CN114512194B - 用于量子化学模拟中获取目标体系试验态的方法及装置 - Google Patents

用于量子化学模拟中获取目标体系试验态的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于量子化学模拟中获取目标体系试验态的方法及装置，方法包括：获取量子化学模拟中待模拟的目标体系的轨道和电子数，其中，轨道包括第一类轨道，基于目标体系的第一类轨道和电子数，确定目标体系的费米子形式的簇算符，基于目标体系的费米子形式的簇算符，获取目标体系的试验态，它能够获得更精确的试验态，为量子化学模拟计算目标体系能量的实现提供支持，提高计算速度和计算精度，促进量子化学模拟应用的进一步发展。

Description

用于量子化学模拟中获取目标体系试验态的方法及装置
技术领域
本发明属于量子计算技术领域，特别是一种用于量子化学模拟中获取目标体系试验态的方法及装置。
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，例如，能将破解RSA密钥的时间从数百年加速到数小时，故成为一种正在研究中的关键技术。
量子计算模拟是一个借助数值计算和计算机科学来仿真遵循量子力学规律的模拟计算，作为一个仿真程序，它依据量子力学的量子比特的基本定律，利用计算机的高速计算能力，刻画量子态的时空演化。
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。随着量子化学理论的不断完善，计算化学已经成了化学工作者解释实验现象、预测实验结果、指导实验设计的重要工具，在药物的合成、催化剂的制备等方面有着广泛的应用。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。但是，面对计算化学所涉及的巨大计算量，经典计算机在计算精度、计算尺寸等方面显得能力有限，这就在一定程度上限制了计算化学的发展，由此导致用户对化学体系进行模拟计算的应用不强，影响量子化学模拟应用的进一步发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于量子化学模拟中获取目标体系试验态的方法及装置，以解决现有技术中的不足，它能够为量子化学模拟计算目标体系能量的实现提供支持，提高了获取试验态的精确度和计算速度，促进量子化学模拟应用的进一步发展。
本申请的一个实施例提供了一种用于量子化学模拟中获取目标体系试验态的方法，所述方法包括：
获取量子化学模拟中待模拟的目标体系的轨道和电子数，其中，所述轨道包括第一类轨道；
基于所述目标体系的第一类轨道和电子数，确定所述目标体系的费米子形式的簇算符；
基于所述目标体系的费米子形式的簇算符，获取所述目标体系的试验态。
可选的，所述轨道还包括：第二类轨道，所述第一类轨道为非冻结轨道，所述第二类轨道为冻结轨道，所述冻结轨道为：所述目标体系的最内层轨道或除最外层轨道之外的任意轨道。
可选的，所述基于所述目标体系的第一类轨道和电子数，确定所述目标体系的费米子形式的簇算符，包括：
根据所述目标体系的第一类轨道和电子数，获取所述目标体系的Hartree-Fock态；
根据预先选择的拟设方式和所述目标体系的Hartree-Fock态，确定所述目标体系的费米子形式的簇算符和激发项数。
可选的，所述拟设方式包括单激发耦合簇或单双激发耦合簇；其中，当所述拟设方式为单激发耦合簇时，所述目标体系的费米子形式的簇算符包括单激发项数；
当所述拟设方式为单双激发耦合簇时，所述目标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。
可选的，所述基于所述目标体系的费米子形式的簇算符，获取所述目标体系的试验态，包括：
选择映射方式并将所述目标体系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并进行演化，得到演化后的量子态作为所述目标体系的试验态。
可选的，所述泡利算子形式的簇算符包括的子项项数与所述激发项数相同；
所述将所述泡利算子形式的簇算符分解为对应酉算子并进行演化，得到演化后的量子态作为所述目标体系的试验态，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作为所述目标体系的试验态。
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。
本申请的又一实施例提供了一种用于量子化学模拟中获取目标体系试验态的装置，所述装置包括：
第一获取模块，用于获取量子化学模拟中待模拟的目标体系的轨道和电子数，其中，所述轨道包括第一类轨道；
确定模块，用于基于所述目标体系的第一类轨道和电子数，确定所述目标体系的费米子形式的簇算符；
第二获取模块，用于基于所述目标体系的费米子形式的簇算符，获取所述目标体系的试验态。
可选的，所述确定模块，包括：
第一获取单元，用于根据所述目标体系的第一类轨道和电子数，获取所述目标体系的Hartree-Fock态；
确定单元，用于根据预先选择的拟设方式和所述目标体系的Hartree-Fock态，确定所述目标体系的费米子形式的簇算符和激发项数。
可选的，所述第二获取模块，包括：
变换单元，用于选择映射方式并将所述目标体系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并进行演化，得到演化后的量子态作为所述目标体系的试验态。
可选的，所述演化单元，包括：
构造单元，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；
得到单元，用于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作为所述目标体系的试验态。
本申请的一个实施例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所述的方法。
本申请的一个实施例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所述的方法。
与现有技术相比，本发明首先获取量子化学模拟中待模拟的目标体系的轨道和电子数，其中，轨道包括第一类轨道，然后基于目标体系的第一类轨道和电子数，确定目标体系的费米子形式的簇算符，最后基于目标体系的费米子形式的簇算符，获取目标体系的试验态，它能够为量子化学模拟计算目标体系能量的实现提供支持，提高计算速度和计算精度，促进量子化学模拟应用的进一步发展。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种用于量子化学模拟中获取目标体系试验态方法的计算机终端的硬件结构框图；
图2为本发明实施例提供的一种用于量子化学模拟中获取目标体系试验态方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种模拟目标体系的轨道信息示意图；
图4为本发明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5为本发明实施例提供的一种根据泡利算子形式簇算符构建对应的量子线路示意图；
图6为本发明实施例提供的一种用于量子化学模拟中获取目标体系试验态装置的结构示意图。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明实施例首先提供了一种用于量子化学模拟中获取目标体系试验态的方法，该方法可以应用于电子设备，如计算机终端，具体如普通电脑、量子计算机等。
下面以运行在计算机终端上为例对其进行详细说明。图1为本发明实施例提供的一种用于量子化学模拟中获取目标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用于量子化学模拟中获取目标体系试验态的方法对应的程序指令/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。本发明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，本发明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；多比特量子逻辑门，如CNOT门、CR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。
量子态，即量子比特的逻辑状态，在量子算法(或称量子程序)中用二进制表示，例如，一组量子比特为q0、q1、q2，表示第0位、第1位、第2位量子比特，从高位到低位排序为q2q1q0，该组量子比特对应的量子态是该组量子比特对应的本征态的叠加，该组量子比特对应的本征态共有2的量子比特总数次方个，即8个本征态(确定的状态)：|000>、|001>、|010>、|011>、|100>、|101>、|110>、|111>，每个本征态的位与量子比特对应一致，如|000>态，000从高位到低位对应q2q1q0，|>为狄拉克符号。
以单个量子比特说明，单个量子比特的逻辑状态可能处于|0>态、|1>态、|0>态和|1>态的叠加态(不确定状态)，具体可以表示为/>其中，c和d为表示量子态振幅(概率幅)的复数,振幅模的平方|c|2和|d|2分别表示|0>态、|1>态的概率，|c|2+|d|2＝1。简言之，量子态是各本征态组成的叠加态，当其它本征态的概率为0时，即处于唯一确定的本征态。
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。与经典计算相比，量子计算的计算能力随量子比特数的增加呈指数增长。随着不断的发展，在许多领域都出现突破性的进展，包括制药、光伏、航空、电子和能源发电等。量子计算机最有可能的应用之一是模拟量子系统，其中分子是自然界常见的量子系统，寻找分子系统的初始试验态是计算分子系统能量的重要前提和步骤，亦是量子化学的主要目标之一。
在电子结构计算流程中，哈密顿量主要是有以下几项所构成：
其中，H0来源于核的排斥力的贡献，H1来源于电子的动能与核的相互作用(单电子项)，H2是一个双电子哈密顿量。这里的p,q,r,s代表的是所有的分子自旋轨道，q代表的是产生算符和湮灭算符。/>是核哈密顿量(电子动能加上与核心离子的相互作用)的矩阵元。/>为双电子排斥力积分，满足/>
在上述计算过程中，考虑了系统全部电子的贡献，计算复杂度相当大，而事实上，对于真实的系统来说，只有外层的价电子或活性空间中的电子对分子的性质或化学反应的结果起主要贡献。因此如果按上述模式进行计算，计算量较大，计算资源浪费严重。
参见图2，图2为本发明实施例提供的一种用于量子化学模拟中获取目标体系试验态方法的流程示意图。
本实施例提供一种用于量子化学模拟中获取目标体系试验态的方法的一实施例，所述用于量子化学模拟中获取目标体系试验态的方法，包括：
S201：获取量子化学模拟中待模拟的目标体系的轨道和电子数，其中，所述轨道包括第一类轨道。
首先对于目标体系轨道，是以数学的方法描述目标体系在原子核外的特定空间中，找到电子的几率，并指出电子在三维空间中的可能位置；电子数，就是目标体系包含的电子数量，电子是一种基本粒子，一般是指目标体系的核外电子的数目。
分子轨道可以通过相应的原子轨道线性组合而成，有几个原子轨道相组合，就形成几个分子轨道。分子中的电子能级称为分子轨道，分子轨道式由组成分子的原子轨道相互作用形成的。一个分子轨道中最多可以容纳两个自旋方向相反的电子，一个轨道中的电子有着确定的能量，可以用一个确定的轮廓表示该轨道中电子的运动范围(即轨道形状)，可以用波函数来描述。
例如，两个氢原子相互作用形成H2分子时，其分子轨道能级上的电子排列情况可用线性组合图来表示。分子当中的电子在遍及整个分子范围内运动，每一个电子的运动状态都可以用一个分子波函数(或者称为分子轨道)|ψ＞来描述，|ψ＞2表示了电子在空间各处出现的几率密度。
具体的，目标体系的轨道包括第一类轨道和第二类轨道，所述第一类轨道为非冻结轨道，所述第二类轨道为冻结轨道。
其中，冻结轨道为：目标体系的最内层轨道或除最外层轨道之外的任意轨道。对于目标体系的轨道来说，冻住部分轨道是希望可以将某些电子定域化，阻止电子转移，方便后续计算。
需要说明的是，目标体系最内层电子轨道距离原子核最近，能量最低，从最内层轨道开始依次往外，电子轨道的能量依次递增，最外层电子轨道距离原子核最远，能量最高，此时的电子代表即将脱离原子核的束缚。
示例性的，图3模拟了目标体系的轨道信息示意图，其中，区域A代表未冻结轨道，区域D代表冻结轨道，通过将电子轨道函数扩展为有限基函数，他们大大降低了解决分子Hartree-Fock问题的难度。图中目标体系的波函数可以写成：
其中，非冻结轨道的波函数ΦA和冻结轨道的波函数ΦD分别满足ΦA＝ΦA(1,2,...,NA),ΦD＝ΦD(NA+1,NA+2,...,NA+ND)，为Slater型反对称系数，NA、ND代表电子轨道。
多电子波函数可以写成：
其中，ψ1是靠近核的最内层轨道，ΘV是价电子波函数,V代表价电子轨道，α、β、μ表示电子轨道。因此上述波函数对应的多电子能量为：
上式可以被简化为核能和价能的总和
其中，Ecore代表核的能量，HV为价电子的哈密顿量，满足 h′(v)＝h+∑c(2Jc-Kc)，其中，h、∑c(2Jc-Kc)分别对应价电子的单电子算符和双电子算符，v、v′代表价电子轨道。
需要注意的是，单电子算符现在由于核心电子的库仑(Jc)和交换(Kc)势的增加而被修改。核心能量具有封闭壳层行列式波函数的标准形式，即：
其中，c、c′代表核内电子，利用这种简化方法求解价电子波函数ΘV，称为冻结轨道近似。在所有实际的从头算还原到只有价电子的问题中，这是一个必要的近似，因此，所有这些还原结果的质量都受到冻结轨道近似的限制。在求解冻结轨道近似中的价电子波函数ΘV时，必须显式地使价空间与核空间正交。这意味着必须求出来自全电子基组的所有双电子积分，然后把它们转换成与核心空间正交的约化价基组。因此，冻结轨道近似在计算方面节省了相当多的精力。
S202：基于所述目标体系的第一类轨道和电子数，确定所述目标体系的费米子形式的簇算符。
具体的，确定目标体系的费米子形式的簇算符，首先需要根据所述目标体系的第一类轨道和电子数，获取所述目标体系的Hartree-Fock态。
示例性的，对于待求解氢化锂目标体系，其含有12个单电子自旋分子轨道和4个电子，根据氢化锂电子数和轨道信息，若用一个量子比特代表一个自旋分子轨道，即0表示空轨道，1表示占据轨道，因此氢化锂目标体系的Hartree-Fock(哈特里-福克)态可以用量子态|000000001111>来表示。因此对于任意一个含有M个自旋分子轨道的N电子体系，它的Hartree-Fock都可以这样简单的表示，只要在量子线路中给定M个量子比特，然后在前N个量子线路上添加NOT门即可得到所需要的N电子体系的Hartree-Fock态。
需要说明的是，在量子计算中，波函数的选取需要一个参考波函数作为基矢，比如量子化学中一般使用Hartree-Fock态矢作为参考波函数，以满足：
ψ(θ)＝U(θ)|ψ>Hartree-Fock
其中，ψ(θ)表示在一组参数集合θ下对应的波函数，U(θ)表示在一组参数集合θ下对应的矩阵算子，参考波函数|ψ>Hartree-Fock对应化学中Hartree-Fock基态，表示分子的电子都处在最低轨道处。
在一种可选的实施方式中，若考虑冻结氢化锂目标体系最内层电子轨道的两个电子，则此时仅需考虑氢化锂10个未冻结的单电子自旋分子轨道和2个电子，其Hartree-Fock态用量子态|0000000011>来表示。或者对于包含多个轨道和多个电子的目标体系，也可以考虑冻结除最外层轨道之外的任意轨道，具体方法和原理与上述冻结最内层轨道类似，在此不再赘述。
其次，根据预先选择的拟设方式和所述目标体系的Hartree-Fock态，确定所述目标体系的费米子形式的簇算符和激发项数。
具体的，簇算符可以理解为是一种人为定义的算符种类，用于表示轨道上电子的跳跃。拟设是一种将制备好的分子初态，例如|ψ>Hartree-Fock演化到量子线路上的方法，预先选择的拟设方式可为耦合簇法(Coupled Cluster,CC)，它是一种从Hartree-Fock分子轨道出发，通过拟设得到试验态|ψ>的方法。这里的拟设为指数耦合簇算符eT，满足：|ψ>＝eT|ψ>Hartree-Fock，拟设中的T就是N电子簇算符，其定义式为若干激发算符之和，即：
T＝T1+T2+...+TN
其中，T1是单粒子激发算符，T2是双粒子激发算符，其余项以此类推。由于在一个多电子体系中，三激发、四激发发生的概率很小，所以通常在双激发处进行“截断”，最终只剩T1和T2两项，即：
T＝T1+T2
其中，为创造算符，ar、as为湮灭算符，p、q、r、s代表轨道，这里的待定系数tpq、tpqrs是需要通过优化器来寻找的参数/>满足/>
需要注意的是，通过拟设方式将目标体系的初态转化为费米子形式的簇算符之后，由于eT指数耦合簇算符不是酉算子，因此无法直接将eT指数耦合簇算符通过预设映射方式映射到量子比特上，无法构建出对应的量子线路，所以，需要构造出酉算子版本的指数耦合簇算符，即酉耦合簇算符(Unitary Coupled Cluster,UCC)。
示例性的，首先可定义一个等效的厄米哈密顿量令/>然后，以/>为生成元生成UCC算符：/>其中，拟设方式包括单激发耦合簇或单双激发耦合簇；当所述拟设方式为单激发耦合簇时，目标体系的费米子形式的簇算符包括单激发项数；当拟设方式为单双激发耦合簇时，目标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UCC中的簇算符T只含有T1这一项，则称这一拟设为单激发耦合簇(UCCS)；若UCC中的簇算符T含有T1和T2两项，则称这个拟设为单双激发耦合簇(UCCSD)。
对应的，对于UCCS和UCCSD，拟设对应的量子线路相同，例如为图4所示，图4为一种拟设方式对应的量子线路结构示意图，具体为UCC方法对应的四比特的量子线路示意图，图示为4量子比特q0、q1、q2、q3的量子线路示意图，其中，X-π/2、Xπ/2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。
S203：基于所述目标体系的费米子形式的簇算符，获取所述目标体系的试验态。
具体的，基于所述目标体系的费米子形式的簇算符，获取所述目标体系的试验态，可包括如下步骤：
步骤1：选择映射方式并将所述目标体系费米子形式的簇算符变换为泡利算子形式的簇算符。
具体的，映射方式可为Jordan-Wigner变换、Parity变换、Bravyi-Kitaev变换和SegmentParity变换中的一种。
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Jordan-Wigner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Jordan-Wigner变换的原理相同，在此不再赘述。
在一种可选的方式中，若将费米子形式的簇算符通过Jordan-Wigner变换变成泡利算子形式时，它是若干子项的和，表达式为：
其中，σ为泡利算子，α、β∈(X,Y,Z,I)，而i、j则表示簇算符子项所作用的子空间，h为实数。
步骤3：将所述泡利算子形式的簇算符分解为对应酉算子并进行演化，得到演化后的量子态作为所述目标体系的试验态。
具体的，接上述示例，将费米子形式的簇算符通过Jordan-Wigner变换变成泡利算子形式时，它是若干子项的和，表达式为：
但是，如果对这些子项进行求和，最后得到的泡利算子形式簇算符想要对角化以生成酉算子，是比较困难的。因此为了能够以每个子项Hk为生成元将UCC算符分解成有限个酉算子来进行模拟，有必要引进渐进近似定理，即托特公式(Trotter Foluma)，该定理是量子仿真算法的核心：limn→∞(eiAt/neiBt/n)n＝ei(A+B)t,其中，A、B均为厄米算符，t为实数，n为正整数。
需要说明的是，通过托特公式，指数函数就可以分解为数个子指数函数项的近似形式。托特分解强调的是当n取的越大，其越接近于原式的趋势，而非具体考虑n取何值。
示例性的，对某一目标体系，假设经Jordan-Wigner变换后的泡利算子形式的簇算符T的表达式如下：
其中，泡利算子形式的簇算符包括的子项项数与激发项数相同。
根据托特公式，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，即先对H1项进行模拟：
通过推导，得出在q0量子比特上直接添加RZ门即可模拟H1项。
对于H2、H3、H4、H5项进行模拟，可以参照H1项，得到：
U2(H2,θ2)＝CNOT(0,1)RZ(1,2θ2)CNOT(0,1)
U3(H3,θ3)＝CNOT(0,2)CNOT(1,2)RZ(2,2θ3)CNOT(1,2)CNOT(0,2)
U4(H4,θ4)＝H(0)CNOT(0,1)RZ(1,2θ4)CNOT(0,1)H(0)
那么，模拟T的量子线路构造如图5所示，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作为所述目标体系的试验态，最终可根据如图5所示的一种根据泡利算子形式簇算符构建对应的量子线路示意图测量所述试验态的平均能量期望。
其中，通过获取目标体系的试验态并测量试验态/>的平均能量En，判断当前平均能量期望与前次测量后的平均能量期望的差值符合精度，若目标体系的试验态对应的平均能量期望满足精度，则所获取的试验态正好就是体系的基态，直接得到了目标体系的能量E0；否则优化器会利用梯度无关算法，如Nelder-Mead算法或梯度相关算法，如梯度下降法等等优化参数/>然后传给量子处理器，继续演化和测量，通过不断迭代参数来更新试验态，使其最终获取满足精度的待求解目标体系的能量。
需要强调的是，以上提出的拟设方式、映射方式及优化方法等仅仅作为示例，并不构成对本发明的限定，例如，拟设方式还包括HE(Hardware Efficient，硬件高效)、SP(Symmetry Preserved，对称保持)等方法。
可见，本发明首先获取量子化学模拟中待模拟的目标体系的轨道和电子数，其中，轨道包括第一类轨道，然后基于目标体系的第一类轨道和电子数，确定目标体系的费米子形式的簇算符，最后基于目标体系的费米子形式的簇算符，获取目标体系的试验态，它能够为量子化学模拟计算目标体系能量的实现提供支持，提高计算速度和计算精度，促进量子化学模拟应用的进一步发展。
参见图6，图6为本发明实施例提供的一种用于量子化学模拟中获取目标体系试验态装置的结构示意图，与图2所示的流程相对应，所述装置包括：
第一获取模块601，用于获取量子化学模拟中待模拟的目标体系的轨道和电子数，其中，所述轨道包括第一类轨道；
确定模块602，用于基于所述目标体系的第一类轨道和电子数，确定所述目标体系的费米子形式的簇算符；
第二获取模块603，用于基于所述目标体系的费米子形式的簇算符，获取所述目标体系的试验态。
具体的，所述确定模块，包括：
第一获取单元，用于根据所述目标体系的第一类轨道和电子数，获取所述目标体系的Hartree-Fock态；
确定单元，用于根据预先选择的拟设方式和所述目标体系的Hartree-Fock态，确定所述目标体系的费米子形式的簇算符和激发项数。
具体的，所述第二获取模块，包括：
变换单元，用于选择映射方式并将所述目标体系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并进行演化，得到演化后的量子态作为所述目标体系的试验态。
具体的，所述演化单元，包括：
构造单元，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；
得到单元，用于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作为所述目标体系的试验态。
与现有技术相比，本发明首先获取量子化学模拟中待模拟的目标体系的轨道和电子数，其中，轨道包括第一类轨道，然后基于目标体系的第一类轨道和电子数，确定目标体系的费米子形式的簇算符，最后基于目标体系的费米子形式的簇算符，获取目标体系的试验态，它能够为量子化学模拟计算目标体系能量的实现提供支持，提高计算速度和计算精度，促进量子化学模拟应用的进一步发展。
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：
S201：获取量子化学模拟中待模拟的目标体系的轨道和电子数，其中，所述轨道包括第一类轨道；
S202：基于所述目标体系的第一类轨道和电子数，确定所述目标体系的费米子形式的簇算符；
S203：基于所述目标体系的费米子形式的簇算符，获取所述目标体系的试验态。
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-Only Memory，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，其特征在于，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：
S201：获取量子化学模拟中待模拟的目标体系的轨道和电子数，其中，所述轨道包括第一类轨道；
S202：基于所述目标体系的第一类轨道和电子数，确定所述目标体系的费米子形式的簇算符；
S203：基于所述目标体系的费米子形式的簇算符，获取所述目标体系的试验态。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于量子化学模拟中获取目标体系试验态的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取量子化学模拟中待模拟的目标体系的轨道和电子数，其中，所述轨道包括非冻结轨道；
基于所述非冻结轨道和电子数，确定所述目标体系的费米子形式的簇算符，所述费米子形式的簇算符根据拟设方式和所述目标体系的Hartree-Fock态确定；
基于所述目标体系的费米子形式的簇算符，获取所述目标体系的试验态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轨道还包括：冻结轨道，所述冻结轨道为：所述目标体系的最内层轨道或除最外层轨道之外的任意轨道。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述非冻结轨道和电子数，确定所述目标体系的费米子形式的簇算符，包括：
根据所述目标体系的非冻结轨道和电子数，获取所述目标体系的Hartree-Fock态；
根据预先选择的拟设方式和所述目标体系的Hartree-Fock态，确定所述目标体系的费米子形式的簇算符和激发项数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述拟设方式包括单激发耦合簇或单双激发耦合簇；其中，当所述拟设方式为单激发耦合簇时，所述目标体系的费米子形式的簇算符包括单激发项数；
当所述拟设方式为单双激发耦合簇时，所述目标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。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标体系的费米子形式的簇算符，获取所述目标体系的试验态，包括：
选择映射方式并将所述目标体系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并进行演化，得到演化后的量子态作为所述目标体系的试验态。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述泡利算子形式的簇算符包括的子项项数与所述激发项数相同；
所述将所述泡利算子形式的簇算符分解为对应酉算子并进行演化，得到演化后的量子态作为所述目标体系的试验态，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作为所述目标体系的试验态。
7.根据权利要求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。
8.一种用于量子化学模拟中获取目标体系试验态的装置，其特征在于，所述装置包括：
第一获取模块，用于获取量子化学模拟中待模拟的目标体系的轨道和电子数，其中，所述轨道包括非冻结轨道；
确定模块，用于基于所述非冻结轨道和电子数，确定所述目标体系的费米子形式的簇算符，所述费米子形式的簇算符根据拟设方式和所述目标体系的Hartree-Fock态确定；
第二获取模块，用于基于所述目标体系的费米子形式的簇算符，获取所述目标体系的试验态。
9.一种存储介质，其特征在于，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所述权利要求1至7任一项所述的方法。
10.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，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所述权利要求1至7任一项所述的方法。
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