CN114511091B - 基于等同粒子特性制备体系试验态的方法、装置及介质 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种基于等同粒子特性制备体系试验态的方法、装置及介质，其中，基于等同粒子特性制备体系试验态的方法包括：确定体系以及所述体系的轨道数和电子数；基于等同粒子特性，根据所述体系的轨道数和电子数，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数；根据所述激发项数以及激发项对应的系数，计算所述体系的费米子形式的簇算符；基于所述体系的费米子形式的簇算符，求解所述体系的试验态。本申请属于量子计算领域，解决了现有技术中难以模拟复杂分子的技术问题，节约了计算资源，提高了复杂分子的模拟效率。
Description
技术领域
本申请属于量子计算领域，特别是一种基于等同粒子特性制备体系试验态的方法、装置及介质。
背景技术
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机因其具有相对普通计算机更高效的处理数学问题的能力。可以理解的是，化学物质或材料的关键属性取决于化学物质或材料的电子性质，所以准确模拟化学物质或材料的电子性质至关重要。
长期以来，在原子水平上对分子和材料的能量和性质的理论解释一直被认为是量子计算最直接的应用之一，其作为一种新的计算范式受到广泛关注。近年来，利用量子计算机获取分子能量的算法一直是人们关注的焦点，但由于量子位数和相干时间的限制，对复杂分子体系的模拟仍然存在困难。
发明内容
本申请的目的是提供一种基于等同粒子特性制备体系试验态的方法、装置及介质，以解决现有技术中难以模拟复杂分子的技术问题，节约了计算资源，提高了复杂分子的模拟效率。
第一方面，本申请提供了一种基于等同粒子特性制备体系试验态的方法，包括：
确定体系以及所述体系的轨道数和电子数；
基于等同粒子特性，根据所述体系的轨道数和电子数，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数；
根据所述激发项数以及激发项对应的系数，计算所述体系的费米子形式的簇算符；
基于所述体系的费米子形式的簇算符，求解所述体系的试验态。
可选的，所述基于等同粒子特性，根据所述体系的轨道数和电子数，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数，包括：
根据所述体系的轨道数和电子数，获取所述体系的Hartree-Fock态；
根据预先选择的拟设方式，基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数。
可选的，根据预先选择的拟设方式，基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数，包括：
当所述拟设方式为单激发耦合簇时，确定所述体系的费米子形式的簇算符只包括单激发项数；
基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，将所述体系的费米子形式中具有相同的激发几率的两个单激发项对应的簇算符合并，合并后的单激发项系数为合并前的单激发项系数的两倍。
可选的，根据预先选择的拟设方式，基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数，包括：
当预先选择的拟设方式为单双激发耦合簇时，确定所述体系的费米子形式的簇算符只包括单激发项数和双激发项数；
基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，将所述体系的费米子形式中具有相同的激发几率的两个单激发项对应的簇算符合并，合并后的单激发项系数为合并前的单激发项系数的两倍；以及将具有相同的激发几率的两个双激发项对应的簇算符合并，合并后的双激发项系数为合并前的双激发项系数的两倍。
可选的，所述基于所述体系的费米子形式的簇算符，求解所述体系的试验态，包括：
根据预先选择的映射方式，将所述体系的费米子形式的簇算符变换为泡利算子形式的簇算符；
将所述泡利算子形式的簇算符分解为对应酉算子形式并进行演化，以获得演化后的量子态；其中，演化后的所述量子态为所述体系的试验态。
可选的，所述将所述泡利算子形式的簇算符分解为对应酉算子形式并进行演化，以获得演化后的量子态，包括：
基于所述泡利算子形式的簇算符分解后对应的酉算子，构造量子模拟线路；
根据所述量子模拟线路进行模拟演化，得到演化后的量子态。
可选的，所述映射方式为Jordan-Wigner变换、Parity变换、Bravyi-Kitaev变换和SegmentParity变换中的一种。
第二方面，本申请还提供了一种基于等同粒子特性制备体系试验态的装置，包括：
第一确定模块，用于确定体系以及所述体系的轨道数和电子数；
第二确定模块，用于基于等同粒子特性，根据所述体系的轨道数和电子数，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数；
计算模块，用于根据所述激发项数以及激发项对应的系数，计算所述体系的费米子形式的簇算符；
求解模块，用于确定基于所述体系的费米子形式的簇算符，求解所述体系的试验态。
可选的，所述第二确定模块，包括：
获取单元，用于据所述体系的轨道数和电子数，获取所述体系的Hartree-Fock态；
确定单元，用于根据预先选择的拟设方式，基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数。
可选的，所述确定单元，还用于：当所述拟设方式为单激发耦合簇时，确定所述体系的费米子形式的簇算符只包括单激发项数；基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，将所述体系的费米子形式中具有相同的激发几率的两个单激发项对应的簇算符合并，合并后的单激发项系数为合并前的单激发项系数的两倍。
可选的，所述确定单元，还用于：当预先选择的拟设方式为单双激发耦合簇时，确定所述体系的费米子形式的簇算符只包括单激发项数和双激发项数；基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，将所述体系的费米子形式中具有相同的激发几率的两个单激发项对应的簇算符合并，合并后的单激发项系数为合并前的单激发项系数的两倍；以及将具有相同的激发几率的两个双激发项对应的簇算符合并，合并后的双激发项系数为合并前的双激发项系数的两倍。
可选的，所述第二确定模块，还包括：
变换单元，用于根据预先选择的映射方式，将所述体系的费米子形式的簇算符变换为泡利算子形式的簇算符；
演化单元，用于将所述泡利算子形式的簇算符分解为对应酉算子形式并进行演化，以获得演化后的量子态；其中，演化后的所述量子态为所述体系的试验态。
可选的，所述演化单元，还用于：基于所述泡利算子形式的簇算符分解后对应的酉算子，构造量子模拟线路；根据所述量子模拟线路进行模拟演化，得到演化后的量子态。
可选的，所述映射方式为Jordan-Wigner变换、Parity变换、Bravyi-Kitaev变换和SegmentParity变换中的一种。
第三方面，本申请还提供了一种电子装置，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器通过运行所述可执行指令以实现上述第一方面中任一项所述的方法。
第四方面，本申请还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现上述第一方面中任一项所述方法的步骤。
本申请在制备体系试验态的过程中，计算体系的费米子形式的簇算符时，由于考虑了等同粒子特性，费米子形式的簇算符中需要计算的激发项数要小于现有技术中不考虑等同粒子特性时的激发项数，降低了系统的复杂性，进而在求解体系的试验态时，减少了计算量，解决了现有技术中难以模拟复杂分子的技术问题，节约了计算资源，便于后续体系能量的计算，提高了复杂分子的模拟效率。
附图说明
图1是本申请一示例性实施例提供的一种基于等同粒子特性制备体系试验态的方法的计算机终端的硬件结构框图；
图2是本申请一示例性实施例提供的一种基于等同粒子特性制备体系试验态的方法的流程示意图；
图3为本申请一示例性实施例提供的一种拟设方式对应的量子线路结构示意图；
图4为本申请一示例性实施例提供的氢分子轨道示意图；
图5为本申请一示例性实施例提供的H1对应的量子线路示意图；
图6为本申请一示例性实施例提供的H1和H2对应的量子线路示意图；
图7为本申请一示例性实施例提供的H1、H2和H3对应的量子线路示意图；
图8为本申请一示例性实施例提供的H1、H2、H3和H4对应的量子线路示意图；
图9为本申请一示例性实施例提供的H1、H2、H3、H4和H5对应的量子线路示意图；
图10为本申请一示例性实施例提供的一种基于等同粒子特性制备体系试验态的装置的结构示意图。
具体实施方式
下面以运行在计算机终端上为例对其进行详细说明。图1为本申请一示例性实施例提供的一种基于等同粒子特性制备体系试验态的方法的计算机终端的硬件结构框图。如图1所示，计算机终端可以包括一个或多个(图1中仅示出一个)处理器102(处理器102可以包括但不限于微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置)和用于存储数据的存储器104，可选地，上述计算机终端还可以包括用于通信功能的传输装置106以及输入输出设备108。本领域普通技术人员可以理解，图1所示的结构仅为示意，其并不对上述计算机终端的结构造成限定。例如，计算机终端还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。
存储器104可用于存储应用软件的软件程序以及模块，如本申请实施例中的基于等同粒子特性制备体系试验态对应的程序指令/模块，处理器102通过运行存储在存储器104内的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的方法。存储器104可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器104可进一步包括相对于处理器102远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至计算机终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
传输装置106用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括计算机终端的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输装置106包括一个网络适配器(Network Interface Controller，NIC)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输装置106可以为射频(Radio Frequency，RF)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。
需要说明的是，真正的量子计算机是混合结构的，它包含两大部分：一部分是经典计算机，负责执行经典计算与控制；另一部分是量子设备，负责运行量子程序进而实现量子计算。而量子程序是由量子语言如QRunes语言编写的一串能够在量子计算机上运行的指令序列，实现了对量子逻辑门操作的支持，并最终实现量子计算。具体的说，量子程序就是一系列按照一定时序操作量子逻辑门的指令序列。
在实际应用中，因受限于量子设备硬件的发展，通常需要进行量子计算模拟以验证量子算法、量子应用等等。量子计算模拟即借助普通计算机的资源搭建的虚拟架构(即量子虚拟机)实现特定问题对应的量子程序的模拟运行的过程。通常，需要构建特定问题对应的量子程序。本申请实施例所指量子程序，即是经典语言编写的表征量子比特及其演化的程序，其中与量子计算相关的量子比特、量子逻辑门等等均有相应的经典代码表示。
量子线路作为量子程序的一种体现方式，也称量子逻辑电路，是最常用的通用量子计算模型，表示在抽象概念下对于量子比特进行操作的线路，其组成包括量子比特、线路(时间线)，以及各种量子逻辑门，最后常需要通过量子测量操作将结果读取出来。
不同于传统电路是用金属线所连接以传递电压信号或电流信号，在量子线路中，线路可看成是由时间所连接，亦即量子比特的状态随着时间自然演化，在这过程中按照哈密顿运算符的指示，一直到遇上逻辑门而被操作。
一个量子程序整体上对应有一条总的量子线路，本申请所述量子程序即指该条总的量子线路，其中，该总的量子线路中的量子比特总数与量子程序的量子比特总数相同。可以理解为：一个量子程序可以由量子线路、针对量子线路中量子比特的测量操作、保存测量结果的寄存器及控制流节点(跳转指令)组成，一条量子线路可以包含几十上百个甚至千上万个量子逻辑门操作。量子程序的执行过程，就是对所有的量子逻辑门按照一定时序执行的过程。需要说明的是，时序即单个量子逻辑门被执行的时间顺序。
需要说明的是，经典计算中，最基本的单元是比特，而最基本的控制模式是逻辑门，可以通过逻辑门的组合来达到控制电路的目的。类似地，处理量子比特的方式就是量子逻辑门。使用量子逻辑门，能够使量子态发生演化，量子逻辑门是构成量子线路的基础，量子逻辑门包括单比特量子逻辑门，如Hadamard门(H门，阿达马门)、泡利-X门(X门)、泡利-Y门(Y门)、泡利-Z门(Z门)、RX门、RY门、RZ门等等；两比特或多比特量子逻辑门，如CNOT门、CR门、CZ门、iSWAP门、Toffoli门等等。量子逻辑门一般使用酉矩阵表示，而酉矩阵不仅是矩阵形式，也是一种操作和变换。一般量子逻辑门在量子态上的作用是通过酉矩阵左乘以量子态右矢对应的矩阵进行计算的。
参见图2，图2为本申请实施例提供的一种基于等同粒子特性制备体系试验态的方法的流程示意图，可以包括如下步骤：
S21，确定体系以及所述体系的轨道数和电子数。
其中，体系为需要模拟的化学分子模型。该化学分子模型可以认为是用户想要计算基态能量的分子结构建模，例如包括组成该化学分子的原子类型、原子个数、原子坐标、电荷及自旋多重度等等。
体系可以通过但不限于以下方式确定，用户可以在计算机终端上输入想要模拟的化学分子模型信息。例如，用户点开计算机的量子化学模拟应用软件，该量子化学模拟应用界面上可以显示待模拟的化学分子模型选项，比如氢分子模型、氧分子模型等等。用户点击想要模拟的化学分子模型选项，量子化学模拟应用即可确定化学分子模型。当化学分子模型确定后，化学分子模型的电子数和电子轨道数也就可以确定。
在确定体系后，体系的轨道数和电子数也就能够确定，此时，执行步骤S22。
S22，基于等同粒子特性，根据所述体系的轨道数和电子数，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数。
具体的，基于等同粒子特性，根据所述体系的轨道数和电子数，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数，可以包括如下步骤：
S221，根据所述体系的轨道数和电子数，获取所述体系的Hartree-Fock态。
例如，对于含有四个单电子自旋分子轨道两个电子的氢分子的Hartree-Fock(哈特里-福克)态，是用量子态|0011>来表示的，即一个量子比特代表一个自旋分子轨道，0表示空轨道，1表示占据轨道。通过在对应比特上分别施加一个NOT门，就可以在量子线路中将|0000>初始化成|0011>。对于任意一个含有M个自旋分子轨道的N电子体系，对应Hartree-Fock态都可以同理表示。
S222，根据预先选择的拟设方式，基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数。
示例性的，拟设方式包括：UCC(Unitary Coupled Cluster，酉耦合簇算符)等等，UCC具体可分为单激发偶合簇UCCS、单双激发偶合簇UCCSD。
对应的，对于UCCS和UCCSD，拟设对应的量子线路相同，例如为图3所示。图3为本申请实施例提供的一种拟设方式对应的量子线路结构示意图，图3所示的量子线路为一种4量子比特q0、q1、q2、q3的量子线路，X-π/、Xπ/表示参数分别为-π/2、π/2的X门，Y门同理，图标⊕及其与实心连线表示CNOT门，Zθ表示参数为θ的Z门。显示的拟设原理可以包括：拟设公式，例如可以为量子线路对应的矩阵算子U(θ)。对于UCC，对应拟设公式为：
其中，即为拟设，Pi为生成元，若UCC中的电子簇算符T＝T1，则称这一拟设为UCCS；若UCC中的簇算符T＝T1+T2，则称这个拟设为UCCSD，其中，T1为单粒子激发算符，T2为双粒子激发算符。更具体的，在实际应用中，T即可理解为费米子形式的簇算符。其物理定义如下：
上述两式中，和/>为创造算符，/>和/>为湮灭算符；/>和/>为系数，通常指的是对应算符的振幅。
当所述拟设方式为单激发耦合簇时，所述体系的费米子形式的簇算符只包括单激发项数。在此基础上，进一步地，基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，将所述体系的费米子形式中具有相同的激发几率的两个单激发项对应的簇算符合并，合并后的单激发项系数为合并前的单激发项系数的两倍。
当预先选择的拟设方式为单双激发耦合簇时，确定所述体系的费米子形式的簇算符只包括单激发项数和双激发项数。在此基础上，进一步地，基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，将所述体系的费米子形式中具有相同的激发几率的两个单激发项对应的簇算符合并，合并后的单激发项系数为合并前的单激发项系数的两倍；以及将具有相同的激发几率的两个双激发项对应的簇算符合并，合并后的双激发项系数为合并前的双激发项系数的两倍。
以氢分子为例，对于描述氢分子的|0011>Hartree-Fock态，上述的T即为氢分子的费米子形式的簇算符。请参照图4，图4为本申请实施例提供的氢分子轨道示意图。如图4所示，对于氢分子来说，以q0、q1量子比特方便表示a号氢原子自旋向下和自旋向上的1Sa轨道，以q2、q3量子比特分别表示b号氢原子自旋向下和自旋向上的1Sb轨道。
如图4所示，假设氢分子的两个电子分别处在q0和q1这两个轨道上面，如果以量子态|1>表示自旋轨道上有一个电子，以量子态|0011>表示自旋轨道为空轨道，那么此时氢分子的Hartree-Fock态可以表示为|0011>。
当q0上的电子激发到q2上时，也就是电子先从q0上“湮灭”，然后在q2上“产生”，可以用费米子算符表示为：
其中，t20为系数，为创造算符，a0为湮灭算符。
当q0上的电子激发到q3上时，也就是电子先从q0上“湮灭”，然后在q3上“产生”，可以用费米子算符表示为：
其中，t30为系数，为创造算符，a0为湮灭算符。
当q1上的电子激发到q2上时，也就是电子先从q1上“湮灭”，然后在q2上“产生”，可以用费米子算符表示为：
其中，t21为系数，为创造算符，a1为湮灭算符。
当q1上的电子激发到q3上时，也就是电子先从q1上“湮灭”，然后在q3上“产生”，可以用费米子算符表示为：
其中，t31为系数，为创造算符，a1为湮灭算符。
当q0、q1上的电子同时激发到q2、q3上时，也就是电子先从q0、q1上“湮灭”，然后在q2、q3上“产生”，可以用费米子算符表示为：
其中，t3210为系数，为创造算符，a1、a0为湮灭算符。
对于描述氢分子的|0011>Hartree-Fock态，此时的T即为氢分子的费米子形式的簇算符Hu：
其中，T1是单粒子激发算符，T2是双粒子激发算符。
当拟设方式为单激发耦合簇时，体系的费米子形式的簇算符包括单激发项数。即对于描述氢分子的|0011>Hartree-Fock态，现有技术不考虑等同粒子特性时：
已知，在微观世界中，全同粒子不可分辨，这与我们经典力学中完全相反。在经典力学中，即使各个物体的内禀属性相同，我们仍然可以根据它们运动的轨道区分它们，对它们进行编号：小球1，小球2等。但在量子力学中，波函数是弥散在空间中的，即处于同一区域的各粒子波函数重叠，没有确切的轨道概念，也无法对粒子进行编号来区分。同类粒子组成的多粒子体系便称为全同粒子体系。但为了计算的方便，我们人为的进行了编号，但实际上是无法实现的。也就是说，在同一能级的各个轨道是等价的，粒子在两个能级之间跃迁的概率不取决与其所在的具体轨道，而是取决于两个能级之间的能级的能量差。
以氢分子为例，等同粒子特性即为：q0上的电子激发到q2上等同于q1上的电子激发到q3上，q0上的电子激发到q3等同于q1上的电子激发到q2上。我们可以得到：t20＝t31和t30＝t21。也就是说，只要激发前后的能级相同，即可视为同一个过程，具有相同的激发几率，激发项对应的簇算符的振幅值也相同，可以进行合并，从而降低参数个数，其中，合并后激发项对应的簇算符振幅值为原簇算符振幅值的近似两倍。
本申请结合等同粒子特性，当拟设方式为单激发耦合簇时：
其中，t′20为t20的近似两倍，t′30为t30的近似两倍，可以认为：
t′20＝2t20
t′30＝2t30
也就是说，拟设方式为单激发耦合簇时，本申请用于计算的氢分子的费米子形式的簇算符包括的激发项数只有两项，而现有技术用于计算的氢分子的费米子形式的簇算符包括的激发项数是四项。
当拟设方式为单双激发耦合簇时，体系的费米子形式的簇算符包括单激发项数和双激发项数，即对于描述氢分子的|0011>Hartree-Fock态，不考虑等同粒子特性时：
本申请结合等同粒子特性，当拟设方式为单双激发耦合簇时：
其中，t′20为t20的近似两倍，t′30为t30的近似两倍，可以认为：
t′20＝2t20
t′30＝2t30
也就是说，拟设方式为单双激发耦合簇时，本申请用于计算的氢分子的费米子形式的簇算符包括的激发项数只有三项，而现有技术用于计算的氢分子的费米子形式的簇算符包括的激发项数是五项。
需要强调的是，本申请结合等同粒子特性确定激发项数以及激发项对应的系数，对双激发过程同样有效，由于氢分子系统简单，无法显现出来。但是，只要激发前后的能级相同，即可视为同一个过程，具有相同的激发几率，激发项对应的簇算符的振幅值也相同，可以进行合并，从而降低参数个数，其中，合并后激发项对应的簇算符振幅值为原簇算符振幅值的近似两倍。
另外，以上提出的拟设方式仅仅作为示例，并不构成对本发明的限定，例如，拟设方式还可以包括HE(Hardware Efficient，硬件高效)、SP(Symmetry Preserved，对称保持)等等。
在确定体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数后，执行步骤S23。
S23，根据所述激发项数以及激发项对应的系数，计算所述体系的费米子形式的簇算符。
步骤S22中已经给出了对应氢分子的费米子形式的簇算符算式，同理，对于其它体系，在确定费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数后，按照体系对应的算式即可以计算出体系的费米子形式的簇算符。
在计算出体系的费米子形式的簇算符后，执行步骤S24。
S24，基于所述体系的费米子形式的簇算符，求解所述体系的试验态。
其中，体系的试验态是计算体系的基态能量过程中的一个重要的中间参数。对于任意一个试验态|ψ>(它为一个品优波函数)，用某一体系的哈密顿量H作用于该体系时，可以得到该体系在这一状态下的平均能量E，该平均能量大于或等于体系的基态能量E0，表达式如下：
从该表达式中可以看出，通过不断调整试验态，如果调整后的试验态|ψ>为体系的基态|ψ0>时，那么不等式中的等号成立，就能得到体系的基态能量E0。
可选地，基于所述体系的费米子形式的簇算符，求解所述体系的试验态，可以包括以下步骤：
S241，根据预先选择的映射方式，将所述体系的费米子形式的簇算符变换为泡利算子形式的泡利算子形式的簇算符。
其中，映射方式可以包括：Jordan-Wigner变换(J-W变换)、Parity变换、Bravyi-Kitaev变换(B-K变换)、MSP(Multilayer Segmented Parity；多层分块宇称)变换等等。
本领域技术人员能够理解的是，每种映射方式对应的映射原理可以包括：态映射原理和算符映射原理。
例如，对于J-W变换，显示的态映射为：
其中，表示量子比特的计算态，/>表示变换矩阵，/>表示费米子体系的占据态。显示的算符映射为：
其中，表示升降算符，j表示量子比特序号，P表示宇称集，ZP(j)表示作用于属于宇称集P的量子比特上的一组泡利Z矩阵，X表示泡利X矩阵，Y表示泡利Y矩阵。
同等的，算符映射也可显示为：
其中，表示产生算符，aj表示湮灭算符，/>与aj统称费米子体系的升降算符，表示量子比特上的产生算符/湮灭算符，/>表示宇称算子，n表示量子比特数。
其他变换的态映射和算符映射显示方式与J-W变换同理。
其中，将费米子形式的簇算符按照预先选择的映射方式，变换为泡利算子形式的簇算符。例如，对于UCCS的拟设T为费米子形式的簇算符，需要将其变换为泡利算子形式，以便根据泡利算子生成酉算子，酉算子正是构造拟设对应的具体量子线路的基础。
将费米子形式的簇算符变换为泡利算符表示的泡利算子形式的簇算符后，执行步骤S242。
S242，将所述泡利算子形式的簇算符分解为对应酉算子形式并进行演化，以获得演化后的量子态；其中，演化后的所述量子态为所述体系的试验态。
可选地，将所述泡利算子形式的簇算符分解为对应酉算子形式并进行演化，以获得演化后的量子态，可以包括如下步骤：
S2421，基于所述泡利算子形式的簇算符分解后对应的酉算子，构造量子模拟线路。
S2422，根据所述量子模拟线路进行模拟演化，得到演化后的量子态。
接下来，请参照图5-图9。假设含有五个子项的费米子簇算符经J-W变换后，其泡利算子形式的簇算符T形式如下：
首先，计算H1对应的酉算子：
图5为本申请实施例提供的H1对应的量子线路示意图。如图5所示，通过H1对应的酉算子可知，在q0上加上RZ(2θ1)门，即可得到H1对应的量子线路。
接着，计算H2对应的酉算子：
/>
图6为本申请实施例提供的H1和H2对应的量子线路示意图。如图6所示，通过H2对应的酉算子可知，以q0为控制比特、q1为目标比特，加上CNOT门；然后，在q1上加上RZ(2θ2)门；接着，再以q0比特为控制比特、q1为目标比特，加上CNOT门，即可得到H2对应的量子线路。
接着，计算H3对应的酉算子：
图7为本申请实施例提供的H1、H2和H3对应的量子线路示意图。如图7所示，通过H3对应的酉算子可知，需要先以q0为控制比特、q1为目标比特，q1为控制比特、q2为目标比特，依次加上两个CNOT门；然后，在q2上加上RZ(2,2θ3)门；接着，再以q0比特为控制比特、q1为目标比特，加上CNOT门即可得到H3对应的量子线路。
接着，计算H4对应的酉算子：
图8为本申请实施例提供的H1、H2、H3和H4对应的量子线路示意图。如图8所示，通过H4对应的酉算子可知，需要先在q0上加上Hadamard门；再以q0为控制比特、q1为目标比特，加上第一个CNOT门；接着，在q1上加上RZ(2θ4)门；然后，再以q0为控制比特、q1为目标比特，加上第二个CNOT门；最后，在q0上加上Hadamard门，即可得到H4对应的量子线路。
接着，计算H5对应的酉算子：
图9为本申请实施例提供的H1、H2、H3、H4和H5对应的量子线路示意图。如图9所示，通过H5对应的酉算子可知，需要先在q0上加上门；再以q0为控制比特、q1为目标比特，加上第一个CNOT门；接着，在q1上加上RZ(2θ5)门；然后，再以q0为控制比特、q1为目标比特，加上第二个CNOT门；最后，在q1上加上/>门，即可得到模拟H5对应的量子线路。也就是说图9包括了H1、H2、H3、H4和H5对应的量子线路示意图，即，H对应的量子线路如图9所示。
需要说明的是，结合等同粒子特性，假设H1等同于H4，计算合并H1和H4后的酉算子应为：
θ′1＝2θ1
也就是说，合并H1和H4后的酉算子对应的量子线路与图5所示的量子线路示意图相似，只是其中的θ1换成θ′1。
图5-图9示例了包含有五个子项的费米子形式的簇算符如何构造量子线路的过程。对于描述氢分子的|0011>Hartree-Fock态，在拟设方式为UCCSD、映射方式为J-W变换、不考虑等同粒子特性的条件下，其费米子形式的簇算符也是包含五个子项，即构造量子线路时，需要将费米子形式的簇算符的五个子项转换为泡利算子形式并分解为对应的酉算子形式。然后，按照时序构造五个子项对应的量子线路。接着，组合五个子项对应的量子线路，即为量子模拟线路。最后，根据所述量子模拟线路进行模拟演化，得到演化后的量子态。
而本申请由于考虑了等同粒子特性，对于描述氢分子的|0011>Hartree-Fock态，在拟设方式为单双激发耦合簇、映射方式为J-W变换的条件下，费米子形式的簇算符只有三个子项。构造量子线路时，只需要将三个子项转换为泡利算子形式并分解为对应的酉算子形式。然后，按照时序构造三个子项对应的量子线路。接着，组合三个子项对应的量子线路，即为量子模拟线路。最后，根据所述量子模拟线路进行模拟演化，得到演化后的量子态。
本申请在制备体系试验态的过程中，计算体系的费米子形式的簇算符时，由于考虑了等同粒子特性，费米子形式的簇算符中需要计算的激发项数要小于现有技术中不考虑等同粒子特性时的激发项数，降低了系统的复杂性，进而在求解体系的试验态时，减少了计算量，解决了现有技术中难以模拟复杂分子的技术问题，节约了计算资源，便于后续体系能量的计算，提高了复杂分子的模拟效率。
在实际应用中，对于任意一个试验态|ψ>(它为一个品优波函数)，用某一体系(如多电子体系)的哈密顿量作用于它时，可以得到该体系在这一状态下的平均能量E，该平均能量大于或等于体系的能量E0。不断调整试验态，直到当试验态|ψ>为体系的基态|ψ0>时，则对应得到体系的能量E0。
因此，进一步地，在通过本申请提供的一种计算体系试验态的方法制备出体系试验态|ψ>后，可以求解体系的基态能量。例如，首先，计算体系在该试验态|ψ>下的平均能量；然后，判断体系在该试验态|ψ>下的平均能量是否可以作为该体系的基态能量。若是，则可以获得体系的基态能量；否则，更新试验态并返回到计算体系在试验态下的平均能量的步骤。
本申请在计算体系的费米子形式的簇算符时，由于考虑了等同粒子特性，费米子形式的簇算符中需要计算的激发项数要小于现有技术中不考虑等同粒子特性时的激发项数，降低了系统的复杂性，进而在求解体系的能量时，减少了计算量，解决了现有技术中难以模拟复杂分子的技术问题，节约了计算资源，提高了复杂分子的模拟效率。
参见图10，图10为本发明实施例提供的一种基于等同粒子特性制备体系试验态的装置的结构示意图，与图2所示的流程相对应，该基于等同粒子特性制备体系试验态的装置110包括：
第一确定模块111，用于确定体系以及所述体系的轨道数和电子数；
第二确定模块112，用于基于等同粒子特性，根据所述体系的轨道数和电子数，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数；
计算模块113，用于根据所述激发项数以及激发项对应的系数，计算所述体系的费米子形式的簇算符；
求解模块114，用于确定基于所述体系的费米子形式的簇算符，求解所述体系的试验态。
可选的，第二确定模块112，包括：
获取单元，用于据所述体系的轨道数和电子数，获取所述体系的Hartree-Fock态；
确定单元，用于根据预先选择的拟设方式，基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数。
可选的，所述确定单元，还用于：当所述拟设方式为单激发耦合簇时，确定所述体系的费米子形式的簇算符只包括单激发项数；基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，将所述体系的费米子形式中具有相同的激发几率的两个单激发项对应的簇算符合并，合并后的单激发项系数为合并前的单激发项系数的两倍。
可选的，所述确定单元，还用于：当预先选择的拟设方式为单双激发耦合簇时，确定所述体系的费米子形式的簇算符只包括单激发项数和双激发项数；基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，将所述体系的费米子形式中具有相同的激发几率的两个单激发项对应的簇算符合并，合并后的单激发项系数为合并前的单激发项系数的两倍；以及将具有相同的激发几率的两个双激发项对应的簇算符合并，合并后的单激发项系数为合并前的单激发项系数的两倍。
可选的，第二确定模块112，还包括：
变换单元，用于根据预先选择的映射方式，将所述体系的费米子形式的簇算符变换为泡利算子形式的泡利算子形式的簇算符；
演化单元，用于将所述泡利算子形式的簇算符分解为对应酉算子形式并进行演化，以获得演化后的量子态；其中，演化后的所述量子态为所述体系的试验态。
可选的，所述演化单元，还用于：基于所述泡利算子形式的簇算符分解后对应的酉算子，构造量子模拟线路；根据所述量子模拟线路进行模拟演化，得到演化后的量子态。
可选的，所述映射方式为Jordan-Wigner变换、Parity变换、Bravyi-Kitaev变换和SegmentParity变换中的一种。
此外，基于等同粒子特性制备体系试验态的装置110的技术效果可以参考第图2所示出的计算体系试验态的方法的技术效果，此处不再赘述。
本发明实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。
具体的，在本实施例中，上述存储介质可以被设置为存储用于执行以下步骤的计算机程序：
S1，确定体系以及所述体系的轨道数和电子数；
S2，基于等同粒子特性，根据所述体系的轨道数和电子数，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数；
S3，根据所述激发项数以及激发项对应的系数，计算所述体系的费米子形式的簇算符；
S4，基于所述体系的费米子形式的簇算符，求解所述体系的试验态。
具体的，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，简称为ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。
本发明实施例还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。
具体的，上述电子装置还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。
具体的，在本实施例中，上述处理器可以被设置为通过计算机程序执行以下步骤：
S1，确定体系以及所述体系的轨道数和电子数；
S2，基于等同粒子特性，根据所述体系的轨道数和电子数，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数；
S3，根据所述激发项数以及激发项对应的系数，计算所述体系的费米子形式的簇算符；
S4，基于所述体系的费米子形式的簇算符，求解所述体系的试验态。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
在本说明书一个或多个实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本说明书一个或多个实施例。在本说明书一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本说明书一个或多个实施例可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本说明书一个或多个实施例范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变换的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于等同粒子特性制备体系试验态的方法，其特征在于，包括：
确定体系以及所述体系的轨道数和电子数；
根据所述体系的轨道数和电子数，获取所述体系的Hartree-Fock态；
根据预先选择的拟设方式，基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数；
根据所述激发项数以及激发项对应的系数，计算所述体系的费米子形式的簇算符；
基于所述体系的费米子形式的簇算符，求解所述体系的试验态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预先选择的拟设方式，基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数，包括：
当所述拟设方式为单激发耦合簇时，确定所述体系的费米子形式的簇算符只包括单激发项数；
基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，将所述体系的费米子形式中具有相同的激发几率的两个单激发项对应的簇算符合并，合并后的单激发项系数为合并前的单激发项系数的两倍。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预先选择的拟设方式，基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数，包括：
当预先选择的拟设方式为单双激发耦合簇时，确定所述体系的费米子形式的簇算符只包括单激发项数和双激发项数；
基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，将所述体系的费米子形式中具有相同的激发几率的两个单激发项对应的簇算符合并，合并后的单激发项系数为合并前的单激发项系数的两倍；以及将具有相同的激发几率的两个双激发项对应的簇算符合并，合并后的双激发项系数为合并前的双激发项系数的两倍。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述体系的费米子形式的簇算符，求解所述体系的试验态，包括：
根据预先选择的映射方式，将所述体系的费米子形式的簇算符变换为泡利算子形式的簇算符；
将所述泡利算子形式的簇算符分解为对应酉算子形式并进行演化，以获得演化后的量子态；其中，演化后的所述量子态为所述体系的试验态。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将所述泡利算子形式的簇算符分解为对应酉算子形式并进行演化，以获得演化后的量子态，包括：
基于所述泡利算子形式的簇算符分解后对应的酉算子，构造量子模拟线路；
根据所述量子模拟线路进行模拟演化，得到演化后的量子态。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述映射方式为Jordan-Wigner变换、Parity变换、Bravyi-Kitaev变换和SegmentParity变换中的一种。
7.一种基于等同粒子特性制备体系试验态的装置，其特征在于，包括：
第一确定模块，用于确定体系以及所述体系的轨道数和电子数；
第二确定模块，用于根据所述体系的轨道数和电子数，获取所述体系的Hartree-Fock态；根据预先选择的拟设方式，基于等同粒子特性和所述体系的Hartree-Fock态，确定所述体系的费米子形式的簇算符包括的激发项数以及激发项对应的系数；
计算模块，用于根据所述激发项数以及激发项对应的系数，计算所述体系的费米子形式的簇算符；
求解模块，用于确定基于所述体系的费米子形式的簇算符，求解所述体系的试验态。
8.一种电子装置，其特征在于，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器通过运行所述可执行指令以实现如权利要求1-6中任一项所述的方法。
9.一种计算机存储介质，其特征在于，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述方法的步骤。
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 230088 6th floor, E2 building, phase II, innovation industrial park, 2800 innovation Avenue, high tech Zone, Hefei City, Anhui Province Applicant after: Benyuan Quantum Computing Technology (Hefei) Co.,Ltd. Address before: 230088 6th floor, E2 building, phase II, innovation industrial park, 2800 innovation Avenue, high tech Zone, Hefei City, Anhui Province Applicant before: ORIGIN QUANTUM COMPUTING COMPANY, LIMITED, HEFEI |
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| GR01 | Patent grant | ||
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