【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及量子计算，特别涉及一种反应路径模拟方法和装置、存储介质、量子计算设备。
技术介绍
1、双分子亲核取代反应（反应）是亲核取代反应的一类，为有机化学中的一种常见类型的反应，其中s代表取代（substitution），n代表亲核（nucleophilic），2代表反应涉及两种分子。反应、反应等均属于典型的反应。参见图1所示的反应过程示意图，的反应是协同过程，亲核试剂nu从反应物离去基团x的背面向与它连接的中心碳原子c进攻，先和中心碳原子c形成较弱的键，同时离去基团x与中心碳原子c的键有一定程度的减弱，两者与中心碳原子c形成一条直线，中心碳原子c和三个h形成的甲基ch3逐渐从四面体构型转变为平面构型。此过程需要消耗一定的能量，即活化能。当反应进行和达到能量最高状态即过渡态后，中心碳原子c与亲核试剂nu之间形成的键变强，中心碳原子c与离去基团x之间的键断裂，中心碳原子c和三个h形成的甲基ch3逐渐从平面构型向相反方向偏转，此时构型发生变化。此类反应在多个科学领域中发挥着重要作用，包括有机合成、药物开发和生物化学等。
2、化学反应路径（reaction pathway）描述了一个化学反应从反应物到生成物的过程，揭示出反应进行的微观机理。它通常包括反应的起始物质、中间产物、可能的过渡态以及最终生成的产品。在化学反应路径中，反应就是从一个稳定状态（即反应物或中间体）通过一个潜在能垒（即过渡态）转变到另一个稳定状态（即中间体或生成物）。每一步反应都可以用其活化能（能垒高度）和反应熵来描述。了解和控制反应路径，尤其是过渡态
3、目前，可以计算反应路径的经典算法中应用比较广泛是推动弹性带（nudgedelastic band，neb）算法。在neb算法中，需要插入多帧图像，包括初始和最终状态，以及它们之间的中间状态。每一帧图像对应着反应路径中的几何构型，它们被弹性带（elasticband）连结起来以形成一个连续的路径。最终通过不断优化中间状态的每一帧图像信息，得到最优反应路径。但是该算法存在着两个缺陷，一是基态能量计算准确性不高，二是路径优化收敛速度较慢。
4、为了解决neb算法中存在的问题，在进行反应路径计算时，开始考虑使用基于变分量子本征求解器（variational quantum eigensolver，vqe）的化学反应路径优化的量子算法。基于vqe的化学反应路径优化的量子算法是使用量子计算机实现，量子计算机是一种特殊的计算设备，其运作原理基于量子力学的规则，如量子比特的叠加性和量子计算的并行性，可以高效解决经典计算无法有效处理的问题，其中vqe可以有效解决基态能量计算准确性不高的问题。
5、目前，有研究者基于vqe提出了一种计算h-h-h的反应路径的量子算法。在该算法中，研究者将中间状态的每一帧图像信息都编码于量子门中。进一步使用参数化量子线路对每一帧图像进行扰动，并使用变分量子本征求解器计算每一帧图像对应的基态能量，最终学习优化得到h-h-h反应路径。
技术实现思路
1、本申请专利技术人发现，基于vqe的化学反应路径优化的量子算法使用量子纠缠实现确实具有一定的加速作用；但是，由于vqe算法中参数化量子线路具有各帧图像之间的纠缠，且vqe方法更新参数化量子线路中量子门参数使用了各帧图像的联系，因此在更新参数化量子线路中量子门参数时重复使用了各帧图像的联系，导致计算复杂度高，对量子计算资源的需求量很大，计算资源开销大，且计算时间也比较长。
2、鉴于上述问题，提出了本专利技术以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种反应路径模拟方法和装置、存储介质、量子计算设备。
3、本专利技术实施例提供一种反应路径模拟方法，包括：
4、初始化反应初始状态、k个中间状态和最终状态的图像信息，得到各状态的初始化图像数据，其中，k为奇数，且k≥3；
5、使用构建好的量子编码线路对中间状态的初始化图像数据进行编码，得到各中间状态的初始化图像信息编码；
6、在每个量子编码线路中作用一个参数化量子线路，通过更新参数化量子线路中量子门的参数，扰动中间状态的图像，得到扰动图像信息编码；
7、对扰动图像信息编码进行量子态解码，得到中间状态的扰动图像数据；
8、根据初始状态和最终状态的初始化图像数据、中间状态的扰动图像数据构建损失函数；
9、在损失函数值未收敛的情况下，根据损失函数值更新参数化量子线路中量子门参数，返回继续执行扰动中间状态的图像的步骤，直至损失函数值收敛，对损失函数值收敛后各状态的图像信息编码进行解码，得到反应路径。
10、在一些可选的实施例中，所述初始化反应初始状态、k个中间状态和最终状态的图像信息，得到的各状态的初始化图像数据，包括：
11、对于反应的初始状态的初始化图像、k个中间状态的初始化图像和最终状态的初始化图像，分别设置保留基团的空间坐标，离去基团x、中心碳原子c和亲核试剂nu的x轴坐标和y轴坐标，以及设置离去基团、中心碳原子和亲核试剂的z轴坐标约束条件；
12、所述保留基团为底物中除去中心碳原子、离去基团后的元素。
13、在一些可选的实施例中，所述初始化反应初始状态、k个中间状态和最终状态的图像信息，得到的各状态的初始化图像数据，包括：
14、对于反应的初始状态的初始化图像，将保留基团的空间坐标设置为固定坐标，将离去基团、中心碳原子和亲核试剂的x轴坐标和y轴坐标设置为0，z轴坐标约束条件包括：、、；其中，nu表示亲核试剂，c表示中心碳原子，x表示离去基团，表示初始状态下坐标原点0到亲核试剂的z轴坐标的距离、表示初始状态下亲核试剂和中心碳原子的间距、表示亲核试剂和中心碳原子的键长阈值、表示初始状态下中心碳原子和离去基团的间距；表示中心碳原子和离去基团的键长阈值；
15、对于反应的中间状态的初始化图像，将保留基团的空间坐标设置为固定坐标且与初始状态的一致，将离去基团、中心碳原子和亲核试剂的x轴坐标和y轴坐标设置为0；离去基团和中心碳原子断键前的第一中间状态的初始化图像，z轴坐标约束条件包括、、；分子构型翻转过程中的第二中间状态的初始化图像，z轴坐标约束条件包括、、；中心碳原子和亲核试剂成键后的第三中间状态的初始化图像，z轴坐标约束条件包括、；其中、、；、、分别表示第一中间状态、第二中间状态、第三中间状态下坐标原点0到亲核试剂的z轴坐标的距离，、、分别表示第一中间状态、第二中间状态、第三中间状态下亲核试剂和中心碳原子的间距，、、分别表示第一中间状态、第二中间状态、第三中间状态本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种反应路径模拟方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始化反应初始状态、k个中间状态和最终状态的图像信息，得到的各状态的初始化图像数据，包括：
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始化反应初始状态、k个中间状态和最终状态的图像信息，得到的各状态的初始化图像数据，包括：
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预先构建与中间状态的初始化图像数量相等的量子编码线路，并初始化量子编码线路的量子态；使用一个量子编码线路对一个中间状态的初始化图像进行编码，量子编码线路中的量子比特数量根据反应中关注的反应参数确定。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述使用构建好的量子编码线路对中间状态的初始化图像数据进行编码，得到各中间状态的初始化图像信息编码，包括：
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据坐标原点与亲核试剂的距离、亲核试剂与中心碳原子的间距、中心碳原子与离去基团的间距，以及预先确定的编码参量，确定所关注的反应参数的编码信息，包括：
7.如权利要求1所述的
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对扰动图像信息编码进行量子态解码，得到中间状态的扰动图像数据，包括：
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述计算各状态的比特数低于设定阈值的哈密顿量，并估算各状态的哈密顿量的基态能量，包括：
10.如权利要求1-9任一所述的方法，其特征在于，所述根据损失函数值更新参数化量子线路中量子门的待优化参数，包括：
11.一种反应路径模拟装置，其特征在于，包括：
12.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1-10任一所述的反应路径模拟方法。
13.一种量子计算设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储于存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-10任一所述的反应路径模拟方法。
...【技术特征摘要】
1.一种反应路径模拟方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始化反应初始状态、k个中间状态和最终状态的图像信息，得到的各状态的初始化图像数据，包括：
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始化反应初始状态、k个中间状态和最终状态的图像信息，得到的各状态的初始化图像数据，包括：
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预先构建与中间状态的初始化图像数量相等的量子编码线路，并初始化量子编码线路的量子态；使用一个量子编码线路对一个中间状态的初始化图像进行编码，量子编码线路中的量子比特数量根据反应中关注的反应参数确定。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述使用构建好的量子编码线路对中间状态的初始化图像数据进行编码，得到各中间状态的初始化图像信息编码，包括：
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据坐标原点与亲核试剂的距离、亲核试剂与中心碳原子的间距、中心碳原子与离去基团的间距，以及预先确定的编码参量，确定所关注的反应参数的编码信息，包括：
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数化量子线路包括一组含有待优化参数的单比特量子门，和两比特纠缠门c...
【专利技术属性】
技术研发人员：林跃锋，冯冠儒，项金根，
申请(专利权)人：深圳量旋科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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