【技术实现步骤摘要】
技术介绍
1、本说明书涉及量子计算。
2、量子算法是在量子计算的现实模型上运行的算法，例如计算的量子电路模型。经典算法是求解任务的逐步过程，其中每个步骤由经典计算机进行。相似地，量子算法是求解任务的逐步过程，其中每个步骤由量子计算机进行。
技术实现思路
1、本说明书描述了用于减少状态准备和测量重复的数目的技术，以进行量子或经典量子算法内的算子平均。
2、总体上，本说明书所描述的主题的一个创新方面可以实现为由一个或多个量子装置和一个或多个经典处理器进行的方法，其用于估计量子力学可观察量的期望值，方法包含：识别与可观察量相关联的第一算子，其中第一算子包括项的线性组合；基于第一算子，确定线性组合中的项中的一个或多个的期望值上的一个或多个约束；定义第二算子，其中第二算子包括第一算子和一个或多个所确定的约束的组合；以及使用第二算子估计量子力学可观察量的期望值。
3、本方面的其他实现方式包含对应的计算机系统、设备和记录在一个或多个计算机储存装置上的计算机程序，其各自配置为进行方法的动作。一个或多个经典和/或量子计算机的系统可以配置为通过使安装在系统上的在运算中使得系统进行动作的软件、固件、硬件或其组合而进行特定运算或动作。一个或多个计算机程序可以配置为通过包含指令而进行特定运算或动作，当由数据处理设备执行指令时使得设备进行动作。
4、前述和其他实现方式可以各自可选地包含以下特征中的单独或组合的一个或多个。在一些实现方式中，使用第二算子估计量子力
5、在一些实现方式中，使用所述第二算子将所述可观察量的期望值估计到目标精确度所需的测量的数目小于使用所述第一算子将所述算子的期望值估计到目标精确度所需的测量的数目。
6、在一些实现方式中，方法还包括使用所估计的期望值模拟量子系统。
7、在一些实现方式中，第一算子由以下给出
8、
9、其中wγ表示标量系数，并且hγ表示作用在量子比特上的1-稀疏自逆算子。
10、在一些实现方式中，作用在量子比特上的1-稀疏自逆算子包括泡利(pauli)算子的串。
11、在一些实现方式中，使用第一算子估计可观察量的期望值包括进行(∑γ|wγ|/∈)2测量，其中∈表示预定的精确度。
12、在一些实现方式中，一个或多个约束包括等式约束。
13、在一些实现方式中，一个或多个约束中的每一个的期望值等于零。
14、在一些实现方式中，第二算子由以下给出
15、
16、其中ak表示标量系数，并且ck表示所确定的约束。
17、在一些实现方式中，使用第二算子确定可观察量的期望值包括进行(∑γ|wγ+∑kakc{k，γ}|/∈)2测量，其中∈表示预定的精确度。
18、在一些实现方式中，方法还包括将所述第一算子表示为矢量；将所确定的约束表示为矩阵；基于所述矢量和矩阵，定义凸优化任务；以及求解所述凸优化任务，以确定使用所述第二算子确定所述可观察量的期望值所需的测量的数目。
19、在一些实现方式中，方法还包括添加附加约束，附加约束对一个或多个约束抵消同一项。
20、在一些实现方式中，方法还包括确定第二算子不是厄密的(hermitian)；以及对第二算子恢复厄密性。
21、在一些实现方式中，对所述第二算子恢复厄密性包括创建新的算子，所述新的算子在n电子流形中与所述第一算子同谱，其中可靠地估计与所述新的算子相关联的所述可观察量所需的测量的数目随着可靠地估计与所述第二算子相关联的所述可观察量所需的测量的数目而缩放。
22、在一些实现方式中，第一算子包括第一哈密顿量，并且第二算子包括第二哈密顿量。
23、在一些实现方式中，约束包括(i)等式约束或(ii)不等式约束中的一个或多个。
24、在一些实现方式中，所述约束包括纯状态约束，其中纯状态约束包括使得所述量子系统的所测量的量子状态从退相干量子状态映射到最接近纯量子状态的约束。
25、在一些实现方式中，所述第二算子包括项的线性组合，并且其中使用所述第二算子确定所述可观察量的期望值包括并行地测量所述第二算子的对角线项。
26、更具体地，提供了一种由量子计算装置实现的方法，该方法包括:从经典处理器接收指定初始量子状态和表示物理系统的量子力学可观察量的算子组合的数据，其中算子的组合基于量子力学可观察量的项的期望值上的约束且具有与量子力学可观察量相同的期望值；准备初始量子状态的独立拷贝；对初始量子状态的独立拷贝执行算子组合的测量；以及向所述经典处理器发送表示用于估计量子力学可观察量的期望值的算子组合的测量结果的数据。
27、本说明书中所描述的主题可以实现为特定方式，以便实现以下优点中的一个或多个。
28、通常地，对于化学准确度，需要全部量子比特的状态准备的和测量的数千万的实验重复，以将算子的期望值估计到目标精确度。通过应用本说明书中所描述的技术，减少了状态准备和测量的实验重复的所需数目。因此，实现本说明书中所描述的作为量子或经典量子算法的一部分的算子平均的系统可以实现更高效的计算时间。此外，通过减少状态准备和测量的实验重复的所需的数目，实现本说明书中所描述的作为量子或经典-量子算法的一部分的算子平均的系统可以需要更少的计算资源，并且改善与进行量子或经典-量子算法相关联的成本。
29、附图中和以下的描述中提出了本说明书的主题的一个或多个实现方式的细节。主题的其他特征、方面和优点将从描述、附图和权利要求变得明显。
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1.一种由量子计算装置实现的方法，该方法包括:
2.如权利要求1所述的方法，其中，量子力学可观察量的项的期望值上的约束是使用物理系统中包括的粒子之间的相互作用来确定的。
3.如权利要求1所述的方法，其中，量子力学可观察量的项的期望值上的约束中的一个或多个包括能量守恒常数。
4.如权利要求1所述的方法，其中，量子力学可观察量的项的期望值上的约束中的一个或多个包括动量守恒常数。
5.如权利要求1所述的方法，其中，物理系统的量子力学可观察量包括描述所述物理系统的动力学的哈密顿量。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述哈密顿量包括量子比特算子的加权线性组合。
7.如权利要求1所述的方法，其中每个约束的期望值等于零。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述算子的组合包括量子力学可观察量和量子力学可观察量的项的期望值上的约束的加权线性组合。
9.如权利要求1所述的方法，其中，对所述初始量子态的独立拷贝执行算子组合的测量包括并行测量算子组合的对角项。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述
11.如权利要求1所述的方法，其中所述约束包括纯状态约束，其中纯状态约束包括使得量子系统的测量的量子状态从退相干量子状态映射到最接近纯量子状态的约束。
12.如权利要求1所述的方法，其中算子的组合是厄密的。
13.一种量子计算装置，包括:
14.如权利要求1所述的量子计算装置，其中，使用物理系统中包括的粒子之间的相互作用来确定量子力学可观察量的项的期望值上的约束。
15.如权利要求13所述的量子计算装置，其中，量子力学可观察量的项的期望值上的约束中的一个或多个包括能量守恒常数。
16.如权利要求13所述的量子计算装置，其中，量子力学可观察量的项的期望值上的约束中的一个或多个包括动量守恒常数。
17.如权利要求13所述的量子计算装置，其中，物理系统的量子力学可观察量包括描述物理系统的动力学的哈密顿量。
18.如权利要求17所述的量子计算装置，其中哈密顿量包括量子比特算子的加权线性组合。
19.如权利要求13所述的量子计算装置，其中每个约束的期望值等于零。
20.如权利要求13所述的量子计算装置，其中算子的组合包括所述量子力学可观察量和量子力学可观察量的项的期望值的约束的加权线性组合。
21.一种由一个或多个量子装置和一个或多个经典处理器进行的用于估计量子力学可观察量的期望值的方法，所述方法由所述一个或多个经典处理器执行并包括：
22.如权利要求21所述的方法，其中使用所述第二算子将所述可观察量的期望值估计到目标精确度所需的测量的数目小于使用所述第一算子将所述可观察量的期望值估计到目标精确度所需的测量的数目。
23.如权利要求21所述的方法，还包括使用所估计的期望值模拟所述量子系统。
24.如权利要求21所述的方法，其中作用在量子比特上的所述1-稀疏自逆算子表示泡利算子的串。
25.如权利要求21或24所述的方法，其中使用所述第一算子估计所述可观察量的期望值包括进行(∑γ|wγ|/∈)2测量，其中∈表示预定的精确度。
26.如权利要求21所述的方法，其中所述第二算子由以下给出
27.如权利要求26所述的方法，其中使用所述第二算子确定所述可观察量的期望值包括进行(∑γ|wγ+∑kakc{k，γ}|/∈)2测量，其中∈表示预定的精确度。
28.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
29.如权利要求28所述的方法，还包括添加附加约束，所述附加约束对所述一个或多个约束抵消同一项。
30.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
31.如权利要求30所述的方法，其中对所述第二算子恢复厄密性包括创建新的算子，所述新的算子在n电子流形中与所述第一算子同谱，其中可靠地估计与所述新的算子相关联的所述可观察量所需的测量的数目随着可靠地估计与所述第二算子相关联的所述可观察量所需的测量的数目而缩放。
32.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一算子包括第一哈密顿量，并且所述第二算子包括第二哈密顿量。
33.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述约束是以下的一个或多个：(i)等式约束或(ii)不等式约束。
34.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述约束包括纯状态约束，其中所述纯状态约束是使得所述量子系统的...
【技术特征摘要】
1.一种由量子计算装置实现的方法，该方法包括:
2.如权利要求1所述的方法，其中，量子力学可观察量的项的期望值上的约束是使用物理系统中包括的粒子之间的相互作用来确定的。
3.如权利要求1所述的方法，其中，量子力学可观察量的项的期望值上的约束中的一个或多个包括能量守恒常数。
4.如权利要求1所述的方法，其中，量子力学可观察量的项的期望值上的约束中的一个或多个包括动量守恒常数。
5.如权利要求1所述的方法，其中，物理系统的量子力学可观察量包括描述所述物理系统的动力学的哈密顿量。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述哈密顿量包括量子比特算子的加权线性组合。
7.如权利要求1所述的方法，其中每个约束的期望值等于零。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述算子的组合包括量子力学可观察量和量子力学可观察量的项的期望值上的约束的加权线性组合。
9.如权利要求1所述的方法，其中，对所述初始量子态的独立拷贝执行算子组合的测量包括并行测量算子组合的对角项。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述约束包括以下的一个或多个：(i)等式约束或(ii)不等式约束。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述约束包括纯状态约束，其中纯状态约束包括使得量子系统的测量的量子状态从退相干量子状态映射到最接近纯量子状态的约束。
12.如权利要求1所述的方法，其中算子的组合是厄密的。
13.一种量子计算装置，包括:
14.如权利要求1所述的量子计算装置，其中，使用物理系统中包括的粒子之间的相互作用来确定量子力学可观察量的项的期望值上的约束。
15.如权利要求13所述的量子计算装置，其中，量子力学可观察量的项的期望值上的约束中的一个或多个包括能量守恒常数。
16.如权利要求13所述的量子计算装置，其中，量子力学可观察量的项的期望值上的约束中的一个或多个包括动量守恒常数。
17.如权利要求13所述的量子计算装置，其中，物理系统的量子力学可观察量包括描述物理系统的动力学的哈密顿量。
18.如权利要求17所述的量子计算装置，其中哈密顿量包括量子比特算子的加权线性组合。
19.如权利要求13所述的量子计算装置，其中每个约束的期望值等于零。
20.如权利要求13所述的量子计算装置，其中算子的组合包括所述量子力学可观察量和量子力学可观察量的项的期望值的约束的加权线性组合。
21.一种由一个或多个量子装置和一个或多个经典处理器进行的用于估计量子力学可观察量的期望值的方法，所述方法由所述一个或多个经典处理器执行并包括：
22.如权利要求21所述的方法，其中使用所述第二算子将所述可观察量的期望值估计到目标精确度所需的测量的数目小于使用所述第一算子将所述可观察量的期望值估计到目标精确度所需的测量的数目。
23.如权利要求21所述的方法，还包括使用所估计的期望值模拟所述量子系统。
24.如权利要求21所述的方法，其中作用在量子比特上的所述1-稀疏自逆算子表示泡利算子的串。
25.如权利要求21或24所述的方法，其中使用所述第一算子估计所述可观察量的期望值包括进行(∑γ|wγ|/∈)2测量，其中∈表示预定的精确度。
26.如权利要求21所述的方法，其中所述第二算子由以下给出
27.如权利要求26所述的方法，其中使用所述第二算子确定所述可观察量的期望值包括进行(∑γ|wγ+∑kakc{k，γ}|/∈)2测量，其中∈表示预定的精确度。
28.如前述...
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