CN115481744B - 一种基于模拟量子器件获取待测系统本征态的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于模拟量子器件获取待测系统本征态的方法和装置，该方法包括：制备第一量子态；基于预设的概率分布，采样得到第一演化时间、第二演化时间和第三演化时间；确定出待测系统对应的哈密顿量；根据哈密顿量、第一、第二和第三演化时间，确定第一、第二和第三幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，得到第一测量结果，第一操作组合包括第一幺正操作的共轭操作、待测系统的观测量对应的厄密操作和第二幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第三幺正操作的第二期望值，得到第二测量结果；结合第一测量结果和第二测量结果，获取待测系统的观测量。

Description

一种基于模拟量子器件获取待测系统本征态的方法及装置

技术领域

本发明涉及量子计算领域，尤其涉及一种基于模拟量子器件获取待测系统本征态的方法及装置。

背景技术

高效地制备量子系统的本征态，以及估计系统的本征态的性质是量子计算中长期存在的基本问题，在非常多的技术领域中有着广泛的应用。例如，在物理和化学领域的微分方程、连续的或离散的动力系统、图像处理中的主成分分析中；在化学分子和材料的制备和合成、分子的合成中；在材料的性质预测如超导材料、纳米材料、铁电材料、磁性材料、拓扑材料、金属、有机物、半导体、半金属、热电材料、聚合物、催化剂等一系列功能材料，化学反应生成物的确立中。在这些预测中，获取材料的激发态(非基态)的信息至关重要。

现有的技术方案，得到系统的本征态|u_i>并且获取其本征态的信息，通常需要消耗大量的时间和空间计算资源，例如具有随着问题规模指数级攀升的时间复杂度和空间复杂度。具体而言，一种利用对角化矩阵获取系统本征态信息的方案，其需要O(D³)的时间复杂度和O(D²)空间复杂度，其中，D是系统相位空间的大小，对于量子系统而言,D随着量子比特数目指数级增长。另一种方案可以通过牺牲一部分的时间复杂度来换取空间资源的节省，但是其仅仅可以在此多项式的复杂度的基础上进行一部分的提高，但是其无法获得一个真实的物理系统(系统尺寸通常随着粒子数量或者物理自由度而指数增长)的本征态，或者获得系统的本征态的一些性质，例如物理材料的响应函数(电阻，光电导，磁化率等)。还有一些技术方案，通过一系列的受控量子门来估计系统的本征态，其需要的量子线路深度很长，使用的量子比特数目众多。

因此，需要一种新的获取待测系统本征态的方案。

发明内容

本发明实施例提供一种基于模拟量子器件获取待测系统本征态及装置。利用该方法，可以利用量子模拟(哈密顿量演化)器件和后处理，高效地获取系统可观测量信息，等效的获取系统的本征态信息。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为，一方面提供一种基于模拟量子器件获取待测系统本征态的方法，所述方法包括：

制备第一量子态；

基于预设的概率分布，采样得到第一演化时间、第二演化时间和第三演化时间；

确定出待测系统对应的哈密顿量；根据所述哈密顿量和第一演化时间，确定第一幺正操作，根据所述哈密顿量和第二演化时间，确定第二幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，得到第一测量结果，所述第一操作组合包括第一幺正操作的共轭操作、所述待测系统的观测量对应的厄密操作和第二幺正操作；

根据哈密顿量和第三演化时间，确定第三幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第三幺正操作的第二期望值，得到第二测量结果；

结合第一测量结果和第二测量结果，获取所述待测系统的观测量。

优选地，所述待测系统包括分子系统、超导材料系统、金属晶体量子系统、纳米材料量子系统中的任意一种；所述观测量包括电阻、光电导、磁化率、吸收能谱中的一种或多种。

优选地，制备第一量子态，包括：

基于态制备操作、变分量子本征求解器中的任意一种，制备第一量子态。

优选地，对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，可以表示为：

其中，N为第一期望值，ψ₀为第一量子态，U₁、U₂分别为第一幺正操作和第二幺正操作，

为共轭转置，O为观察量对应的厄密算符。

优选地，对于第一量子态施加第三幺正操作的第二期望值，可以表示为：

P＝<ψ₀|U₃|ψ₀<

其中，P为第二期望值，ψ₀为第一量子态，U₃为第三幺正操作。

优选地，所述模拟量子器件为可执行2量子比特受控操作的模拟量子器件；

所述测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，包括：

通过哈德码测试法，分别测量出所述第一期望值的实部和虚部。

优选地，所述模拟量子器件为不可执行2量子比特受控操作的模拟量子器件；

所述测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，包括：

通过泡利测量法，测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值。

优选地，所述模拟量子器件为不可执行2量子比特受控操作的模拟量子器件；

所述测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，包括：

测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，得到第一子测量结果，所述第一子测量结果对应于所述第一期望值的模的平方；

测量对于第一量子态施加第一态制备操作、第一操作组合以及第一态制备操作的共轭操作后的期望值，得到第二子测量结果，所述第二子测量结果对应于第一期望值的模和相位之和；

根据第一、第二子测量结果，得到第三子测量结果；所述第三子测量结果对应于第一期望值的相位；

所述第一测量结果包括第一、第二和第三子测量结果。

第二方面，提供一种基于模拟量子器件获取待测系统本征态的装置，所述装置包括：

初态制备单元，配置为，制备第一量子态；

演化时间采样单元，配置为，基于预设的概率分布，采样得到第一演化时间、第二演化时间和第三演化时间；

第一测量单元，配置为，确定出待测系统对应的哈密顿量；根据所述哈密顿量和第一演化时间，确定第一幺正操作，根据所述哈密顿量和第二演化时间，确定第二幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，得到第一测量结果，所述第一操作组合包括第一幺正操作的共轭操作、所述待测系统的观测量对应的厄密操作和第二幺正操作；

第二测量单元，配置为，根据哈密顿量和第三演化时间，确定第三幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第三幺正操作的第二期望值，得到第二测量结果；

观察量确定单元，配置为，结合第一测量结果和第二测量结果，获取所述待测系统的观测量。

第三方面，提供一种量子计算机，包括被配置为实现第一方面所述的方法的一个或多个量子线路。

附图说明

为了更清楚说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于模拟量子器件获取待测系统本征态的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的量子态不同制备方式的示意图；

图3为本发明实施例提供的分别测量观测量的实部和虚步的示意图；

图4为本发明实施例提供的通过泡利测量得到观测量的示意图；

图5为本发明实施例提供的通过直接测量得到观测量的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种基于模拟量子器件获取待测系统本征态的装置的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如前所述，现有的获取量子系统本征态的方案，存在通常需要消耗大量的时间和空间两方面的计算资源的缺陷，或者存在通过受控量子门来估计系统的本征态，需要的量子线路深度很长、使用的量子比特数目过多的缺陷。为了更清晰的表述本说明书实施例提供的通过模拟量子器件获取待测系统本征态的方案的优点。下面先对现有的获取系统本征态的方案及其缺点做进一步的概要说明。

现有的技术方案，主要包括变分量子本征求解器及其衍生方案、以及量子相位估计(quantum phase est imat i on)方案。

其中，变分量子本征求解器的大致过程如下：在参数化量子电路中准备一个量子态；测量待测量子系统的哈密顿量在参数化量子态下的平均值；利用经典计算机优化参数；重复上述测量和优化过程，使得其能量平均值达到最小，即优化到最终结果，其对应的量子态即为生产中制备的基态；在基态上进行量子测量，获得基态上的可观测量的平均值<u_i|O|u_i>，其中O表示可观测量。例如当O＝H的特殊情况，<u_i|O|u_i>给出了系统的本征能量E_i。但是变分量子本征求解器及其衍生方案，具有如下问题：第一，变分量子本征求解器算法及其衍生算法，通常着眼于利用经典计算机的参数优化及量子线路的量子门形式。因此，受到现有量子芯片资源的限制，实际能够表达的量子纠缠特性有限。对于更为复杂的、纠缠更深的体系而言，现有技术的精度和资源都会受到限制，这是其现有结构的技术方法目前无法解决的。第二、优化变分量子本征求解器的参数需要经典计算辅助。对于一个真实的问题，变分量子本征求解器并不能保证一定可以得到真实的基态。尤其是，经典优化的过程的复杂度同样可以是指数级递增的。第三、变分量子本征求解器通常着眼于求解系统的基态，其求解任意的激发态是极为困难的，而激发态的制备，对于很多实际问题的解决是尤其重要的。

量子相位估计方案，则可以通过一系列的受控量子门来估计系统的本征态。但是其存在如下问题：第一、由于其需要的线路深度较长，需要的量子比特较多，很难在现有的或者近期的量子设备上运行。此外，其通常对噪声的抵抗性很差，因此需要依赖于容错量子计算。第二、量子比特的数目依赖于精度

∈是目标的精度。但是，其需要受控的多比特相干操作Ctr l-U，其中该操作是相干操作。因此实际生产中，需要较多数目的单双比特门来实现这一操作。第三、相干时间长。由于线路的深度是正比于π/∈，对于精度要求较高的应用，例如化学分子(∈＝10^-3)，线路深度很长。

为了解决上述技术问题。本说明书实施例提供了一种基于模拟量子器件获取待测系统本征态的方案，可以利用量子设备，采用随机幺正操作，进而通过对于操作后的量子系统的测量结果、以及对于测量结果的后处理，获取系统的可观测量。使用该方案，具有如下优点：第一方面，相比于现有的技术方案，由于其利用量子线路存储目标问题，且总运行时间对数式依赖于目标问题

具有较低的时间和空间复杂度。第二方面、由于不依赖于变分法，其相对于变分量子本征求解器可以确定性的得到目标问题的解。第三方面，相对于现有的通用量子计算方案(依赖于精确的受控量子操作)，该方案并不要求需要量子门的操作，仅仅需要其可以进行哈密顿量演化操作。由于哈密顿演化操作是各种模拟量子器件的基本操作，因此该方案可以在数字模拟量子器件和模拟量子器件(ana l og quantums imu l ator)上运行。第四方面，相对于通用量子算法，最多只需要一个辅助比特，避免了多比特的相干操作，还可以在有噪声的量子设备上运行。并且，对于操作受限的模拟量子器件，具有不需要辅助比特的可观察量测量方案。因此,该方案和装置设备可以在大多数量子平台上实现。

图1为本发明实施例提供的一种基于模拟量子器件获取待测系统本征态的方法的流程图。如图1所示，该方法至少包括如下步骤：

步骤11，制备第一量子态；

步骤12，基于预设的概率分布，采样得到第一演化时间、第二演化时间和第三演化时间；

步骤13，确定出待测系统对应的哈密顿量；根据所述哈密顿量和第一演化时间，确定第一幺正操作，根据所述哈密顿量和第二演化时间，确定第二幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，得到第一测量结果，所述第一操作组合包括第一幺正操作的共轭操作、所述待测系统的观测量对应的厄密操作和第二幺正操作；

步骤14，根据哈密顿量和第三演化时间，确定第三幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第三幺正操作的第二期望值，得到第二测量结果；

步骤15，结合第一测量结果和第二测量结果，获取所述待测系统的观测量。

首先，在步骤11，制备第一量子态。

在不同的实施例中，所述待测系统可以表征不同具体问题的量子系统。在一个实施例中，待测系统包括分子系统、超导材料系统、金属晶体系统、纳米材料系统中的任意一种。

在不同的实施例中，可以采用不同的具体方式制备第一量子态，本说明书对此不做限制。例如，在一个实施例中，可以基于态制备操作、变分量子本征求解器中的任意一种，制备第一量子态|ψ₀>。例如，在一个实施例中，可以在初态上制备第一量子态，初态例如可以是简单的直积态，例如化学问题，可以用平均场方案，也被称作哈特利-弗克(Hartree-Fock)方法获得第一量子态。在不同的实施例中，初态可以是任意实验上可以实现的态，例如微直积态

图2为本发明实施例提供的量子态不同制备方式的示意图。如图2所示，在一个例子中，可以对初始的直积态/>

施加一个模拟量子器件上允许的操作得到初态的制备。在一个例子中，可以利用变分量子本征求解器，将变分优化得到的态作为初态。在一个例子中，可以使用幺正操作操作制备初态方法，如图2(a1)所示。在一个例子中，还可以利用厄米操作来制备初态，见图2(a2)所示。在其他例子中，还可以使用用于化学问题中的多体微扰(many-body perturbat i on theory)方案，幺正耦合蔟方案(un i tary coup led c l uster)等。

然后，在步骤12，基于预设的概率分布，采样得到第一演化时间、第二演化时间和第三演化时间。

在不同的实施例中，可以基于不同的概率分布，采用的不同的具体方式，获取第一演化时间、第二演化时间和第三演化时间。在一个实施例中，可以得到演化时间t＝yτ，其中y可以根据概率分布p(y)采样得到，τ是预设的参数。在一个具体的例子中，该概率分布可以具体为

在一个实施例中，可以根据该概率分布，进行多次采样，分别得到第一演化时间t_m＝y_mτ，第二演化时间t_n＝y_nτ，第三演化时间t_k＝y_kτ，m、n、k为采样标识。

在一个实施例中，该操作可以通过经典计算单元实现。在不同的实施例中，该操作也可以通过模拟量子器件实现，例如离子阱，半导体芯片、硅基量子器件，量子点，超导芯片(超导量子线路，超导腔，约瑟夫森结)，光晶格，里德堡原子，光波导等。

接着，在步骤13，确定出待测系统对应的哈密顿量；根据所述哈密顿量和第一演化时间，确定第一幺正操作，根据所述哈密顿量和第二演化时间，确定第二幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，得到第一测量结果，所述第一操作组合包括第一幺正操作的共轭操作、所述待测系统的观测量对应的厄密操作和第二幺正操作。

该步骤中，可以根据步骤12中获取的第一和第二演化时间、以及待测系统对应的哈密顿量H，分别确定第一幺正操作和第二幺正操作，其可以分别表示为

在一个实施例中，对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，可以表示为：

其中，N为第一期望值，ψ₀为第一量子态，U₁、U₂分别为第一幺正操作和第二幺正操作，

为共轭转置，O为观察量对应的厄密算符。

在一个实施例中，所述模拟量子器件可以为可执行2量子比特受控操作的模拟量子器件(数子模拟量子器件)；在此前提下，可以通过哈德码测试法，分别测量出所述第一期望值的实部和虚部。在一个具体的实施例中，例如可以利用如图3所示的量子线路对

的实部(a)和虚部(b)分别进行测量，根据测量结果得到其实部和虚部。

在一个实施例中，模拟量子器件可以为不可执行2量子比特受控操作的模拟量子器件；在此前提下，可以通过泡利测量法，测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值。在一个具体的实施例中，如图4所示，可以通过由单比特的泡利操作来实现的随机测量得到测量结果，该测量方法也被称作泡利测量或者经典影子测量(Pau l imeasurement)。利用经典影子(c l ass i ca l shadow)的方法(此处的经典影子方法是经典后处理方法)，可以获得

的测量结果。图4中，仅需要单比特的C l ifford操作，等效地进行单比特的泡利测量，在绝大多数量子设备上可以轻易实现。

在一个实施例中，模拟量子器件也可以为不可执行2量子比特受控操作的模拟量子器件；在此前提下，可以测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，得到第一子测量结果，所述第一子测量结果对应于所述第一期望值的模的平方；测量对于第一量子态施加第一态制备操作、第一操作组合以及第一态制备操作的共轭操作后的期望值，得到第二子测量结果，所述第二子测量结果对应于第一期望值的模和相位之和；根据第一、第二子测量结果，得到第三子测量结果；所述第三子测量结果对应于第一期望值的相位；所述第一测量结果包括第一、第二和第三子测量结果。具体的，图5为本发明实施例提供的通过直接测量得到观测量的示意图。其中，图5(a)示出，通过对量子态的测量直接获得

进而可以得到/>

的模长，而通过图5(b1)线路的测量结果表示/>

的模长与相位的和，结合图5(a)得到的/>

的模长，通过经典后处理计算可以获得/>

的相位。图5(c1)示出了图(b1)中操作U_s的作用，即制备中间的量子态，可以表示为：/>

如图5(c1)所示。其中，|Ref>为和|ψ₀>具有不同的对称性或者粒子数目的量子态。例如对于化学问题，可以使得/>

|Ref>表示真空态，粒子数目是0。图5(b2)示出了获取图(b1)测量结果的另一个方案，与图(b1)的方案的区别在于，其可以将态制备操作(即将初态制备为|ψ₀>的操作)与U_s操作的次序调换。图5(c1)示出了U_s的一种实现方案。

在步骤14，根据哈密顿量和第三演化时间，确定第三幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第三幺正操作的第二期望值，得到第二测量结果。

在一个实施例中，对于第一量子态施加第三幺正操作的第二期望值，可以表示为：

P_k＝<ψ₀|U₃|ψ₀>

其中，P为第二期望值，ψ₀为第一量子态，U₃为第三幺正操作。

t_k＝y_kτ。其中，τ是预设的参数，t_k是第三演化时间。

在不同的实施例中，可以采用不同具体的方式，对第二期望值进行测量。其测量方式，类似于步骤13中对于第一期望值的测量(例如，可以在图3、4、5所示量子线路图中，使得第一期望值的对应操作变为第一期望值的对应操作，例如使得U₁和O为恒等操作，即为不执行后两个操作，并用同样方式操作后进行测量)，详细内容参见对于步骤13的描述，这里不多做赘述。

需要注意的是，步骤13和步骤14并不限定为顺序执行。在一个实施例中，步骤13和步骤14可以并行执行。在另一个实施例中，步骤13和步骤14可以以任何次序执行。

此后，在步骤15，结合第一测量结果和第二测量结果，获取所述待测系统的观测量。

在不同的实施例中，可以通过不同的具体方式确定观测量。在一个实施例中，可以例如根据多次步骤12的执行结果，执行多次(例如为M次)步骤13和步骤14，分别得到多个不同的

和P_k＝<ψ₀|U₃|ψ₀>的测量结果，在一个实施例中，多次执行的步骤13和14可以通过多个量子模拟器件并行执行，结果互不干扰。然后，根据这些测量结果，通过经典计算后处理得到本征态上可观测量的估计值，进而等效的获取系统的本征态信息。

在不同的实施例中，所述观测量可以是不同的具体观测量。例如，在于一个实施例中，观测量可以包括电阻、光电导、磁化率、吸收能谱中的一种或多种。

综上所述，使用本发明实施例提供的通过模拟量子器件获取待测系统本征态的方法的优势在于：首先，对于模拟量子器件的技术要求低。具体的，测量中最多需要一个辅助比特，且对于操作受限的量子器件，可以不需要辅助比特得到测量结果；所需要的量子操作相干时间短；所需要的操作简单，仅仅需要其实现幺正演化的操作，且操作可以利用多个模拟量子器件并行处理，测量结果互不影响。进而，相比传统量子方案，例如量子相位估计，利用该方法不需要更多额外的辅助比特，不需要多比特受控操作，相干时间要求短，可以在对数时间内完成线路的制备，是目前最优技术方案。其次，本发明不需要基于变分优化，其基于模拟量子器件上实现幺正操作并对测量结果进行经典后处理，可以确定性地给出系统本征态的全部信息，包括本征态上可观测量的期待值，等效地获得了本征态。

根据又一方面的实施例，提供了一种基于模拟量子器件获取待测系统本征态的装置。图6为本发明实施例提供的一种基于模拟量子器件获取待测系统本征态的装置的结构图，如图6所示，该装置600包括:

初态制备单元61，配置为，制备第一量子态；

演化时间采样单元62，配置为，基于预设的概率分布，采样得到第一演化时间、第二演化时间和第三演化时间；

第一测量单元63，配置为，确定出待测系统对应的哈密顿量；根据所述哈密顿量和第一演化时间，确定第一幺正操作，根据所述哈密顿量和第二演化时间，确定第二幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，得到第一测量结果，所述第一操作组合包括第一幺正操作的共轭操作、所述待测系统的观测量对应的厄密操作和第二幺正操作；

第二测量单元64，配置为，根据哈密顿量和第三演化时间，确定第三幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第三幺正操作的第二期望值，得到第二测量结果；

观察量确定单元65，配置为，结合第一测量结果和第二测量结果，获取所述待测系统的观测量。

根据又一方面的实施例，还提供一种计算机可读介质，包括存储于其上的计算机程序，所述计算机在运行时执行上述的方法。

根据又一方面的实施例，还提供一种量子计算机，包括被配置为实现上述的方法的一个或多个量子线路。

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。

专业人员应该还可以进一步意识到，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、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。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发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于模拟量子器件获取待测系统本征态的方法，所述方法包括：

制备第一量子态；

基于针对演化时间的预设的概率分布，采样得到第一演化时间、第二演化时间和第三演化时间；

确定出待测系统对应的哈密顿量；根据所述哈密顿量和第一演化时间，确定第一幺正操作，根据所述哈密顿量和第二演化时间，确定第二幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，得到第一测量结果，所述第一操作组合包括第一幺正操作的共轭操作、所述待测系统的观测量对应的厄密操作和第二幺正操作；

根据哈密顿量和第三演化时间，确定第三幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第三幺正操作的第二期望值，得到第二测量结果；

结合第一测量结果和第二测量结果，获取所述待测系统的观测量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述待测系统包括分子系统、超导材料系统、金属晶体系统、纳米材料系统中的任意一种；所述观测量包括电阻、光电导、磁化率、吸收能谱中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，制备第一量子态，包括：

基于态制备操作、变分量子本征求解器中的任意一种，制备第一量子态。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，可以表示为：

其中，N为第一期望值，ψ₀为第一量子态，U₁、U₂分别为第一幺正操作和第二幺正操作，

为共轭转置，O为观察量对应的厄密算符。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，对于第一量子态施加第三幺正操作的第二期望值，可以表示为：

P＝<ψ₀|U₃|ψ₀>

其中，P为第二期望值，ψ₀为第一量子态，U₃为第三幺正操作。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模拟量子器件为可执行2量子比特受控操作的模拟量子器件；

所述测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，包括：

通过哈德码测试法，分别测量出所述第一期望值的实部和虚部。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模拟量子器件为不可执行2量子比特受控操作的模拟量子器件；

所述测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，包括：

通过泡利测量法，测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模拟量子器件为不可执行2量子比特受控操作的模拟量子器件；

所述测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，包括：

测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，得到第一子测量结果，所述第一子测量结果对应于所述第一期望值的模的平方；

测量对于第一量子态施加第一态制备操作、第一操作组合以及第一态制备操作的共轭操作后的期望值，得到第二子测量结果，所述第二子测量结果对应于第一期望值的模和相位之和；

根据第一、第二子测量结果，得到第三子测量结果；所述第三子测量结果对应于第一期望值的相位；

所述第一测量结果包括第一、第二和第三子测量结果。

9.一种基于模拟量子器件获取待测系统本征态的装置，所述装置包括：

初态制备单元，配置为，制备第一量子态；

演化时间采样单元，配置为，基于针对演化时间的预设的概率分布，采样得到第一演化时间、第二演化时间和第三演化时间；

第一测量单元，配置为，确定出待测系统对应的哈密顿量；根据所述哈密顿量和第一演化时间，确定第一幺正操作，根据所述哈密顿量和第二演化时间，确定第二幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第一操作组合的第一期望值，得到第一测量结果，所述第一操作组合包括第一幺正操作的共轭操作、所述待测系统的观测量对应的厄密操作和第二幺正操作；

第二测量单元，配置为，根据哈密顿量和第三演化时间，确定第三幺正操作；基于模拟量子器件，测量对于第一量子态施加第三幺正操作的第二期望值，得到第二测量结果；

观察量确定单元，配置为，结合第一测量结果和第二测量结果，获取所述待测系统的观测量。

10.一种量子计算机，包括被配置为实现根据权利要求1至8中任一项所述的方法的一个或多个量子线路。

Images