CN114580647A - 量子系统的模拟方法、计算设备、装置及存储介质 - Google Patents

量子系统的模拟方法、计算设备、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本公开提供了量子系统的模拟方法、计算设备、装置及存储介质，涉及数据处理领域，尤其涉及量子计算领域。具体实现方案为：获取至少两个度量结果，其中的第一度量结果表征第一输出态与第一目标输出态之间的迹距离；第二度量结果表征第二输出态与第二目标输出态之间的迹距离；第一目标输出态表征初始时间演化电路作用到第一量子态后的输出态；第二目标输出态表征初始时间演化电路作用到第二量子态后的输出态；初始时间演化电路为目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路；计算得到表征平均迹距离的损失函数的损失值；在损失函数的损失值满足迭代要求的情况下，将可调参数处于第一参数值的预设参数化量子电路作为目标参数化量子电路。

Description

量子系统的模拟方法、计算设备、装置及存储介质
技术领域
本公开涉及数据处理技术领域，尤其涉及量子计算领域。
背景技术
目前，量子计算机正在朝着规模化和实用化的方向前进，越来越多的量子算法和应用正在不断涌现，展现了量子计算机超越经典计算机的巨大潜力。
量子计算的一个重要方向就是量子模拟(quantum simulation)，即模拟化学分子等量子系统的动态演化，其在量子化学、材料科学等领域有着重要的应用。
发明内容
本公开提供了一种量子系统的模拟方法、计算设备、装置及存储介质。
根据本公开的一方面，提供了一种量子系统的模拟方法，应用于经典计算设备，包括：
获取至少两个度量结果，其中，所述至少两个度量结果中的第一度量结果表征第一输出态与第一目标输出态之间的迹距离；所述至少两个度量结果中的第二度量结果表征第二输出态与第二目标输出态之间的迹距离；所述第一输出态是预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，作用到第一量子态后的输出态；所述第二输出态是所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，作用到第二量子态后的输出态；所述第一目标输出态表征初始时间演化电路作用到所述第一量子态后的输出态；所述第二目标输出态表征所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态后的输出态；所述初始时间演化电路为包含有n个量子比特的目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路；所述预设参数化量子电路为包含有n个量子比特的且含可调参数的量子电路；所述n为大于等于1的自然数；
基于所述至少两个度量结果所表征的迹距离，计算得到表征平均迹距离的损失函数的损失值；
在所述损失函数的损失值满足迭代要求的情况下，将所述可调参数处于第一参数值的预设参数化量子电路作为目标参数化量子电路，其中，所述目标参数化量子电路为所述初始时间演化电路的近似量子电路。
根据本公开的另一方面，提供了一种量子系统的模拟方法，应用于量子计算设备；包括：
将预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，至少作用到第一量子态上得到第一输出态；以及将所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，至少作用到第二量子态上得到第二输出态；
得到至少两个度量结果，其中，所述至少两个度量结果中的第一度量结果表征所述第一输出态与第一目标输出态之间的迹距离；所述至少两个度量结果中的第二度量结果表征所述第二输出态与第二目标输出态之间的迹距离；所述第一目标输出态表征初始时间演化电路作用到所述第一量子态后的输出态；所述第二目标输出态表征所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态后的输出态；所述初始时间演化电路为包含有n个量子比特的目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路；所述预设参数化量子电路为包含有n个量子比特的且含可调参数的量子电路；所述n为大于等于1的自然数；
发送所述至少两个度量结果。
根据本公开的再一方面，提供了一种经典计算设备，包括：
数据获取单元，用于获取至少两个度量结果，其中，所述至少两个度量结果中的第一度量结果表征第一输出态与第一目标输出态之间的迹距离；所述至少两个度量结果中的第二度量结果表征第二输出态与第二目标输出态之间的迹距离；所述第一输出态是预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，作用到第一量子态后的输出态；所述第二输出态是所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，作用到第二量子态后的输出态；所述第一目标输出态表征初始时间演化电路作用到所述第一量子态后的输出态；所述第二目标输出态表征所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态后的输出态；所述初始时间演化电路为包含有n个量子比特的目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路；所述预设参数化量子电路为包含有n个量子比特的且含可调参数的量子电路；所述n为大于等于1的自然数；
数据处理单元，用于基于所述至少两个度量结果所表征的迹距离，计算得到表征平均迹距离的损失函数的损失值；在所述损失函数的损失值满足迭代要求的情况下，将所述可调参数处于第一参数值的预设参数化量子电路作为目标参数化量子电路，其中，所述目标参数化量子电路为所述初始时间演化电路的近似量子电路。
根据本公开的再一方面，提供了一种量子计算设备，包括：
量子处理单元，用于将预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，至少作用到第一量子态上得到第一输出态；以及将所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，至少作用到第二量子态上得到第二输出态；
度量单元，用于得到至少两个度量结果，其中，所述至少两个度量结果中的第一度量结果表征所述第一输出态与第一目标输出态之间的迹距离；所述至少两个度量结果中的第二度量结果表征所述第二输出态与第二目标输出态之间的迹距离；所述第一目标输出态表征初始时间演化电路作用到所述第一量子态后的输出态；所述第二目标输出态表征所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态后的输出态；所述初始时间演化电路为包含有n个量子比特的目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路；所述预设参数化量子电路为包含有n个量子比特的且含可调参数的量子电路；所述n为大于等于1的自然数；
通信单元，用于发送所述至少两个度量结果。
根据本公开的再一方面，提供了一种经典计算设备，所述经典计算设备包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行以上应用于经典计算设备所述的方法。
根据本公开的再一方面，提供了一种量子计算设备，所述量子计算设备包括：
至少一个量子处理单元(quantum processing unit，QPU)；
存储器，耦合到所述至少一个QPU并用于存储可执行指令，
所述指令被所述至少一个量子处理单元执行，以使所述至少一个量子处理单元能够执行以上应用于量子计算设备所述的方法。
根据本公开的再一方面，提供了一种计算装置，包括：
以上所述的经典计算设备，以及以上所述的量子计算设备。
根据本公开的再一方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行以上应用于经典计算设备所述的方法。
根据本公开的再一方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，当至少一个量子处理单元执行时，所述计算机指令使得所述至少一个量子处理单元执行以上应用于量子计算设备所述的方法。
根据本公开的再一方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现以上应用于经典计算设备所述的方法；
或者，所述计算机程序在被至少一个量子处理单元执行时实现以上应用于量子计算设备所述的方法。
这样，实现了对目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路的简化，大大降低了在近期量子计算设备上实现量子模拟的代价。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：
图1是根据本公开实施例应用于经典计算设备中的量子系统的模拟方法的实现流程示意图；
图2是根据本公开实施例量子系统的模拟方法在一具体示例中的预设参数化量子电路的结构示意图；
图3是根据本公开实施例应用于量子计算设备中的量子系统的模拟方法的实现流程示意图；
图4是根据本公开实施例量子系统的模拟方法在一具体示例中的实现流程示意图；
图5是根据本公开实施例量子系统的模拟方法在一具体示例中的预设参数化量子电路的结构示意图；
图6是根据本公开实施例经典计算设备的结构示意图；
图7是根据本公开实施例量子计算设备的结构示意图；
图8是根据本公开实施例计算设备的结构示意图；
图9是用来实现本公开实施例量子系统的模拟方法的经典电子设备的框图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
高效实用的量子模拟在量子化学研发新药和电池方面等有着很好的应用前景，原因在于量子模拟可以用于模拟微观世界量子系统的演化，从而帮助研发人员研发新材料、模拟化学分子性质等。
而且，量子模拟也是量子机器学习中几个常见量子算法的核心子步骤，比如量子主成分分析(quantum principal component analysis)和量子线性系统求解方案(quantum algorithm for linear systems of equations)等。
以下对量子模拟做进一步详细说明；具体地，一个量子系统随着时间的演化是由该量子系统的哈密顿量(Hamiltonian)决定的。具体地说，对于一个其演化由某个哈密顿量H决定的量子系统，它在时间t的量子态为：
|ψ(t)>＝e-iHt|ψ(0)>；
这里，|ψ(0)>表征量子系统的初始状态(也即初始量子态)，
Figure BDA0003518592730000061
是虚数，U＝e-iHt为演化的酉矩阵(unitary matrix)。而量子模拟的目标就是设计量子电路来实现酉矩阵U＝e-iHt，进而以一定的精度在量子计算设备上制备出该量子系统在时间t的目标状态(也即目标量子态)|ψ(t)>。
本公开方案所针对的主要技术问题就是给定一个哈密顿量H和演化时间t，设计出近似该酉矩阵U＝e-iHt的、且简化的量子电路，也即设计出目标时间演化电路。
实际应用中，由于短期和中期的量子计算设备所能实现的量子比特数量少，且受噪声影响较大，精度有限，因此，如何使用更少的量子比特和基础量子门来实现同样精度的量子模拟便成了近期量子算法的一个重要问题。
基于此，本公开方案提供了一种充分利用近期量子计算设备所能提供的参数化量子电路(Parameterized Quantum Circuits，PQCs)，并基于任意量子模拟方案(也即预设算法)，创新性地通过训练该参数化量子电路以得到更简单、量子门数量更少的目标时间演化电路，这样，大大降低了在近期量子计算设备上实现量子模拟的代价。而且，本公开方案训练过程简单高效。
具体地，本公开方案提供了一种量子系统的模拟方法，应用于经典计算设备，如图1所示，该方法包括：
步骤S101：所述经典计算设备获取至少两个度量结果，其中，所述至少两个度量结果中的第一度量结果表征第一输出态与第一目标输出态之间的迹距离；所述至少两个度量结果中的第二度量结果表征第二输出态与第二目标输出态之间的迹距离；所述第一输出态是预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，作用到第一量子态后的输出态；所述第二输出态是所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，作用到第二量子态后的输出态；所述第一目标输出态表征初始时间演化电路作用到所述第一量子态后的输出态；所述第二目标输出态表征所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态后的输出态；所述初始时间演化电路为包含有n个量子比特的目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路；所述预设参数化量子电路为包含有n个量子比特的且含可调参数的量子电路；所述n为大于等于1的自然数。
可以理解的是，本公开方案所述的初始时间演化电路为目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路，预设参数化量子电路为任意包含有可调参数的量子电路，如此，基于通过训练该预设参数化量子电路来得到该初始时间演化电路的简化电路，以最大化降低实现量子模拟的代价。
这里，所述第一参数值可以为初始化时的参数值，还可以是上一次迭代处理过程所调整后的参数值，本公开方案对此不作限制。
可以理解的是，本公开方案所述的可调参数可以为一个参数或多个参数，本公开方案对此不作限制，只要能够基于预设参数化量子电路训练得到初始时间演化电路的近似量子电路即可。相应地，当可调参数为两个或多个时，第一参数值，以及后续所述的第二参数值，也并非为一个具体数值，为指相应参数对应的参数值，比如，为参数组对应的一组参数值。
步骤S102：所述经典计算设备基于所述至少两个度量结果所表征的迹距离，计算得到表征平均迹距离的损失函数的损失值；
步骤S103：所述经典计算设备在所述损失函数的损失值满足迭代要求的情况下，将所述可调参数处于第一参数值的预设参数化量子电路作为目标参数化量子电路，其中，所述目标参数化量子电路为所述初始时间演化电路的近似量子电路。
这样，本公开方案实现了对目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路的简化，设计出了可以在短期和中期的量子计算设备上达到较高模拟精度的量子电路，大大降低了在近期量子计算设备上实现量子模拟的代价，提高了在近期的量子设备上实现实用的量子模拟应用的可能性，兼具实用性和高效性。
举例来说，预设参数化量子电路可以主要包括若干个单量子比特旋转门和受控反闸门，其中单量子比特旋转门的旋转角度为该预设参数化量子电路中的可调参数，具体地，如图2所示，对于三个量子比特的量子系统而言，选择的待训练的参数化量子电路(也即预设参数化量子电路)也包括三个量子比特，分别为：量子比特Q1、量子比特Q2以及量子比特Q3；进一步地，各量子比特分别作用有单量子比特旋转门U3；比如，所述U3旋转门(即布洛赫球面上的一个广义旋转操作，比如，在X轴、Y轴或Z轴上进行旋转操作)包含有三个可调参数。具体地，对于作用于量子比特Q1的单量子比特旋转门U3而言，三个可调参数可分别记为θ11，θ12以及θ13，即该作用于量子比特Q1的单量子比特旋转门U3可记为U3(θ11，θ12，θ13)；同理，作用于量子比特Q2的单量子比特旋转门U3可记为U3(θ21，θ22，θ23)，以及作用于量子比特Q3的单量子比特旋转门U3可记为U3(θ31，θ32，θ33)。进一步地，量子比特Q1与量子比特Q2之间作用有CNOT门，量子比特Q2与量子比特Q3之间作用有CNOT门，以及，以及量子比特Q1与量子比特Q3之间作用有CNOT门，即共三个CNOT门。
可以理解的是，以上给出的预设参数化量子电路仅为示例性的，并非用于限制本公开方案，实际应用中，还可以训练其他结构的参数化量子电路，本公开方案对此不作限制。
在本公开方案的一具体示例中，所述预设参数化量子电路中的量子门的数量小于所述初始时间演化电路中量子门的数量。也就是说，本公开方案能够使用包含尽可能少的量子门的目标参数化量子电路来作为该初始时间演化电路的近似量子电路，如此，为进一步简化初始时间演化电路、降低量子模拟的代价奠定了基础。
而且，本公开方案无需使用辅助量子比特即可得到该初始时间演化电路的近似量子电路，所以，相比于现有需要使用辅助量子比特的方案，本公开方案尽可能少的使用了量子比特，进而进一步降低了量子模拟的代价。
在本公开方案的一具体示例中，可以基于如下方式得到初始时间演化电路；具体包括：经典计算设备至少获取待模拟的目标量子系统的目标哈密顿量，以及时间参数；基于预设算法对所述目标量子系统的目标哈密顿量和所述时间参数进行处理，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。也就是说，本具体示例具体明确得到初始时间演化电路所依赖的相关信息，以此在经典计算设备模拟得到初始时间演化电路，且得到该初始时间演化电路即为该目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路，为后续简化该初始时间演化电路、降低量子模拟的代价奠定了基础。
这里，可以理解的是，以上所述的预设算法可以是任意的量子模拟算法，本公开方案对此不作限制。
需要说明的是，该具体示例中，所述初始时间演化电路是基于目标量子系统的目标哈密顿量、时间参数以及预设算法得到的；但实际应用中，该初始时间演化电路还可以是用户直接输入的，即经典计算设备直接获取的用户所指定的该目标量子系统对应的初始时间演化电路，如此，来简化用户所指定的初始时间演化电路。这样，来满足用户的不同需求，进一步提升了本公开方案的实用性。
可以理解的是，该示例中，预设算法可以是内置于经典计算设备中的，或者是经典计算设备基于当前的计算资源所选中的，本公开方案对此不作限制。
在本公开方案的一具体示例中，还可以采用如下方式来得到该初始时间演化电路；具体地，所述经典计算设备获取预设算法(比如获取用户所输入的预设算法)，以及所述预设算法的参数集合；基于此，以上所述的基于预设算法对所述目标量子系统的目标哈密顿量和所述时间参数进行处理，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路，具体包括：基于所述目标哈密顿量、时间参数和所述参数集合运行所述预设算法，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。如此，为后续简化该初始时间演化电路、降低量子模拟的代价奠定了基础。
可以理解的是，该示例中，预设算法可以是用户所输入的，如此，来进一步满足用户需求，在降低量子模拟的代价同时，满足不同科研需求。
在本公开方案的一具体示例中，所述第一量子态和第二量子态满足如下要求：
所述第一量子态ρ满足
Figure BDA0003518592730000091
所述第二量子态σ满足
Figure BDA0003518592730000092
的情况下，得到
Figure BDA0003518592730000093
其中，所述U为所述初始时间演化电路；所述V(θ)为所述预设参数化量子电路，所述θ为可调参数。
这样，为使用最少地输入态来训练预设参数化量子电路提供了支持。换言之，本公开方案最少使用两个量子态，即可训练得到初始时间演化电路的近似量子电路(该过程可以基于数学推导证明得到，此处不再赘述)，因此，相比于现有方案，本公开方案在效率和成本消耗方面具有很大的优势。比如，在n较大时，本公开方案能够有效降低制备和保存量子态的消耗，同时，降低训练预设参数化量子电路所需要的时间。再有，本公开方案能够使用较少的数据来计算损失函数，意味着本公开方案具有更小的误差，所以精确度更高，具有更强的实用性。
在本公开方案的一具体示例中，其中，所述第一量子态为混合量子态；和/或，所述第二量子态为混合量子态。比如，在一示例中，所述第一量子态和第二量子态均为随机生成的混合量子态，如此，为简化初始时间演化电路提供了数据支持。
这里，对本公开方案所述的量子态(也即第一量子态和第二量子态)做简单说明；具体地，在量子力学中，量子态(quantum state)可以由密度矩阵(density matrix)表示，可分为纯态(pure state)和混态(也即混合态)(mixed state)。为便于与本公开方案的具体示例进行区别，此处可将纯态记为ρp，混合态记为ρm；可以理解的是，本公开方案所述的混合态满足下述要求；具体地，
纯态ρp的密度矩阵可以表达为ρp＝|ψ><ψ|，而混合态ρm则可以表示为两个以上纯态的系综(ensemble)形式，即混态ρm的密度矩阵可以表达为：
Figure BDA0003518592730000101
其中，∑ici＝1。
在本公开方案的一具体示例中，在所述损失函数的损失值不满足所述迭代要求(比如未收敛，或者迭代次数不足预设次数)的情况下，所述经典计算设备将所述可调参数的第一参数值调整至第二参数值，发送所述可调参数的第二参数值。比如，通过梯度下降法或者其他优化方法，来调整参数，并调整至第二参数值，进而将所述可调参数的第二参数值发送至量子计算设备，以便量子计算设备基于更新后的参数值得到新度量结果。如此，为实现量子-经典混合的算法，并得到初始时间演化电路的近似量子电路提供了技术支持。
在本公开方案的一具体示例中，在所述损失函数的损失值不满足所述迭代要求(比如未收敛，或者迭代次数不足预设次数)的情况下，以及将所述可调参数的第二参数值发送至量子计算设备之后，所述经典计算设备还会获取至少两个新度量结果，其中，所述至少两个新度量结果中的新第一度量结果表征新第一输出态与所述第一目标输出态之间的新迹距离；所述至少两个新度量结果中的新第二度量结果表征新第二输出态与所述第二目标输出态之间的新迹距离；所述新第一输出态是所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第二参数值的情况下，作用到所述第一量子态后的输出态；所述新第二输出态是所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第二参数值的情况下，作用到所述第二量子态后的输出态；进而基于所述至少两个新度量结果所表征的新迹距离，计算得到所述损失函数的新损失值，依此循环，直至新损失值满足所述迭代要求为止。
也就是说，本公开方案中，量子计算设备用于准备预设参数化量子电路，并得到度量结果，而经典计算设备负责计算损失值，并更新参数，如此来训练预设参数化量子电路，实现量子-经典混合的算法，为得到初始时间演化电路的近似量子电路提供了技术支持。
这样，本公开方案实现了对目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路的简化，设计出了可以在短期和中期的量子计算设备上达到较高模拟精度的量子电路，大大降低了在近期量子计算设备上实现量子模拟的代价，提高了在近期的量子设备上实现实用的量子模拟应用的可能性，兼具实用性和高效性。
本公开方案还提供了一种量子系统的模拟方法，应用于量子计算设备，如图3所示，包括：
步骤S301：将预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，至少作用到第一量子态上得到第一输出态；以及将所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，至少作用到第二量子态上得到第二输出态；
步骤S302：得到至少两个度量结果，其中，所述至少两个度量结果中的第一度量结果表征所述第一输出态与第一目标输出态之间的迹距离；所述至少两个度量结果中的第二度量结果表征所述第二输出态与第二目标输出态之间的迹距离；所述第一目标输出态表征初始时间演化电路作用到所述第一量子态后的输出态；所述第二目标输出态表征所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态后的输出态；所述初始时间演化电路为包含有n个量子比特的目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路；所述预设参数化量子电路为包含有n个量子比特的且含可调参数的量子电路；所述n为大于等于1的自然数；
步骤S303：发送所述至少两个度量结果。
需要说明的是，量子计算设备可以得到一个度量结果后即将该度量结果发送至经典计算设备，也可以在得到全部的度量结果后，一并发送至经典计算设备，本公开方案对此不作限制。
这里，所述第一参数值可以为初始化时的参数值，还可以是上一次迭代处理过程所调整后的参数值，本公开方案对此不作限制。
可以理解的是，本公开方案所述的可调参数可以为一个参数或多个参数，本公开方案对此不作限制，只要能够基于预设参数化量子电路训练得到初始时间演化电路的近似量子电路即可。相应地，当可调参数为两个或多个时，第一参数值，以及后续所述的第二参数值，也并非为一个具体数值，为指相应参数对应的参数值，比如，为参数组对应的一组参数值。
这样，本公开方案至少使用两个量子态，如第一量子态和第二量子态，即可实现简化初始时间演化电路的简化，降低了量子模拟的资源成本和时间成本，极大提高了量子模拟的实用性，为近期量子设备能够运行复杂量子算法提供了技术支持，同时，间接提升了近期量子设备的实际应用价值。
同时，本公开方案实现了对目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路的简化，设计出了可以在短期和中期的量子计算设备上达到较高模拟精度的量子电路，大大降低了在近期量子计算设备上实现量子模拟的代价，提高了在近期的量子设备上实现实用的量子模拟应用的可能性，兼具实用性和高效性。
可以理解的是，所述预设参数化量子电路可以参照以上所述的示例，此处不再赘述。而且，实际应用中，还可以训练其他结构的参数化量子电路，本公开方案对此不作限制。
在本公开方案的一具体示例中，所述预设参数化量子电路中的量子门的数量小于所述初始时间演化电路中量子门的数量。也就是说，本公开方案能够使用包含尽可能少的量子门的目标参数化量子电路来作为该初始时间演化电路的近似量子电路，如此，为进一步简化初始时间演化电路、降低量子模拟的代价奠定了基础。
而且，本公开方案无需使用辅助量子比特即可得到该初始时间演化电路的近似量子电路，所以，相比于现有需要使用辅助量子比特的方案，本公开方案尽可能少的使用了量子比特，进而进一步降低了量子模拟的代价。
在本公开方案的一具体示例中，可以基于如下方式得到初始时间演化电路；具体包括：量子计算设备至少获取待模拟的目标量子系统的目标哈密顿量，以及时间参数；基于预设算法对所述目标量子系统的目标哈密顿量和所述时间参数进行处理，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。也就是说，本具体示例具体明确得到初始时间演化电路所依赖的相关信息，以此在量子计算设备中得到初始时间演化电路，且得到该初始时间演化电路即为该目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路，为后续简化该初始时间演化电路、降低量子模拟的代价奠定了基础。
这里，可以理解的是，以上所述的预设算法可以是任意的量子模拟算法，本公开方案对此不作限制。
需要说明的是，该具体示例中，所述初始时间演化电路是基于目标量子系统的目标哈密顿量、时间参数以及预设算法得到的；但实际应用中，该初始时间演化电路还可以是用户直接输入的，即量子计算设备直接获取的用户所指定的该目标量子系统对应的初始时间演化电路，如此，来简化用户所指定的初始时间演化电路。这样，来满足用户的不同需求，进一步提升了本公开方案的实用性。
可以理解的是，该示例中，预设算法可以是内置于经典计算设备中的，或者是经典计算设备基于当前的计算资源所选中的，本公开方案对此不作限制。
在本公开方案的一具体示例中，还可以采用如下方式来得到该初始时间演化电路；具体地，所述量子计算设备还获取预设算法，以及所述预设算法的参数集合；其中，以上所述的基于预设算法对所述目标量子系统的目标哈密顿量和所述时间参数进行处理，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路，具体包括：基于所述目标哈密顿量、时间参数和所述参数集合运行所述预设算法，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。如此，为后续简化该初始时间演化电路、降低量子模拟的代价奠定了基础。
可以理解的是，该示例中，预设算法可以是用户所输入的，如此，来进一步满足用户需求，在降低量子模拟的代价同时，满足不同科研需求。
在本公开方案的一具体示例中，所述第一量子态和第二量子态满足如下要求：
所述第一量子态ρ满足
Figure BDA0003518592730000141
所述第二量子态σ满足
Figure BDA0003518592730000142
的情况下，得到
Figure BDA0003518592730000143
其中，所述U为所述初始时间演化电路；所述V(θ)为所述预设参数化量子电路，所述θ为可调参数。
这样，为使用最少地输入态来训练预设参数化量子电路提供了支持。换言之，本公开方案最少使用两个量子态，即可训练得到初始时间演化电路的近似量子电路(该过程可以基于数学推导证明得到，此处不再赘述)，因此，相比于现有方案，本公开方案在效率和成本消耗方面具有很大的优势。比如，在n较大时，本公开方案能够有效降低制备和保存量子态的消耗，同时，降低训练预设参数化量子电路所需要的时间。再有，本公开方案能够使用较少的数据来计算损失函数，意味着本公开方案具有更小的误差，所以精确度更高，具有更强的实用性。
在本公开方案的一具体示例中，所述第一量子态为混合量子态；和/或，所述第二量子态为混合量子态。比如，在一示例中，所述第一量子态和第二量子态均为随机生成的混合量子态，如此，为简化初始时间演化电路提供了数据支持。
在本公开方案的一具体示例中，所述量子计算设备还将所述初始时间演化电路作用到所述第一量子态，得到所述第一目标输出态；以及将所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态，得到所述第二目标输出态。如此，来得到训练数据集，为得到初始时间演化电路的近似电路提供的数据支持。
在本公开方案的一具体示例中，所述量子计算设备还接收所述可调参数的第二参数值；将所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于所述第二参数值的情况下，至少作用到第一量子态上得到新第一输出态，以及将所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于所述第二参数值的情况下，至少作用到第二量子态上得到新第二输出态；得到至少两个新度量结果；其中，所述至少两个新度量结果中的新第一度量结果表征新第一输出态与所述第一目标输出态之间的新迹距离；所述至少两个新度量结果中的新第二度量结果表征新第二输出态与所述第二目标输出态之间的新迹距离；发送所述至少两个新度量结果。也就是说，本公开方案中，量子计算设备用于准备预设参数化量子电路，并得到度量结果，而经典计算设备负责计算损失值，并更新参数，如此来训练预设参数化量子电路，实现量子-经典混合的算法，为得到初始时间演化电路的近似量子电路提供了技术支持。
这样，本公开方案实现了对目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路的简化，设计出了可以在短期和中期的量子计算设备上达到较高模拟精度的量子电路，大大降低了在近期量子计算设备上实现量子模拟的代价，提高了在近期的量子设备上实现实用的量子模拟应用的可能性，兼具实用性和高效性。
以下结合具体示例，对本公开方案做进一步详细说明。本公开方案创新性地利用两个随机生成的混合量子态(mixed quantum state)训练参数化量子电路来简化初始时间演化电路(也即初始量子电路)，并得到该初始量子电路的简化量子电路，也即近似量子电路，而且，该训练过程简单高效。
具体来说，给定一个要模拟的哈密顿量，首先基于乘积式法或其他方法模拟得到该哈密顿量的初始量子电路，其次，通过训练参数化量子电路来简化该初始量子电路，并得到该初始量子电路的近似量子电路，进而降低模拟该哈密顿量的代价，比如，降低目标时间演化电路(也即初始量子电路)中的量子门数量。
本示例中，参数化量子电路主要包括若干个单量子比特旋转门和受控反闸门，其中单量子比特旋转门的旋转角度为该参数化量子电路中的可调参数，具体地，如图2所示，对于三个量子比特的量子系统而言，选择的待训练的参数化量子电路(也即预设参数化量子电路)也包括三个量子比特，分别为：量子比特Q1、量子比特Q2以及量子比特Q3；进一步地，各量子比特分别作用有单量子比特旋转门U3；比如，所述U3旋转门(即布洛赫球面上的一个广义旋转操作，比如，在X轴、Y轴或Z轴上进行旋转操作)包含有三个可调参数。具体地，对于作用于量子比特Q1的单量子比特旋转门U3而言，三个可调参数可分别记为θ11，θ12以及θ13，即该作用于量子比特Q1的单量子比特旋转门U3可记为U3(θ11，θ12，θ13)；同理，作用于量子比特Q2的单量子比特旋转门U3可记为U3(θ21，θ22，θ23)，以及作用于量子比特Q3的单量子比特旋转门U3可记为U3(θ31，θ32，θ33)。进一步地，量子比特Q1与量子比特Q2之间作用有CNOT门，量子比特Q2与量子比特Q3之间作用有CNOT门，以及，以及量子比特Q1与量子比特Q3之间作用有CNOT门，即共三个CNOT门。
可以理解的是，以上给出的预设参数化量子电路仅为示例性的，并非用于限制本公开方案，实际应用中，还可以训练其他结构的参数化量子电路，本公开方案对此不作限制。
需要说明的是，本公开方案既可以在量子计算设备上运行，又可以在经典计算设备上模拟完成。以下给出一种效率最大化的处理方式，基于量子-经典混合的算法来完成模拟过程；如图4所示，具体步骤包括：
步骤S401：在量子计算设备上，输入待模拟的目标量子系统的目标哈密顿量H、时间参数t、输入得到初始时间演化电路(也即初始量子电路)所需的预设算法F，以及该预设算法F除了哈密顿量H,时间参数t之外的参数集合Λ。
步骤S402：在量子计算设备上，基于输入的信息，即目标哈密顿量H,时间参数t,参数集合Λ运行输入的预设算法F，得到该待模拟的目标哈密顿量H的初始时间演化电路(也即初始量子电路)，并记为U。同时，准备一个预设参数化量子电路V(θ)，其中，θ是该参数化量子电路的可调参数，比如，如图2所示的预设参数化量子电路。
可以理解的是，步骤401和步骤402的过程可以在经典计算机中模拟得到，只是计算代价高于量子计算设备。
步骤S403：在量子计算设备上，随机生成两个混合量子态，分别为第一混合量子态ρ和第二混合量子态σ。
步骤S404：在量子计算设备上，将得到的初始时间演化电路U分别作用于随机生成的两个混合量子态，即第一混合量子态ρ和第二混合量子态σ上，并度量得到两个目标输出态，即将初始时间演化电路U作用于第一混合量子态ρ上，度量得到第一目标输出态
Figure BDA0003518592730000171
同理，将初始时间演化电路U作用于第二混合量子态σ上，度量得到第二目标输出态
Figure BDA0003518592730000172
这里，所述
Figure BDA0003518592730000173
表示初始时间演化电路U的共轭转置。
也就是说，本示例中，两对量子态，即
Figure BDA0003518592730000174
为本示例训练所使用的数据集。
步骤S405：在量子计算设备上，将预设参数化量子电路V(θ)分别作用在第一混合量子态ρ和第二混合量子态σ上，度量得到两个输出态，即第一输出态
Figure BDA0003518592730000175
和第二输出态
Figure BDA0003518592730000176
步骤S406：在经典计算设备中，获取度量结果，即度量得到的第一目标输出态
Figure BDA0003518592730000177
第二目标输出态
Figure BDA0003518592730000178
第一输出态
Figure BDA0003518592730000179
和第二输出态
Figure BDA00035185927300001710
并基于第一输出态
Figure BDA00035185927300001711
与第一目标输出态
Figure BDA00035185927300001712
之间的迹距离，以及第二输出态
Figure BDA00035185927300001713
与第二目标输出态
Figure BDA00035185927300001714
之间的迹距离，得到平均迹距离，并将平均迹距离作为损失函数，即可得到该损失函数的损失值；其中，该损失函数的表达式为：
损失函数
Figure BDA00035185927300001715
其中，T(·,·)表征两个量子态之间的迹距离。并得到该损失函数的损失值。
步骤S407：在经典计算设备上，通过梯度下降法或者其他最优化方法，调整参数θ，重复步骤S404-406以最小化损失函数C(θ)，将得到的最优参数记为θ*。该最优参数θ*所对应的目标参数化量子电路V(θ*)即为初始时间演化电路(也即初始量子电路)U的近似量子电路，也即目标时间演化电路。
步骤S408：在量子计算设备上，输出目标参数化量子电路V(θ*)，作为本公开方案给出的用于模拟输入的目标哈密顿量的目标时间演化电路。
值得注意的是，本公开方案采取了量子-经典混合的算法，在量子计算机(也即量子计算设备)上设置预设参数化量子电路V(θ)并度量相应输出态(第一输出态和第二输出态)和目标输出态(第一目标输出态和第二目标输出态)之间的迹距离，并在经典计算机(也即经典计算设备)上计算损失函数C(θ)，使用传统的优化方法对参数θ进行优化，然后将优化后的θ传回至量子计算机更新预设参数化量子电路，如此，来完成训练。
可以理解的是，上述具体方案中，需要输入哈密顿量、模拟时间、生成初始时间演化电路的预设算法等来构建一个初始时间演化电路，但是，实际应用中，若存在待模拟的量子系统的理想时间演化电路，此时，则无需生成初始时间演化电路，将该理想时间演化电路直接作为初始时间演化电路U即可。
这样，本公开方案具有如下优点：
本公开方案更加灵活且实用。与现有乘积式法的模拟方案(受限于其背后的数学原理而导致模拟得到的量子电路代价较高)相比，本公开方案完全不受乘积式法的限制，可以根据具体应用场景和硬件设备的特性灵活地选用合适的量子门来构建预设参数化量子电路，并通过训练该预设参数化量子电路，使之更容易提取具体量子系统的哈密顿量的特性，从而能够在同样模拟精度的情况下大幅减少使用的量子门数量。因此，本公开方案更加适合量子比特的数量有限、易受噪声影响的近期量子计算设备，兼具通用性与实用性。
本公开方案无需辅助量子比特即可实现量子模拟，适合用于在近期的量子计算设备上实现量子模拟，具有高效性。
以下结合具体案例来进一步展现本公开方案的优势；具体地，本示例选择一维、环状的海森堡模型(Heisenberg model)作为待模拟的量子系统。海森堡模型是物理中常用的模型，其哈密顿量可以写为如下形式
Figure BDA0003518592730000181
其中，n表征量子系统中量子比特的数量，
Figure BDA0003518592730000182
分别表征第k个量子比特上的泡利矩阵(Pauli matrices)，hk表征与环境磁场有关的系数。因为，该量子系统具有环状的结构，所以，第n+1个量子比特即表示的就是第1个量子比特。在具体数值实验中，本示例选取n＝3，即有3个量子比特的海森堡模型，并在[-1,1]的范围内随机生成磁场系数hk。
首先，基于二阶特罗特-铃木乘积式(也即以上所述的预设算法)构建一个初始时间演化电路U，其含有4320个量子门。同时，准备一个仅含有48个量子门的预设参数化量子电路V(θ)，其每层结构如图5所示，共8层。
其次，基于本公开方案所述的方式训练构建的预设参数化量子电路V(θ)，并经过300轮的迭代训练得到了训练后的目标参数化量子电路V(θ*)，其与初始时间演化电路U的门保真度(gate fidelity)达到了0.9999，这样，充分说明了本公开方案可以在保证模拟精度的前提下大幅降低模拟代价。
本公开方案还提供了一种经典计算设备，如图6所示，包括：
数据获取单元601，用于获取至少两个度量结果，其中，所述至少两个度量结果中的第一度量结果表征第一输出态与第一目标输出态之间的迹距离；所述至少两个度量结果中的第二度量结果表征第二输出态与第二目标输出态之间的迹距离；所述第一输出态是预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，作用到第一量子态后的输出态；所述第二输出态是所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，作用到第二量子态后的输出态；所述第一目标输出态表征初始时间演化电路作用到所述第一量子态后的输出态；所述第二目标输出态表征所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态后的输出态；所述初始时间演化电路为包含有n个量子比特的目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路；所述预设参数化量子电路为包含有n个量子比特的且含可调参数的量子电路；所述n为大于等于1的自然数；
数据处理单元602，用于基于所述至少两个度量结果所表征的迹距离，计算得到表征平均迹距离的损失函数的损失值；在所述损失函数的损失值满足迭代要求的情况下，将所述可调参数处于第一参数值的预设参数化量子电路作为目标参数化量子电路，其中，所述目标参数化量子电路为所述初始时间演化电路的近似量子电路。
这样，本公开方案实现了对目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路的简化，设计出了可以在短期和中期的量子计算设备上达到较高模拟精度的量子电路，大大降低了在近期量子计算设备上实现量子模拟的代价，提高了在近期的量子设备上实现实用的量子模拟应用的可能性，兼具实用性和高效性。
在本公开方案的一具体示例中，所述预设参数化量子电路中的量子门的数量小于所述初始时间演化电路中量子门的数量。
在本公开方案的一具体示例中，所述数据获取单元，还用于获取目标量子系统的初始时间演化电路。
在本公开方案的一具体示例中，所述数据获取单元，还用于至少获取待模拟的目标量子系统的目标哈密顿量，以及时间参数；
所述数据处理单元，还用于基于预设算法对所述目标量子系统的目标哈密顿量和所述时间参数进行处理，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。
在本公开方案的一具体示例中，所述数据获取单元，还用于获取预设算法，以及所述预设算法的参数集合；
所述数据处理单元，还用于基于所述目标哈密顿量、时间参数和所述参数集合运行所述预设算法，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。
在本公开方案的一具体示例中，所述第一量子态和第二量子态满足如下要求：
所述第一量子态ρ满足
Figure BDA0003518592730000201
所述第二量子态σ满足
Figure BDA0003518592730000202
的情况下，得到
Figure BDA0003518592730000203
其中，所述U为所述初始时间演化电路；所述V(θ)为所述预设参数化量子电路，所述θ为可调参数。
在本公开方案的一具体示例中，所述第一量子态为混合量子态；和/或，所述第二量子态为混合量子态。
在本公开方案的一具体示例中，所述数据处理单元，还用于在所述损失函数的损失值不满足所述迭代要求的情况下，将所述可调参数的第一参数值调整至第二参数值；发送所述可调参数的第二参数值。
在本公开方案的一具体示例中，所述数据获取单元，还用于获取至少两个新度量结果，其中，所述至少两个新度量结果中的新第一度量结果表征新第一输出态与所述第一目标输出态之间的新迹距离；所述至少两个新度量结果中的新第二度量结果表征新第二输出态与所述第二目标输出态之间的新迹距离；所述新第一输出态是所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第二参数值的情况下，作用到所述第一量子态后的输出态；所述新第二输出态是所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第二参数值的情况下，作用到所述第二量子态后的输出态；
所述数据处理单元，还用于基于所述至少两个新度量结果所表征的新迹距离，计算得到所述损失函数的新损失值，直至新损失值满足所述迭代要求为止。
上述经典计算设备中各单元具体功能可参照上述方法描述，这里不再赘述。
这样，本公开方案实现了对目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路的简化，设计出了可以在短期和中期的量子计算设备上达到较高模拟精度的量子电路，大大降低了在近期量子计算设备上实现量子模拟的代价，提高了在近期的量子设备上实现实用的量子模拟应用的可能性，兼具实用性和高效性。
本公开方案还提供了一种量子计算设备，如图7所示，包括：
量子处理单元701，用于将预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，至少作用到第一量子态上得到第一输出态；以及将所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，至少作用到第二量子态上得到第二输出态；
度量单元702，用于得到至少两个度量结果，其中，所述至少两个度量结果中的第一度量结果表征所述第一输出态与第一目标输出态之间的迹距离；所述至少两个度量结果中的第二度量结果表征所述第二输出态与第二目标输出态之间的迹距离；所述第一目标输出态表征初始时间演化电路作用到所述第一量子态后的输出态；所述第二目标输出态表征所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态后的输出态；所述初始时间演化电路为包含有n个量子比特的目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路；所述预设参数化量子电路为包含有n个量子比特的且含可调参数的量子电路；所述n为大于等于1的自然数；
通信单元703，用于发送所述至少两个度量结果。
在本公开方案的一具体示例中，所述预设参数化量子电路中的量子门的数量小于所述初始时间演化电路中量子门的数量。
在本公开方案的一具体示例中，其中，
所述量子处理单元，还用于获取目标量子系统的初始时间演化电路。
在本公开方案的一具体示例中，其中，
所述量子处理单元，还用于至少获取待模拟的目标量子系统的目标哈密顿量，以及时间参数；基于预设算法对所述目标量子系统的目标哈密顿量和所述时间参数进行处理，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。
在本公开方案的一具体示例中，所述量子处理单元，还用于获取预设算法，以及所述预设算法的参数集合；基于所述目标哈密顿量、时间参数和所述参数集合运行所述预设算法，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。
在本公开方案的一具体示例中，所述第一量子态和第二量子态满足如下要求：
所述第一量子态ρ满足
Figure BDA0003518592730000221
所述第二量子态σ满足
Figure BDA0003518592730000222
的情况下，得到
Figure BDA0003518592730000223
其中，所述U为所述初始时间演化电路；所述V(θ)为所述预设参数化量子电路，所述θ为可调参数。
在本公开方案的一具体示例中，所述第一量子态为混合量子态；和/或，所述第二量子态为混合量子态。
在本公开方案的一具体示例中，所述量子处理单元，还用于将所述初始时间演化电路作用到所述第一量子态，得到所述第一目标输出态；以及将所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态，得到所述第二目标输出态。
在本公开方案的一具体示例中，所述量子处理单元，还用于接收所述可调参数的第二参数值；将所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于所述第二参数值的情况下，至少作用到第一量子态上得到新第一输出态，以及将所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于所述第二参数值的情况下，至少作用到第二量子态上得到新第二输出态；
所述度量单元，还用于得到至少两个新度量结果；其中，所述至少两个新度量结果中的新第一度量结果表征新第一输出态与所述第一目标输出态之间的新迹距离；所述至少两个新度量结果中的新第二度量结果表征新第二输出态与所述第二目标输出态之间的新迹距离；
所述通信单元，还用于发送所述至少两个新度量结果。
上述量子计算设备中各单元具体功能可参照上述方法描述，这里不再赘述。
这样，本公开方案至少使用两个量子态，如第一量子态和第二量子态，即可实现简化初始时间演化电路的简化，降低了量子模拟的资源成本和时间成本，极大提高了量子模拟的实用性，为近期量子设备能够运行复杂量子算法提供了技术支持，同时，间接提升了近期量子设备的实际应用价值。
同时，本公开方案实现了对目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路的简化，设计出了可以在短期和中期的量子计算设备上达到较高模拟精度的量子电路，大大降低了在近期量子计算设备上实现量子模拟的代价，提高了在近期的量子设备上实现实用的量子模拟应用的可能性，兼具实用性和高效性。
本公开方案还提供了一种计算装置，如图8所示，包括：
以上所述的经典计算设备801，以及
以上所述的量子计算设备802。
上述经典计算设备的具体结构，以及经典计算设备中各单元具体功能可参照上述方法描述，同理，上述量子计算设备的具体结构，以及量子计算设备中各单元具体功能可参照上述方法描述，这里不再赘述。
本公开方案还提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，当至少一个量子处理单元执行时，所述计算机指令使得所述至少一个量子处理单元执行以上应用量子计算设备的所述方法。
本公开方案还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现以上应用于经典计算设备所述的方法；
或者，所述计算机程序在被至少一个量子处理单元执行时实现应用于量子计算设备所述的方法。
本公开方案还提供了一种量子计算设备，所述量子计算设备包括：
至少一个量子处理单元；
存储器，耦合到所述至少一个QPU并用于存储可执行指令，
所述指令被所述至少一个量子处理单元执行，以使所述至少一个量子处理单元能够执行应用于量子计算设备所述的方法。
可以理解的是，本公开方案所述的中使用的量子处理单元(quantum processingunit，QPU)，也可称为量子处理器或量子芯片，可以涉及包括多个以特定方式互连的量子比特的物理芯片。
而且，可以理解的是，本公开方案所述的量子比特可以指量子计算设备的基本信息单元。量子比特包含在QPU中，并推广了经典数字比特的概念。
根据本公开的实施例，本公开还提供了一种经典计算设备(以下以该经典计算设备具体为电子设备为例进行说明)、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。
根据本公开的实施例，本公开还提供了一种电子设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。
图9示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备900的示意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。
如图9所示，设备900包括计算单元901，其可以根据存储在只读存储器(ROM)902中的计算机程序或者从存储单元908加载到随机访问存储器(RAM)903中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM903中，还可存储设备900操作所需的各种程序和数据。计算单元901、ROM 902以及RAM 903通过总线904彼此相连。输入/输出(I/O)接口905也连接至总线904。
设备900中的多个部件连接至I/O接口905，包括：输入单元906，例如键盘、鼠标等；输出单元907，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元908，例如磁盘、光盘等；以及通信单元909，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元909允许设备900通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
计算单元901可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元901的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元901执行上文所描述的各个方法和处理，例如应用于经典计算设备的量子系统的模拟方法。例如，在一些实施例中，应用于经典计算设备的量子系统的模拟方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元908。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 902和/或通信单元909而被载入和/或安装到设备900上。当计算机程序加载到RAM 903并由计算单元901执行时，可以执行上文描述的应用于经典计算设备的量子系统的模拟方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元901可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行应用于经典计算设备的量子系统的模拟方法。
本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入、或者触觉输入)来接收来自用户的输入。
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)和互联网。
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (42)

1.一种量子系统的模拟方法，应用于经典计算设备，包括：
获取至少两个度量结果，其中，所述至少两个度量结果中的第一度量结果表征第一输出态与第一目标输出态之间的迹距离；所述至少两个度量结果中的第二度量结果表征第二输出态与第二目标输出态之间的迹距离；所述第一输出态是预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，作用到第一量子态后的输出态；所述第二输出态是所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，作用到第二量子态后的输出态；所述第一目标输出态表征初始时间演化电路作用到所述第一量子态后的输出态；所述第二目标输出态表征所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态后的输出态；所述初始时间演化电路为包含有n个量子比特的目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路；所述预设参数化量子电路为包含有n个量子比特的且含可调参数的量子电路；所述n为大于等于1的自然数；
基于所述至少两个度量结果所表征的迹距离，计算得到表征平均迹距离的损失函数的损失值；
在所述损失函数的损失值满足迭代要求的情况下，将所述可调参数处于第一参数值的预设参数化量子电路作为目标参数化量子电路，其中，所述目标参数化量子电路为所述初始时间演化电路的近似量子电路。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预设参数化量子电路中的量子门的数量小于所述初始时间演化电路中量子门的数量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：
获取目标量子系统的初始时间演化电路。
4.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：
至少获取待模拟的目标量子系统的目标哈密顿量，以及时间参数；
基于预设算法对所述目标量子系统的目标哈密顿量和所述时间参数进行处理，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：
获取预设算法，以及所述预设算法的参数集合；
其中，所述基于预设算法对所述目标量子系统的目标哈密顿量和所述时间参数进行处理，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路，包括：
基于所述目标哈密顿量、时间参数和所述参数集合运行所述预设算法，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其中，所述第一量子态和第二量子态满足如下要求：
所述第一量子态ρ满足
Figure FDA0003518592720000021
所述第二量子态σ满足
Figure FDA0003518592720000022
的情况下，得到
Figure FDA0003518592720000023
其中，所述U为所述初始时间演化电路；所述V(θ)为所述预设参数化量子电路，所述θ为可调参数。
7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其中，
所述第一量子态为混合量子态；和/或，所述第二量子态为混合量子态。
8.根据权利要求1至7任一项所述的方法，还包括：
在所述损失函数的损失值不满足所述迭代要求的情况下，将所述可调参数的第一参数值调整至第二参数值；
发送所述可调参数的第二参数值。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
获取至少两个新度量结果，其中，所述至少两个新度量结果中的新第一度量结果表征新第一输出态与所述第一目标输出态之间的新迹距离；所述至少两个新度量结果中的新第二度量结果表征新第二输出态与所述第二目标输出态之间的新迹距离；所述新第一输出态是所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第二参数值的情况下，作用到所述第一量子态后的输出态；所述新第二输出态是所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第二参数值的情况下，作用到所述第二量子态后的输出态；
基于所述至少两个新度量结果所表征的新迹距离，计算得到所述损失函数的新损失值，直至新损失值满足所述迭代要求为止。
10.一种量子系统的模拟方法，应用于量子计算设备；包括：
将预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，至少作用到第一量子态上得到第一输出态；以及将所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，至少作用到第二量子态上得到第二输出态；
得到至少两个度量结果，其中，所述至少两个度量结果中的第一度量结果表征所述第一输出态与第一目标输出态之间的迹距离；所述至少两个度量结果中的第二度量结果表征所述第二输出态与第二目标输出态之间的迹距离；所述第一目标输出态表征初始时间演化电路作用到所述第一量子态后的输出态；所述第二目标输出态表征所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态后的输出态；所述初始时间演化电路为包含有n个量子比特的目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路；所述预设参数化量子电路为包含有n个量子比特的且含可调参数的量子电路；所述n为大于等于1的自然数；
发送所述至少两个度量结果。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述预设参数化量子电路中的量子门的数量小于所述初始时间演化电路中量子门的数量。
12.根据权利要求10或11所述的方法，还包括：
获取目标量子系统的初始时间演化电路。
13.根据权利要求10或11所述的方法，还包括：
至少获取待模拟的目标量子系统的目标哈密顿量，以及时间参数；
基于预设算法对所述目标量子系统的目标哈密顿量和所述时间参数进行处理，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
获取预设算法，以及所述预设算法的参数集合；
其中，所述基于预设算法对所述目标量子系统的目标哈密顿量和所述时间参数进行处理，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路，包括：
基于所述目标哈密顿量、时间参数和所述参数集合运行所述预设算法，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。
15.根据权利要求10至14任一项所述的方法，其中，所述第一量子态和第二量子态满足如下要求：
所述第一量子态ρ满足
Figure FDA0003518592720000041
所述第二量子态σ满足
Figure FDA0003518592720000042
的情况下，得到
Figure FDA0003518592720000043
其中，所述U为所述初始时间演化电路；所述V(θ)为所述预设参数化量子电路，所述θ为可调参数。
16.根据权利要求10至15任一项所述的方法，其中，所述第一量子态为混合量子态；和/或，所述第二量子态为混合量子态。
17.根据权利要求10至16任一项所述的方法，还包括：
将所述初始时间演化电路作用到所述第一量子态，得到所述第一目标输出态；以及将所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态，得到所述第二目标输出态。
18.根据权利要求10至17任一项所述的方法，还包括：
接收所述可调参数的第二参数值；
将所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于所述第二参数值的情况下，至少作用到第一量子态上得到新第一输出态，以及将所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于所述第二参数值的情况下，至少作用到第二量子态上得到新第二输出态；
得到至少两个新度量结果；其中，所述至少两个新度量结果中的新第一度量结果表征新第一输出态与所述第一目标输出态之间的新迹距离；所述至少两个新度量结果中的新第二度量结果表征新第二输出态与所述第二目标输出态之间的新迹距离；
发送所述至少两个新度量结果。
19.一种经典计算设备，包括：
数据获取单元，用于获取至少两个度量结果，其中，所述至少两个度量结果中的第一度量结果表征第一输出态与第一目标输出态之间的迹距离；所述至少两个度量结果中的第二度量结果表征第二输出态与第二目标输出态之间的迹距离；所述第一输出态是预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，作用到第一量子态后的输出态；所述第二输出态是所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，作用到第二量子态后的输出态；所述第一目标输出态表征初始时间演化电路作用到所述第一量子态后的输出态；所述第二目标输出态表征所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态后的输出态；所述初始时间演化电路为包含有n个量子比特的目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路；所述预设参数化量子电路为包含有n个量子比特的且含可调参数的量子电路；所述n为大于等于1的自然数；
数据处理单元，用于基于所述至少两个度量结果所表征的迹距离，计算得到表征平均迹距离的损失函数的损失值；在所述损失函数的损失值满足迭代要求的情况下，将所述可调参数处于第一参数值的预设参数化量子电路作为目标参数化量子电路，其中，所述目标参数化量子电路为所述初始时间演化电路的近似量子电路。
20.根据权利要求19所述的经典计算设备，其中，所述预设参数化量子电路中的量子门的数量小于所述初始时间演化电路中量子门的数量。
21.根据权利要求19或20所述的经典计算设备，其中，所述数据获取单元，还用于获取目标量子系统的初始时间演化电路。
22.根据权利要求19或20所述的经典计算设备，其中，
所述数据获取单元，还用于至少获取待模拟的目标量子系统的目标哈密顿量，以及时间参数；
所述数据处理单元，还用于基于预设算法对所述目标量子系统的目标哈密顿量和所述时间参数进行处理，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。
23.根据权利要求22所述的经典计算设备，其中，
所述数据获取单元，还用于获取预设算法，以及所述预设算法的参数集合；
所述数据处理单元，还用于基于所述目标哈密顿量、时间参数和所述参数集合运行所述预设算法，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。
24.根据权利要求19至23任一项所述的经典计算设备，其中，所述第一量子态和第二量子态满足如下要求：
所述第一量子态ρ满足
Figure FDA0003518592720000051
所述第二量子态σ满足
Figure FDA0003518592720000052
的情况下，得到
Figure FDA0003518592720000053
其中，所述U为所述初始时间演化电路；所述V(θ)为所述预设参数化量子电路，所述θ为可调参数。
25.根据权利要求19至24任一项所述的经典计算设备，其中，所述第一量子态为混合量子态；和/或，所述第二量子态为混合量子态。
26.根据权利要求19至25任一项所述的经典计算设备，其中，
所述数据处理单元，还用于在所述损失函数的损失值不满足所述迭代要求的情况下，将所述可调参数的第一参数值调整至第二参数值；发送所述可调参数的第二参数值。
27.根据权利要求26所述的经典计算设备，其中，
所述数据获取单元，还用于获取至少两个新度量结果，其中，所述至少两个新度量结果中的新第一度量结果表征新第一输出态与所述第一目标输出态之间的新迹距离；所述至少两个新度量结果中的新第二度量结果表征新第二输出态与所述第二目标输出态之间的新迹距离；所述新第一输出态是所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第二参数值的情况下，作用到所述第一量子态后的输出态；所述新第二输出态是所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第二参数值的情况下，作用到所述第二量子态后的输出态；
所述数据处理单元，还用于基于所述至少两个新度量结果所表征的新迹距离，计算得到所述损失函数的新损失值，直至新损失值满足所述迭代要求为止。
28.一种量子计算设备，包括：
量子处理单元，用于将预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，至少作用到第一量子态上得到第一输出态；以及将所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于第一参数值的情况下，至少作用到第二量子态上得到第二输出态；
度量单元，用于得到至少两个度量结果，其中，所述至少两个度量结果中的第一度量结果表征所述第一输出态与第一目标输出态之间的迹距离；所述至少两个度量结果中的第二度量结果表征所述第二输出态与第二目标输出态之间的迹距离；所述第一目标输出态表征初始时间演化电路作用到所述第一量子态后的输出态；所述第二目标输出态表征所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态后的输出态；所述初始时间演化电路为包含有n个量子比特的目标量子系统的酉矩阵的近似量子电路；所述预设参数化量子电路为包含有n个量子比特的且含可调参数的量子电路；所述n为大于等于1的自然数；
通信单元，用于发送所述至少两个度量结果。
29.根据权利要求28所述的量子计算设备，其中，所述预设参数化量子电路中的量子门的数量小于所述初始时间演化电路中量子门的数量。
30.根据权利要求28或29所述的量子计算设备，其中，
所述量子处理单元，还用于获取目标量子系统的初始时间演化电路。
31.根据权利要求28或29所述的量子计算设备，其中，
所述量子处理单元，还用于至少获取待模拟的目标量子系统的目标哈密顿量，以及时间参数；基于预设算法对所述目标量子系统的目标哈密顿量和所述时间参数进行处理，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。
32.根据权利要求31所述的量子计算设备，其中，所述量子处理单元，还用于获取预设算法，以及所述预设算法的参数集合；基于所述目标哈密顿量、时间参数和所述参数集合运行所述预设算法，得到模拟所述目标量子系统的酉矩阵的且至少包含有时间参数的初始时间演化电路。
33.根据权利要求28至32任一项所述的量子计算设备，其中，所述第一量子态和第二量子态满足如下要求：
所述第一量子态ρ满足
Figure FDA0003518592720000071
所述第二量子态σ满足
Figure FDA0003518592720000072
的情况下，得到
Figure FDA0003518592720000073
其中，所述U为所述初始时间演化电路；所述V(θ)为所述预设参数化量子电路，所述θ为可调参数。
34.根据权利要求28至33任一项所述的量子计算设备，其中，所述第一量子态为混合量子态；和/或，所述第二量子态为混合量子态。
35.根据权利要求28至34任一项所述的量子计算设备，其中，所述量子处理单元，还用于将所述初始时间演化电路作用到所述第一量子态，得到所述第一目标输出态；以及将所述初始时间演化电路作用到所述第二量子态，得到所述第二目标输出态。
36.根据权利要求28至35任一项所述的量子计算设备，其中，所述量子处理单元，还用于接收所述可调参数的第二参数值；将所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于所述第二参数值的情况下，至少作用到第一量子态上得到新第一输出态，以及将所述预设参数化量子电路在自身可调参数处于所述第二参数值的情况下，至少作用到第二量子态上得到新第二输出态；
所述度量单元，还用于得到至少两个新度量结果；其中，所述至少两个新度量结果中的新第一度量结果表征新第一输出态与所述第一目标输出态之间的新迹距离；所述至少两个新度量结果中的新第二度量结果表征新第二输出态与所述第二目标输出态之间的新迹距离；
所述通信单元，还用于发送所述至少两个新度量结果。
37.一种经典计算设备，其特征在于，所述经典计算设备包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-9中任一项所述的方法。
38.一种量子计算设备，其特征在于，所述量子计算设备包括：
至少一个量子处理单元；
存储器，耦合到所述至少一个QPU并用于存储可执行指令，
所述指令被所述至少一个量子处理单元执行，以使所述至少一个量子处理单元能够执行权利要求10至18中任一项所述的方法。
39.一种计算装置，其特征在于，包括：
根据权利要求19至27任一项所述的经典计算设备，
根据权利要求28至36任一项所述的量子计算设备。
40.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行根据权利要求1-9中任一项所述的方法。
41.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其特征在于，当至少一个量子处理单元执行时，所述计算机指令使得所述至少一个量子处理单元执行根据权利要求10至18任一项所述的方法。
42.一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现根据权利要求1-9中任一项所述的方法；
或者，所述计算机程序在被至少一个量子处理单元执行时实现根据权利要求10-18中任一项所述的方法。
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