CN114512195B - 基于分子动力学模拟体系性质的计算方法、装置及介质 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种基于分子动力学模拟体系性质的计算方法、装置及介质，该方法包括：根据初始时刻的第一体系参数，计算所述体系在初始时刻的初始总能量；根据所述第一体系参数和求解所述初始时刻的基态能量时的第一过程参数，计算所述体系在目标时刻的目标总能量；判断所述目标总能量与所述初始总能量的差值是否小于第一阈值；若所述目标总能量与所述初始总能量的差值不小于所述第一阈值，确定优化时刻；根据所述优化时刻，计算所述体系在优化时刻的基态能量；根据求解所述优化时刻的基态能量时的第二过程参数，计算所述体系在所述优化时刻的性质。本申请解决了相关技术中难以判断求解体系性质的精度是否达到要求的技术问题，提高了计算精度。
Description
技术领域
本申请涉及量子计算技术领域，尤其涉及一种基于分子动力学模拟体系性质的计算方法、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。量子计算机因此具有相对普通计算机更高效的处理数学问题的能力。
在从头算分子动力学模拟中，原子的原子核在势能面上运动并用牛顿运动方程描述，该势能面通过计算体系电子结构的基态能量得到。同基于经验力场的分子动力学模拟相比，从头算分子动力学模拟通过求解电子的薛定谔方程来获得基态能量，具有更高的精度，该技术可应用于虚拟药物筛选、材料研究、化学反应模拟等领域。
体系电子结构的基态能量的求解，其计算量随体系电子数目的增加呈指数增长，经典计算机在计算精度和计算范围上都面临巨大困难。而基于量子算法的量子计算机被认为有潜在的优势，变分量子特征求解算法就是其中一种量子算法。所以使用变分量子特征求解算法，在量子计算机上进行从头算分子动力学模拟具有重要意义。
但是，在变分量子特征求解算法中，试验态是通过哈密顿量是否满足收敛条件获得。因此，试验态同真实波函数存在差距，所以如何判断求解的体系的性质（比如力、动能等）是否达到期望的精度是实际应用中面临的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种基于分子动力学模拟的体系性质的计算方法、装置及介质，能够解决相关技术中难以判断求解体系性质的精度是否达到要求的技术问题，提高计算精度。
为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：
第一方面，提供一种基于分子动力学模拟体系性质的计算方法，该方法包括：
根据初始时刻的第一体系参数，计算所述体系在初始时刻的初始总能量；其中，所述初始总能量包括初始时刻的基态能量和动能；
根据所述第一体系参数和求解所述初始时刻的基态能量时的第一过程参数，计算所述体系在目标时刻的目标总能量；
判断所述目标总能量与所述初始总能量的差值是否小于第一阈值；
若所述目标总能量与所述初始总能量的差值不小于所述第一阈值，确定优化时刻；
根据所述优化时刻，计算所述体系在优化时刻的基态能量；
根据求解所述优化时刻的基态能量时的第二过程参数，计算所述体系在所述优化时刻的性质。
可选地，所述第一体系参数包括所述体系在初始时刻的位置和速度；
所述根据初始时刻的第一体系参数，计算所述体系在初始时刻的初始总能量，包括：
根据所述体系在初始时刻的位置，获取所述体系在所述初始时刻的试验态；
测量所述体系在所述初始时刻的试验态下的期望；
判断当前所述期望与前次测量后的期望的差值是否小于第二阈值；
若是，则将当前所述期望作为所述体系在初始时刻的基态能量；否则，更新所述体系在所述初始时刻的试验态，并返回执行测量所述体系在所述初始时刻的所述试验态下的期望的步骤；
根据所述体系在初始时刻的速度，计算所述体系在初始时刻的动能；
根据所述体系在初始时刻的基态能量和动能，获取所述体系在初始时刻的初始总能量。
可选地，所述第一过程参数包括所述体系在初始时刻的哈密顿量子项的期望；
所述根据所述第一体系参数和求解所述初始时刻的基态能量时的第一过程参数，计算所述体系在目标时刻的目标总能量，包括：
根据所述体系在初始时刻的位置和速度以及哈密顿量子项的期望，计算所述体系在目标时刻的位置和速度；
根据所述体系在目标时刻的位置，计算所述体系在目标时刻的基态能量；
根据所述体系在目标时刻的速度，计算所述体系在目标时刻的动能；
基于所述体系在目标时刻的基态能量和动能，获取所述体系在目标时刻的目标总能量。
可选地，所述根据所述优化时刻，计算所述体系在优化时刻的基态能量，包括：
根据所述体系在初始时刻的位置和速度以及哈密顿量子项的期望，计算所述体系在优化时刻的位置；
根据所述体系在优化时刻的位置，获取所述体系在所述优化时刻的试验态；
测量所述体系在所述优化时刻的试验态下的期望；
判断当前所述期望与前次测量后的期望的差值是否小于第三阈值；其中，所述第三阈值小于所述第二阈值；
若是，则将当前所述期望作为所述体系在所述优化时刻的基态能量；否则，更新所述体系在所述优化时刻的试验态，并返回执行测量所述体系在所述优化时刻的所述试验态下的期望的步骤。
可选地，所述第二过程参数包括所述体系在优化时刻的位置和优化时刻的哈密顿量子项的期望；所述体系的性质包括所述体系中原子核所受的力、所述体系的动能以及总能量；
所述根据求解所述优化时刻的基态能量时的第二过程参数，计算所述体系在所述优化时刻的性质，包括：
根据所述体系在优化时刻的位置和优化时刻的哈密顿量子项的期望，计算所述体系中原子核在优化时刻所受的力；
根据所述体系在初始时刻的速度和所述体系中原子核在优化时刻所受的力，计算所述体系在优化时刻的速度；
基于所述体系在优化时刻的速度，获取体系在优化时刻的动能；
基于所述体系在优化时刻的基态能量和动能，获取所述体系在优化时刻的总能量。
可选地，所述若所述目标总能量与所述初始总能量的差值不小于所述第一阈值，确定优化时刻，包括：
根据预设采样时间间隔和采样次数，以所述目标时刻为起始采样时刻进行采样，获得采样时刻；其中，所述目标时刻和所述采样时刻为优化时刻，且所述采样时刻位于所述初始时刻和所述目标时刻之间。
第二方面，提供一种基于分子动力学模拟体系性质的计算装置，所述装置包括：
第一计算模块，用于根据初始时刻的第一体系参数，计算所述体系在初始时刻的初始总能量；其中，所述初始总能量包括初始时刻的基态能量和动能；
第二计算模块，用于根据所述第一体系参数和求解所述初始时刻的基态能量时的第一过程参数，计算所述体系在目标时刻的目标总能量；
判断模块，用于判断所述目标总能量与所述初始总能量的差值是否小于第一阈值；
确定模块，用于若所述目标总能量与所述初始总能量的差值不小于所述第一阈值，确定优化时刻；
优化计算模块，用于根据所述优化时刻，计算所述体系在优化时刻的基态能量；
第三计算模块，用于根据求解所述优化时刻的基态能量时的第二过程参数，计算所述体系在所述优化时刻的性质。
可选地，所述第一体系参数包括所述体系在初始时刻的位置和速度；所述第一计算模块，包括：
第一获取单元，用于根据所述体系在初始时刻的位置，获取所述体系在所述初始时刻的试验态；
第一测量单元，用于测量所述体系在所述初始时刻的试验态下的期望；
第一判断单元，用于判断当前所述期望与前次测量后的期望的差值是否小于第二阈值；
第一更新单元，用于若是，则将当前所述期望作为所述体系在初始时刻的基态能量；否则，更新所述体系在所述初始时刻的试验态，并返回执行测量所述体系在所述初始时刻的所述试验态下的期望的步骤；
第一计算单元，用于根据所述体系在初始时刻的速度，计算所述体系在初始时刻的动能；
第二获取单元，用于根据所述体系在初始时刻的基态能量和动能，获取所述体系在初始时刻的初始总能量。
可选地，所述第一过程参数包括所述体系在初始时刻的哈密顿量子项的期望；所述第二计算模块，包括：
第二计算单元，用于根据所述体系在初始时刻的位置和速度以及哈密顿量子项的期望，计算所述体系在目标时刻的位置和速度；
第三计算单元，用于根据所述体系在目标时刻的位置，计算所述体系在目标时刻的基态能量；
第四计算单元，用于根据所述体系在目标时刻的速度，计算所述体系在目标时刻的动能；
第三获取单元，用于基于所述体系在目标时刻的基态能量和动能，获取所述体系在目标时刻的目标总能量。
可选地，所述优化计算模块，包括：
第五计算单元，用于根据所述体系在初始时刻的位置和速度以及哈密顿量子项的期望，计算所述体系在优化时刻的位置；
第四获取单元，用于根据所述体系在优化时刻的位置，获取所述体系在所述优化时刻的试验态；
第二测量单元，用于测量所述体系在所述优化时刻的试验态下的期望；
第二判断单元，用于判断当前所述期望与前次测量后的期望的差值是否小于第三阈值；其中，所述第三阈值小于所述第二阈值；
第二更新单元，用于若是，则将当前所述期望作为所述体系在所述优化时刻的基态能量；否则，更新所述体系在所述优化时刻的试验态，并返回执行测量所述体系在所述优化时刻的所述试验态下的期望的步骤。
可选地，所述第二过程参数包括所述体系在优化时刻的位置和优化时刻的哈密顿量子项的期望；所述体系的性质包括所述体系中原子核所受的力、所述体系的动能以及总能量；
所述第三计算模块，包括：
第六计算单元，用于根据所述体系在优化时刻的位置和优化时刻的哈密顿量子项的期望，计算所述体系中原子核在优化时刻所受的力；
第七计算单元，用于根据所述体系在初始时刻的速度和所述体系中原子核在优化时刻所受的力，计算所述体系在优化时刻的速度；
第五获取单元，用于基于所述体系在优化时刻的速度，获取体系在优化时刻的动能；
第六获取单元，用于基于所述体系在优化时刻的基态能量和动能，获取所述体系在优化时刻的总能量。
可选地，所述确定模块，用于：根据预设采样时间间隔和采样次数，以所述目标时刻为起始采样时刻进行采样，获得采样时刻；其中，所述目标时刻和所述采样时刻为优化时刻，且所述采样时刻位于所述初始时刻和所述目标时刻之间。
第三方面，提供一种电子装置，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第一方面任一项所述的方法。
第四方面，提供一种存储介质，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第一方面任一项所述的方法。
第五方面，提供一种量子计算机操作系统，所述量子计算机操作系统根据上述第一方面任一项所述的方法实现基于分子动力学模拟体系性质的计算。
第六方面，提供一种量子计算机，所述量子计算机包括上述第五方面所述的量子计算机操作系统。
该基于分子动力学模拟体系性质的计算方法、装置及介质，本申请利用对微正则系统进行从头算分子动力学模拟，体系总能量应保持不变的原理，通过目标时刻的目标总能量与初始时刻的初始总能量的差值判断求解的体系的性质的精度是否达到要求，并且在没有达到要求时，通过优化计算优化时刻的基态能量，进而保障了体系在优化时刻的性质的计算精度，解决了相关技术中难以判断求解体系性质的精度是否达到要求的技术问题，提高了计算精度。
附图说明
图1是本申请一示例性实施例提供的一种基于分子动力学模拟体系性质的计算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分子动力学模拟体系性质的计算方法的流程示意图；
图3为本申请一示例性实施例提供的一种基于分子动力学模拟体系性质的计算装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
下面以运行在计算机终端上为例对其进行详细说明。图1是本申请一示例性实施例提供的一种基于分子动力学模拟体系性质的计算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分子动力学模拟体系性质的计算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。
下面将结合图2对本申请实施例提供的基于分子动力学模拟体系性质的计算方法进行具体阐述。其中，所述体系的性质可以包括所述体系的基态能量、所述体系中原子核所受的力、所述体系的动能以及总能量。
示例性地，图2是本申请一示例性实施例提供的一种基于分子动力学模拟体系性质的计算方法流程示意图。
在本实施例中，该基于分子动力学模拟体系性质的计算方法包括如下步骤：
S21，根据初始时刻的第一体系参数，计算所述体系在初始时刻的初始总能量。
其中，所述初始总能量包括初始时刻的基态能量和动能，所述第一体系参数包括所述体系在初始时刻的位置和速度。所述体系在初始时刻的位置为所述体系中每个原子核在初始时刻的位置，所述体系在初始时刻的速度为所述体系中每个原子核在初始时刻的速度。
所述体系在初始时刻的基态能量是基于使用变分量子特征求解算法求解所述体系的基态能量。具体地，步骤S21可以包括如下步骤：
S211，根据所述体系在初始时刻的位置，获取所述体系在所述初始时刻的试验态。
假设述体系在初始时刻的位置坐标为，为获取所述体系在所述初始时刻的试验态可以包括如下步骤：
步骤S2111，选择初态|，例如选择Hartree-Fock态作为初始的量子态；
步骤S2112，选择拟设方法，如幺正单双激发偶合簇（UCCSD）方法；
步骤S2113，设置初始参数，如初始参数均设为0；
步骤S2114，根据初态|、初始参数/>和拟设在量子计算机上生成试验态/>。
S212，测量所述体系在所述初始时刻的试验态下的期望。
可以根据以下算式测量所述体系在所述初始时刻的试验态下的期望：
n表示求解所述体系基态能量的循环次数，H为所述体系的哈密顿量，为所述体系的哈密顿量子项的期望，/>为所述体系的哈密顿量子项的泡利字符串表示，，/>，I为单位矩阵，/>、/>、/>为泡利算符，/>为系数。
S213，判断当前所述期望与前次测量后的期望的差值是否小于第二阈值。
从第二次循环开始，判断当前的期望是否满足第一收敛条件。其中，所述第一收敛条件可以为当前期望与前次循环测量后的期望的差值小于第二阈值。即第一收敛条件使以下算式成立：
其中，为第n-1次循环下的期望，/>为第二阈值。第二阈值为根据经验人为设置的阈值，本申请对此不做具体限定。
S214，若是，则将当前所述期望作为所述体系在初始时刻的基态能量。否则，更新所述体系在所述初始时刻的试验态，并返回执行测量所述体系在所述初始时刻的所述试验态下的期望的步骤S212。
如果当前的期望与前次测量后的期望的差值小于第二阈值，则当前的期望为体系的基态能量，循环终止；如果当前的期望与前次测量后的期望的差值不小于第二阈值，使用经典优化器优化参数，得到新的参数/>和新的试验态，然后，回到步骤S212，依此循环。
假设所述体系含有N个原子，位于坐标位置R处的所述体系的基态能量通过上述变分量子特征求解算法获得：
其中，R为体系位置坐标，表示体系在R={R1, R2, ..., Ri, ..., RN}处的试验态，其中R1=(R1x, R1y, R1z)。
S215，根据所述体系在初始时刻的速度，计算所述体系在初始时刻的动能。
每个原子核的初始速度={vx, vy, vz}，根据实际条件设定，因此，可以通过以下算式计算所述体系在初始时刻的动能。
其中，m表示原子核的质量。
S215，根据所述体系在初始时刻的基态能量和动能，获取所述体系在初始时刻的初始总能量。
所述体系在初始时刻的初始总能量为所述体系在初始时刻的基态能量/>和动能/>之和。即
在获取所述体系在初始时刻的初始总能量后，执行步骤S22。
S22，根据所述第一体系参数和求解所述初始时刻的基态能量时的第一过程参数，计算所述体系在目标时刻的目标总能量。
其中，所述第一过程参数包括所述体系在初始时刻的哈密顿量子项的期望。具体地，步骤S22可以包括如下步骤：
S221，根据所述体系在初始时刻的位置和速度以及初始时刻的哈密顿量子项的期望，计算所述体系在目标时刻的位置和速度。
根据所述体系在初始时刻的位置和速度/>以及初始时刻的哈密顿量子项的期望/>，计算所述体系在目标时刻的位置和速度，可以包括以下步骤：
S2211，根据所述体系在初始时刻的位置以及初始时刻的哈密顿量子项的期望/>，计算所述体系原子核在初始时刻的受力/>。
在量子计算机上进行从头算分子动力学模拟，其关键便是要获得每个原子核所受的力。假设体系含有N个原子，第i个原子核沿方向所受的力为/>：
其中，为哈密顿量子项的期望，/>为单位方向向量，/>为差分步长。所述体系原子核在初始时刻的受力/>可以由上述算式计算得出。
S2212，根据所述体系在初始时刻的位置和速度/>以及述体系原子核在初始时刻的受力/>，通过以下算式（velocity-Verlet积分公式）计算所述体系在目标时刻的位置/>和速度/>：
其中，m表示原子核的质量，表示时间间隔。/>为所述体系原子核在目标时刻受的力。/>可以通过以下方式计算得出：在获取所述体系在目标时刻/>的位置后，根据上述步骤S211至S214计算所述体系在/>的哈密顿量子项的期望，进而根据所述体系在目标时刻/>的位置/>和目标时刻的哈密顿量子项的期望，计算出/>。
在获取所述体系在目标时刻的位置后，执行步骤S222。
S222，根据所述体系在目标时刻的位置，计算所述体系在目标时刻的基态能量。
所述体系在目标时刻的基态能量可以参考根据上述步骤S211至S214获得。
在获取所述体系在目标时刻的位置后，执行步骤S223。
S223，根据所述体系在目标时刻的速度，计算所述体系在目标时刻的动能。
S224，基于所述体系在目标时刻的基态能量和动能，获取所述体系在目标时刻的目标总能量。
即所述体系在目标时刻的目标总能量为述体系在目标时刻的基态能量和动能之和。
在获取所述体系在目标时刻的目标总能量后，执行步骤S23。
S23，判断所述目标总能量与所述初始总能量的差值是否小于第一阈值。
总能量的波动需要参考值，该参考值可以设为模拟的初始时刻t=0，在t=0时刻，所述初始总能量为：
其中，为初始总能量，/>为初始时刻的基态能量，/>为初始时刻的动能。所述体系中每个原子核的初始位置和初始速度，根据实际条件设定，不需要计算。所以总能量的计算误差来自于体系的基态能量，而体系的基态能量是通过收敛条件获得的，所以总能量的计算也是通过收敛条件获得的，因此可以作为参考值。
设定总能量波动范围为第一阈值，通过下式来判断t=m时刻（目标时刻）的总能量是否不小于第一阈值：
其中，为目标总能量，/>为目标时刻的基态能量，/>为目标时刻的动能。
如果所述目标总能量与所述初始总能量的差值小于第一阈值，则认为目标时刻的试验态及之前一些时刻的试验态计算精度满足要求，结束方法流程。
如果所述目标总能量与所述初始总能量的差值不小于第一阈值，则认为目标时刻的试验态及之前一些时刻的试验态计算精度不足，执行步骤S24。
S24，若所述目标总能量与所述初始总能量的差值不小于所述第一阈值，确定优化时刻。
具体地，确定优化时刻，可以包括：根据预设采样时间间隔和采样次数，以所述目标时刻为起始采样时刻进行采样，获得采样时刻；其中，所述目标时刻和所述采样时刻为优化时刻，且所述采样时刻位于所述初始时刻和所述目标时刻之间。例如，预设采样时间间隔为1个时间单位，预设采样次数为2，则优化时刻包括m时刻、m-1时刻和m-2时刻。
确定优化时刻后，执行步骤S25。
S25，根据所述优化时刻，计算所述体系在优化时刻的基态能量。
具体地，步骤S25可以包括如下步骤：
S251，根据所述体系在初始时刻的位置和速度以及哈密顿量子项的期望，计算所述体系在优化时刻的位置。
计算所述体系在优化时刻的位置可以参考步骤S221。
S252，根据所述体系在优化时刻的位置，获取所述体系在所述优化时刻的试验态。
S253，测量所述体系在所述优化时刻的试验态下的期望。
S254，判断当前所述期望与前次测量后的期望的差值是否小于第三阈值；其中，所述第三阈值小于所述第二阈值。
步骤S252至S254可以参考上述步骤S211至S214。步骤S254中当前所述期望为，前次测量后的期望为/>，从第二次循环开始，判断当前的期望是否满足第二收敛条件，其中，第二收敛条件使以下算式成立：
其中，为第三阈值，/>。第三阈值为根据经验人为设置的阈值，本申请对此不做具体限定。
即本申请的优化的原则如下：使所述体系在优化时刻的基态能量的收敛标准更严格，例如原来的收敛条件为：，则将其收敛标准改为， 这样得到的基态能量的精度更高，对应的试验态也更精确。
S254，若是，则将当前所述期望作为所述体系在所述优化时刻的基态能量；否则，更新所述体系在所述优化时刻的试验态，并返回执行测量所述体系在所述优化时刻的所述试验态下的期望的步骤S253。
在获取所述体系在所述优化时刻的基态能量后，执行步骤S26。
S26，根据求解所述优化时刻的基态能量时的第二过程参数，计算所述体系在所述优化时刻的性质。
其中，所述第二过程参数包括所述体系在优化时刻的位置和优化时刻的哈密顿量子项的期望；所述体系的性质包括所述体系中原子核所受的力、所述体系的动能以及总能量。
具体地，步骤S26可以包括：
S261，根据所述体系在优化时刻的位置和优化时刻的哈密顿量子项的期望，计算所述体系中原子核在优化时刻所受的力。
所述体系中原子核在优化时刻所受的力的计算过程可以参考步骤S2211。
S262，根据所述体系在初始时刻的速度和所述体系中原子核在优化时刻所受的力，计算所述体系在优化时刻的速度。
所述体系在优化时刻的速度的计算过程可以参考步骤S2212。
S263，基于所述体系在优化时刻的速度，获取体系在优化时刻的动能。
S264，基于所述体系在优化时刻的基态能量和动能，获取所述体系在优化时刻的总能量。
在量子计算机上进行从头算分子动力学模拟，本申请提出了一些改进方法，当体系总能量波动超过预设精度时，可通过继续优化目标时刻及之前一些时刻的试验态来得到更精确的体系的基态能量和动能，进而保证模拟的精度，解决了相关技术中难以判断求解体系性质的精度是否达到要求的技术问题，提高了从头算分子动力学模拟的精度，使得计算结果更可靠。
以上结合图2详细说明了本申请实施例提供的基于分子动力学模拟体系性质的计算方法。以下结合图3详细说明用于执行本申请实施例提供的基于分子动力学模拟体系性质的计算方法的装置。
示例性地，参见图3，图3为本申请一示例性实施例提供的一种基于分子动力学模拟体系性质的计算装置结构示意图，与图2所示的流程相对应，基于分子动力学模拟体系性质的计算装置300包括：
第一计算模块310，用于根据初始时刻的第一体系参数，计算所述体系在初始时刻的初始总能量；其中，所述初始总能量包括初始时刻的基态能量和动能；
第二计算模块320，用于根据所述第一体系参数和求解所述初始时刻的基态能量时的第一过程参数，计算所述体系在目标时刻的目标总能量；
判断模块330，用于判断所述目标总能量与所述初始总能量的差值是否小于第一阈值；
确定模块340，用于若所述目标总能量与所述初始总能量的差值不小于所述第一阈值，确定优化时刻；
优化计算模块350，用于根据所述优化时刻，计算所述体系在优化时刻的基态能量；
第三计算模块360，用于根据求解所述优化时刻的基态能量时的第二过程参数，计算所述体系在所述优化时刻的性质。
可选地，所述第一体系参数包括所述体系在初始时刻的位置和速度；所述第一计算模块310，包括：
第一获取单元，用于根据所述体系在初始时刻的位置，获取所述体系在所述初始时刻的试验态；
第一测量单元，用于测量所述体系在所述初始时刻的试验态下的期望；
第一判断单元，用于判断当前所述期望与前次测量后的期望的差值是否小于第二阈值；
第一更新单元，用于若是，则将当前所述期望作为所述体系在初始时刻的基态能量；否则，更新所述体系在所述初始时刻的试验态，并返回执行测量所述体系在所述初始时刻的所述试验态下的期望的步骤；
第一计算单元，用于根据所述体系在初始时刻的速度，计算所述体系在初始时刻的动能；
第二获取单元，用于根据所述体系在初始时刻的基态能量和动能，获取所述体系在初始时刻的初始总能量。
可选地，所述第一过程参数包括所述体系在初始时刻的哈密顿量子项的期望；所述第二计算模块320，包括：
第二计算单元，用于根据所述体系在初始时刻的位置和速度以及哈密顿量子项的期望，计算所述体系在目标时刻的位置和速度；
第三计算单元，用于根据所述体系在目标时刻的位置，计算所述体系在目标时刻的基态能量；
第四计算单元，用于根据所述体系在目标时刻的速度，计算所述体系在目标时刻的动能；
第三获取单元，用于基于所述体系在目标时刻的基态能量和动能，获取所述体系在目标时刻的目标总能量。
可选地，所述优化计算模块350，包括：
第五计算单元，用于根据所述体系在初始时刻的位置和速度以及哈密顿量子项的期望，计算所述体系在优化时刻的位置；
第四获取单元，用于根据所述体系在优化时刻的位置，获取所述体系在所述优化时刻的试验态；
第二测量单元，用于测量所述体系在所述优化时刻的试验态下的期望；
第二判断单元，用于判断当前所述期望与前次测量后的期望的差值是否小于第三阈值；其中，所述第三阈值小于所述第二阈值；
第二更新单元，用于若是，则将当前所述期望作为所述体系在所述优化时刻的基态能量；否则，更新所述体系在所述优化时刻的试验态，并返回执行测量所述体系在所述优化时刻的所述试验态下的期望的步骤。
可选地，所述第二过程参数包括所述体系在优化时刻的位置和优化时刻的哈密顿量子项的期望；所述体系的性质包括所述体系中原子核所受的力、所述体系的动能以及总能量；
所述第三计算模块360，包括：
第六计算单元，用于根据所述体系在优化时刻的位置和优化时刻的哈密顿量子项的期望，计算所述体系中原子核在优化时刻所受的力；
第七计算单元，用于根据所述体系在初始时刻的速度和所述体系中原子核在优化时刻所受的力，计算所述体系在优化时刻的速度；
第五获取单元，用于基于所述体系在优化时刻的速度，获取体系在优化时刻的动能；
第六获取单元，用于基于所述体系在优化时刻的基态能量和动能，获取所述体系在优化时刻的总能量。
可选地，所述确定模块340，用于：根据预设采样时间间隔和采样次数，以所述目标时刻为起始采样时刻进行采样，获得采样时刻；其中，所述目标时刻和所述采样时刻为优化时刻，且所述采样时刻位于所述初始时刻和所述目标时刻之间。
与现有技术相比，基于图3所示出的基于分子动力学模拟体系性质的计算装置，利用对微正则系统进行从头算分子动力学模拟，体系总能量应保持不变的原理，通过目标时刻的目标总能量与初始时刻的初始总能量的差值判断求解的体系的性质的精度是否达到要求，并且在没有达到要求时，通过优化计算优化时刻的基态能量，进而保障了体系在优化时刻的性质的计算精度，解决了相关技术中难以判断求解体系性质的精度是否达到要求的技术问题，提高了计算精度。
本申请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：
S21，根据初始时刻的第一体系参数，计算所述体系在初始时刻的初始总能量。其中，所述初始总能量包括初始时刻的基态能量和动能。
S22，根据所述第一体系参数和求解所述初始时刻的基态能量时的第一过程参数，计算所述体系在目标时刻的目标总能量。
S23，判断所述目标总能量与所述初始总能量的差值是否小于第一阈值。
S24，若所述目标总能量与所述初始总能量的差值不小于所述第一阈值，确定优化时刻。
S25，根据所述优化时刻，计算所述体系在优化时刻的基态能量。
S26，根据求解所述优化时刻的基态能量时的第二过程参数，计算所述体系在所述优化时刻的性质。
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。
本申请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：
S21，根据初始时刻的第一体系参数，计算所述体系在初始时刻的初始总能量。其中，所述初始总能量包括初始时刻的基态能量和动能。
S22，根据所述第一体系参数和求解所述初始时刻的基态能量时的第一过程参数，计算所述体系在目标时刻的目标总能量。
S23，判断所述目标总能量与所述初始总能量的差值是否小于第一阈值。
S24，若所述目标总能量与所述初始总能量的差值不小于所述第一阈值，确定优化时刻。
S25，根据所述优化时刻，计算所述体系在优化时刻的基态能量。
S26，根据求解所述优化时刻的基态能量时的第二过程参数，计算所述体系在所述优化时刻的性质。
可选地，该电子装置中的处理器可以为一个或多个。该处理器可以通过硬件实现也可以通过软件实现。当通过硬件实现时，该处理器可以是逻辑电路、集成电路等。当通过软件实现时，该处理器可以是一个通用处理器，通过读取存储器中存储的软件代码来实现。
可选地，该电子装置中的存储器也可以为一个或多个。该存储器可以与处理器集成在一起，也可以和处理器分离设置，本申请并不限定。示例性的，存储器可以是非瞬时性处理器，例如只读存储器ROM，其可以与处理器集成在同一块芯片上，也可以分别设置在不同的芯片上，本申请对存储器的类型，以及存储器与处理器的设置方式不作具体限定。
示例性的，该电子装置可以是现场可编程门阵列（field programmable gatearray，FPGA），可以是专用集成芯片（application specific integrated circuit，ASIC），还可以是系统芯片（system on chip，SoC），还可以是中央处理器（central processorunit，CPU），还可以是网络处理器（network processor，NP），还可以是数字信号处理电路（digital signal processor，DSP），还可以是微控制器（micro controller unit，MCU），还可以是可编程控制器（programmable logic device，PLD）或其他集成芯片。
应理解，在本申请实施例中的处理器可以是中央处理单元（central processingunit，CPU），该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器（digital signalprocessor，DSP）、专用集成电路（application specific integrated circuit，ASIC）、现成可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
还应理解，本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器（read-only memory，ROM）、可编程只读存储器（programmable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（erasable PROM，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（electrically EPROM，EEPROM）或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器（random access memory，RAM），其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的随机存取存储器（random accessmemory，RAM）可用，例如静态随机存取存储器（static RAM，SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、同步动态随机存取存储器（synchronous DRAM，SDRAM）、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（double data rate SDRAM，DDR SDRAM）、增强型同步动态随机存取存储器（enhanced SDRAM，ESDRAM）、同步连接动态随机存取存储器（synchlink DRAM，SLDRAM）和直接内存总线随机存取存储器（direct rambus RAM，DR RAM）。
本申请实施例还提供了一种量子计算机操作系统，所述量子计算机操作系统根据本发明实施例中提供的上述任一方法实施例实现基于分子动力学模拟体系性质的计算。
本申请的实施例还提供了一种量子计算机，所述量子计算机包括上述的量子计算机操作系统。
上述实施例，可以全部或部分地通过软件、硬件（如电路）、固件或其他任意组合来实现。当使用软件实现时，上述实施例可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令或计算机程序。在计算机上加载或执行所述计算机指令或计算机程序时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以为通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集合的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质（例如，DVD）、或者半导体介质。半导体介质可以是固态硬盘。
应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，其中A,B可以是单数或者复数。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系，但也可能表示的是一种“和/或”的关系，具体可参考前后文进行理解。
本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，a,b,或c中的至少一项（个），可以表示：a, b, c, a-b, a-c, b-c, 或a-b-c，其中a,b,c可以是单个，也可以是多个。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（read-only memory，ROM）、随机存取存储器（random access memory，RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于分子动力学模拟体系性质的计算方法，其特征在于，所述方法包括：
根据体系在初始时刻的位置和速度，计算所述体系在初始时刻的初始总能量；其中，所述初始总能量包括所述初始时刻的基态能量和动能；
根据所述体系在初始时刻的位置和速度和求解所述初始时刻的基态能量时的哈密顿量子项的期望，计算所述体系在目标时刻的目标总能量；
若所述目标总能量与所述初始总能量的差值不小于第一阈值，则根据预设采样时间间隔和采样次数，以所述目标时刻为起始采样时刻进行采样，获得采样时刻；其中，所述目标时刻和所述采样时刻为优化时刻，且所述采样时刻位于所述初始时刻和所述目标时刻之间；
根据所述优化时刻，计算所述体系在所述优化时刻的基态能量；
根据求解所述优化时刻的基态能量时的所述体系在所述优化时刻的位置和所述优化时刻的哈密顿量子项的期望，计算所述体系在所述优化时刻的性质，所述体系的性质包括所述体系中原子核所受的力、所述体系的动能以及总能量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据体系在初始时刻的位置和速度，计算所述体系在所述初始时刻的初始总能量，包括：
根据所述体系在所述初始时刻的位置，获取所述体系在所述初始时刻的试验态；
测量所述体系在所述初始时刻的试验态下的期望；
判断当前所述期望与前次测量后的期望的差值是否小于第二阈值；
若是，则将当前所述期望作为所述体系在所述初始时刻的基态能量；否则，更新所述体系在所述初始时刻的试验态，并返回执行测量所述体系在所述初始时刻的所述试验态下的期望的步骤；
根据所述体系在所述初始时刻的速度，计算所述体系在所述初始时刻的动能；
根据所述体系在所述初始时刻的基态能量和动能，获取所述体系在所述初始时刻的初始总能量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据体系在初始时刻的位置和速度和求解所述初始时刻的基态能量时的哈密顿量子项的期望，计算所述体系在目标时刻的目标总能量，包括：
根据所述体系在所述初始时刻的位置和速度以及求解所述初始时刻的基态能量时的哈密顿量子项的期望，计算所述体系在目标时刻的位置和速度；
根据所述体系在所述目标时刻的位置，计算所述体系在所述目标时刻的基态能量；
根据所述体系在所述目标时刻的速度，计算所述体系在所述目标时刻的动能；
基于所述体系在所述目标时刻的基态能量和动能，获取所述体系在所述目标时刻的目标总能量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述优化时刻，计算所述体系在所述优化时刻的基态能量，包括：
根据所述体系在所述初始时刻的位置和速度以及求解所述初始时刻的基态能量时的哈密顿量子项的期望，计算所述体系在所述优化时刻的位置；
根据所述体系在所述优化时刻的位置，获取所述体系在所述优化时刻的试验态；
测量所述体系在所述优化时刻的试验态下的期望；
判断当前所述期望与前次测量后的期望的差值是否小于第三阈值；其中，所述第三阈值小于所述第二阈值；
若是，则将当前所述期望作为所述体系在所述优化时刻的基态能量；否则，更新所述体系在所述优化时刻的试验态，并返回执行测量所述体系在所述优化时刻的所述试验态下的期望的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据求解所述优化时刻的基态能量时的所述体系在所述优化时刻的位置和所述优化时刻的哈密顿量子项的期望，计算所述体系在所述优化时刻的性质，包括：
根据所述体系在所述优化时刻的位置和所述优化时刻的哈密顿量子项的期望，计算所述体系中原子核在优化时刻所受的力；
根据所述体系在所述初始时刻的速度和所述体系中原子核在所述优化时刻所受的力，计算所述体系在所述优化时刻的速度；
基于所述体系在所述优化时刻的速度，获取所述体系在所述优化时刻的动能；
基于所述体系在所述优化时刻的基态能量和动能，获取所述体系在所述优化时刻的总能量。
6.一种基于分子动力学模拟体系性质的计算装置，其特征在于，所述装置包括：
第一计算模块，用于根据初始时刻的体系在初始时刻的位置和速度，计算所述体系在初始时刻的初始总能量；其中，所述初始总能量包括所述初始时刻的基态能量和动能；
第二计算模块，用于根据所述体系在初始时刻的位置和速度和求解所述初始时刻的基态能量时的哈密顿量子项的期望，计算所述体系在目标时刻的目标总能量；
确定模块，用于若所述目标总能量与所述初始总能量的差值不小于第一阈值，则根据预设采样时间间隔和采样次数，以所述目标时刻为起始采样时刻进行采样，获得采样时刻；其中，所述目标时刻和所述采样时刻为优化时刻，且所述采样时刻位于所述初始时刻和所述目标时刻之间；
优化计算模块，用于根据所述优化时刻，计算所述体系在所述优化时刻的基态能量；
第三计算模块，用于根据求解所述优化时刻的基态能量时的所述体系在所述优化时刻的位置和所述优化时刻的哈密顿量子项的期望，计算所述体系在所述优化时刻的性质，所述体系的性质包括所述体系中原子核所受的力、所述体系的动能以及总能量。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一计算模块，包括：
第一获取单元，用于根据所述体系在所述初始时刻的位置，获取所述体系在所述初始时刻的试验态；
第一测量单元，用于测量所述体系在所述初始时刻的试验态下的期望；
第一判断单元，用于判断当前所述期望与前次测量后的期望的差值是否小于第二阈值；
第一更新单元，用于若是，则将当前所述期望作为所述体系在所述初始时刻的基态能量；否则，更新所述体系在所述初始时刻的试验态，并返回执行测量所述体系在所述初始时刻的所述试验态下的期望的步骤；
第一计算单元，用于根据所述体系在所述初始时刻的速度，计算所述体系在所述初始时刻的动能；
第二获取单元，用于根据所述体系在所述初始时刻的基态能量和动能，获取所述体系在所述初始时刻的初始总能量。
8.一种电子装置，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5任一项所述的方法。
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5任一项所述的方法。
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