【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及量子计算，具体为一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法。
技术介绍
1、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，都正朝着规模化和实用化稳步前进。当下，探索量子计算机加速解决实际应用中的问题是量子计算的一个主要目标。在量子化学和量子计算的交叉点，量子机器学习具有加速数据分析的潜力，特别是对于量子数据，应用于量子材料，生物化学和高能物理。在这方面，变分量子特征求解器(variational quantum eigensolver,vqe)是提取物理系统特征的主要工具，同时也是展示量子优势的重要应用。物理系统的哈密顿量算子刻画了系统的特征，求解出其主要特征值和特征向量可以用于研究量子物理和量子化学中的系统，这对于科学研究和工业发展具有重要意义。比如，在量子化学中，通过变分量子特征求解器估计量子系统最低能量，进而用于获得化学反应(比如i2分子的解离)的详细信息。
2、一般来说，经典计算的方法提取哈密顿量的最小特征值和特征向量是非常困难的，它需要先对哈密顿量进行谱分解，而这会导致指数级的计算资源，使得实际操作难以实现。现有的量子方案虽然在小规模的例子上展示了变分量子特征求解器的效果，但是因为梯度消失问题使得它无法有效提取大规模哈密顿量的特征。
技术实现思路
1、(一)解决的技术问题
2、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法，给出实用且高效的量子特征求解器方案，其核心是利
3、(二)技术方案
4、为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
5、第一方面，提供了一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法，包括：
6、获取量子系统中待处理的哈密顿量h和单参数的量子电路其中θ表示所有的参数，ur表示第r个单参数的量子电路，r表示单参数量子电路的总数，r用于标记不同的量子电路；
7、通过所述单参数的量子电路制备初始量子态；
8、计算哈密顿量h在所述初始量子态下的能量；
9、根据哈密顿量h在所述初始量子态下的能量调节所述单参数的量子电路的参数并建立优化问题，所述优化问题的目标是哈密顿量h在当前量子态下的能量达到最小值；
10、通过变分量子特征求解器求解优化问题，得到哈密顿量h在当前量子态下的最小能量。
11、优选的，所述哈密顿量h表示为泡利算子的线性组合；
12、
13、其中,wl是实数，pl是泡利矩阵和单位矩阵的张量积,m为整数；
14、将哈密顿量h对角化处理，用数学符号表示为：
15、
16、其中，λj表示哈密顿量的特征值，|λj>是用狄拉克符号表示的特征向量。
17、优选的，通过所述单参数的量子电路制备初始量子态表示为其中n表示量子比特数。
18、优选的，所述根据哈密顿量h在所述初始量子态下的能量调节所述单参数的量子电路的参数，具体操作如下：
19、从[0,2π]从随机选取参数θr。
20、优选的，所述优化问题表示
21、优选的，所述通过变分量子特征求解器求解优化问题表示为：u(θ)表示一般参数化的酉算子，θ表示所有的参数。
22、优选的，所述哈密顿量h在当前量子态下的最小能量表示为
23、第二方面，提供了一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器系统，其特征在于，包括：
24、获取模块，用于获取量子系统中待处理的哈密顿量h和单参数的量子电路其中θ表示所有的参数，ur表示第r个单参数的量子电路，r表示单参数量子电路的总数，r用于标记不同的量子电路；
25、初始化模块，用于通过所述单参数的量子电路制备初始量子态；
26、计算模块，用于计算哈密顿量h在所述初始量子态下的能量；
27、处理模块，用于根据哈密顿量h在所述初始量子态下的能量调节所述单参数的量子电路的参数并建立优化问题，所述优化问题的目标是哈密顿量h在当前量子态下的能量达到最小值；
28、求解与输出模块，用于通过变分量子特征求解器求解优化问题，得到哈密顿量h在当前量子态下的最小能量。
29、第三方面，提供了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
30、第四方面，提供了一种计算设备，包括：
31、一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
32、(三)有益效果
33、本专利技术一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法，利用了已经在近期量子计算机上取得成功应用的参数化量子电路；参数化量子电路的功能是制备各种形式的量子态；该方案的原理是通过单参数的量子电路制备量子态，然后近似计算哈密顿量在该量子态下的能量，进而通过调节电路的参数来优化哈密顿量在这个量子态下的能量，并使其达到最小。
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1.一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法，其特征在于：所述哈密顿量H表示为泡利算子的线性组合；
3.根据权利要求1所述的一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法，其特征在于：通过所述单参数的量子电路制备初始量子态表示为其中n表示量子比特数。
4.根据权利要求1所述的一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法，其特征在于：所述根据哈密顿量H在所述初始量子态下的能量调节所述单参数的量子电路的参数，具体操作如下：
5.根据权利要求4所述的一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法，其特征在于：所述优化问题表示
6.根据权利要求5所述的一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法，其特征在于：所述通过变分量子特征求解器求解优化问题表示为：U(θ)表示一般参数化的酉算子，θ表示所有的参数。
7.根据权利要求6所述的一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法，其特征在于：所述哈密顿量H在当前量子态下的
8.一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器系统，其特征在于，包括：
9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1-7所述的方法中的任一方法。
10.一种计算设备，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法，其特征在于：所述哈密顿量h表示为泡利算子的线性组合；
3.根据权利要求1所述的一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法，其特征在于：通过所述单参数的量子电路制备初始量子态表示为其中n表示量子比特数。
4.根据权利要求1所述的一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法，其特征在于：所述根据哈密顿量h在所述初始量子态下的能量调节所述单参数的量子电路的参数，具体操作如下：
5.根据权利要求4所述的一种基于单参数量子电路的量子变分特征求解器方法，其特征在于：所述优化问题...
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