物光电解制氢气的装置还包括：
[0023]计算模块，被配置为计算所述第一测量值为1、所述第二测量值为1及所述第三测量值为1同时存在的概率。
[0024]优化模块，被配置为根据所述概率，对所述量子线路进行优化。
[0025]根据本专利技术的另一个方面，本专利技术的一个实施例提供了一种基于上述装置模拟生物光电解制造氢气的方法，该方法包括以下步骤：
[0026]分别初始化第一量子比特、第二量子比特和第三量子比特。
[0027]在同一时刻，通过第一子线路的第一量子H门对初始化后的第一量子比特执行第一次量子H门操作、通过第二子线路的第三量子H门对初始化后的第二量子比特执行量子H门操作和通过第三子线路的第四量子H门对初始化后的第三量子比特执行量子H门操作。
[0028]通过第一子线路的量子旋转门对经过第一次量子H门操作的第一量子比特执行量子旋转门操作。
[0029]通过第一子线路中的第二量子H门对经过所述量子旋转门操作的第一量子比特执行第二次量子H门操作。
[0030]通过第二子线路中的第一CNOT门对经过所述第三量子H门操作的第二量子比特执行CNOT门操作。
[0031]通过第三子线路中的第二CNOT门对经过所述第四量子H门操作的第三量子比特执行CNOT门操作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于量子线路模拟生物光电解制氢气的装置，其特征在于，包括：第一子线路，包括顺序作用于第一量子比特的第一量子H门、量子旋转门及第二量子H门，其中，所述第一量子比特代表光子；第二子线路，包括顺序作用于第二量子比特的第三量子H门及第一CNOT门，其中，所述第二量子比特代表电子；第三子线路，包括顺序作用于第三量子比特的第四量子H门及第二CNOT门，其中，所述第三量子比特代表氢质子；以及计算子线路，作用于所述第二量子比特及所述第三量子比特，用于基于VQE算法，计算哈密顿量的本征值，以使得电子被光子激发后与氢质子结合，生成氢气，其中：经过所述第二量子H门操作的第一量子比特为所述第一CNOT门的控制量子比特，经过所述第三量子H门操作的第一量子比特作为所述第一CNOT门的目标量子比特；经过所述第一CNOT门操作的第二量子比特作为所述第二CNOT门的控制量子比特，经过所述第四量子H门操作的第三量子比特作为所述第二CNOT门的目标量子比特。2.根据权利要求1所述的基于量子线路模拟生物光电解制氢气的装置，其特征在于，所述量子旋转门为量子Z门。3.根据权利要求1所述的基于量子线路模拟生物光电解制氢气的装置，其特征在于，所述装置还包括：第一测量装置，被配置为对依次经过所述第一量子H门、所述量子旋转门及所述第二量子H门的第一量子比特进行测量，得到第一测量值；第二测量装置，被配置为对依次经过所述第三量子H门及所述第一CNOT门的第二量子比特进行测量，得到第二测量值；第三测量装置，被配置为对依次经过所述第四量子H门及所述第二CNOT门的第三量子比特进行测量，得到第三测量值，其中，所述第一测量值、所述第二测量值及所述第三测量值为0或1。4.根据权利要求3所述的基于量子线路模拟生物光电解制氢气的装置，其特征在于，所述装置还包括：计算模块，被配置为计算所述第一测量值为1、所述第二测量值为1及所述第三测量值为1同时存在的概率；优化模块，被配置为根据所述概率，对所述量子线路进行优化。5.一种基于权利要求1
‑
4中任一项所述基于量子线路模拟生物光电解制氢气的装置制氢气的方法，其特征在于，所述方法包括：分别初始化第一量子比特、第二量子比特和第三量子比特；在同一时刻，通过第一子线路的第一量子H门对初始化后的第一量子比特执行第一次量子H门操作、通过第二子线路的第三量子H门对初始化后的第二量子比特...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾祥洪，陈柳平，周卓俊，韩琢，罗乐，
申请(专利权)人：启科量子技术珠海有限公司，
类型：发明
国别省市：