WO2024250170A1 - 基于玻色采样的电子结构的确定方法及应用 - Google Patents

基于玻色采样的电子结构的确定方法及应用 Download PDF

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陈明城
陆朝阳
潘建伟
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University of Science and Technology of China USTC
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    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
    • G16C20/20—Identification of molecular entities, parts thereof or of chemical compositions

Definitions

  • the present disclosure relates to the field of quantum computer technology, and in particular to a method for determining an electronic structure based on Bose sampling and its application.
  • Quantum computers are devices that use quantum states to encode and calculate information. Compared with traditional computers, due to characteristics such as quantum superposition and quantum entanglement, their computing efficiency can be improved exponentially, and they have potential application value in solving complex problems.
  • the method for processing electronic structure problems in the related art has the problem of low solution accuracy.
  • the present disclosure provides a method and application for determining an electronic structure based on Bose sampling to at least partially solve at least one of the above technical problems.
  • a method for determining an electronic structure based on Bose sampling comprising:
  • the current phase parameter of the linear optical interferometer and the current calculation parameter of the target chemical calculation method are updated by using a preset optimization method to obtain the updated phase parameter of the linear optical interferometer and the updated calculation parameter of the target chemical calculation method;
  • the linear optical interferometer Iteratively perform the above operations until the current energy value meets the preset iteration conditions and satisfies the above preset iteration conditions
  • the linear optical interferometer When the linear optical interferometer generates a wave function, the wave function is used as the target wave function of the target molecule, wherein the target wave function is used to determine the electronic structure of the target molecule.
  • the above method further includes:
  • the initial reference state is updated to obtain the current wave function.
  • the above-mentioned determination of the current Hamiltonian corresponding to the above-mentioned target molecule by using the preset target chemical calculation method includes:
  • the above-mentioned initial Hamiltonian is transformed by using the above-mentioned target chemical calculation method to obtain the above-mentioned current Hamiltonian.
  • the above-mentioned updating of the above-mentioned initial reference state by using the above-mentioned linear optical interferometer to obtain the above-mentioned current wave function includes:
  • a single photon source is input into the linear optical interferometer according to the initial light source input information, and the current wave function is output.
  • determining the current energy value using the current wave function and the current Hamiltonian includes:
  • the current energy value is determined based on the information of the current wave function and the Hamiltonian.
  • the above method further includes:
  • phase parameters is randomly generated to obtain initial phase parameters
  • the above initial phase parameters are used as the current phase parameters of the above linear optical interferometer.
  • the above method further includes:
  • the above initial calculation parameters are used as current calculation parameters of the above target chemical calculation method.
  • the phase parameter of the above-mentioned linear optical interferometer includes at least one of the following: wave plate angle, wave plate position, and transmittance.
  • the above-mentioned preset optimization method includes: gradient descent method, particle swarm swimming method or second-order quasi-Newton method.
  • the above-mentioned target chemical calculation method includes: Hartley-Fock method, coupled cluster or density functional theory.
  • a current wave function corresponding to a target molecule is generated by using a linear optical interferometer, and a current Hamiltonian corresponding to the target molecule is determined by using a preset target chemical calculation method; then the current wave function and the current Hamiltonian are used to determine the current energy value corresponding to the current Hamiltonian under the current wave function; then the parameters of the linear interferometer and the target chemical calculation method are updated by optimizing the current energy value; after multiple iterations according to the above method, the wave function generated by the linear interferometer is used as the target wave function of the target molecule.
  • the embodiments of the present disclosure combine a Bose sampling quantum computer based on linear optics with a quantum computational chemistry method, the boson resources in the Bose sampling can enhance the accuracy of the classical chemical calculation method, thereby improving the accuracy of solving electronic structure problems.
  • FIG1 schematically shows a flow chart of a method for determining an electronic structure according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG2 schematically shows a flow chart of a method for determining an electronic structure according to another embodiment of the present disclosure
  • FIG3 schematically shows a principle diagram of a method for determining an electronic structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 schematically shows a schematic diagram of solution results obtained by using different methods.
  • Quantum computers are devices that use quantum states to encode and calculate information. Compared with traditional computers, due to the characteristics of quantum superposition and quantum entanglement, their computing efficiency can be improved exponentially, and they have potential application value in solving complex problems. At present, Bose sampling quantum computers based on linear optics have received widespread attention in scientific research and corporate fields.
  • the present disclosure provides a method for determining an electronic structure based on Bose sampling for the above technical problems, including: generating a current wave function corresponding to a target molecule using a linear optical interferometer, wherein the current wave function represents the wave function of the target molecule generated by the linear optical interferometer under current phase parameters; determining a current Hamiltonian corresponding to the target molecule using a preset target chemical calculation method, wherein the current Hamiltonian represents the Hamiltonian of the target molecule generated by the target chemical calculation method under current calculation parameters; determining a current energy value using the current wave function and the current Hamiltonian, wherein the current energy value represents an energy value corresponding to the current Hamiltonian under the current wave function; updating the current phase parameter of the linear optical interferometer and the current calculation parameter of the target chemical calculation method using a preset optimization method based on the current energy value to obtain the updated phase parameter of the linear optical interferometer and the updated calculation parameter of the target chemical calculation method; and iteratively performing the above operations until the
  • FIG1 schematically shows a flow chart of a method for determining an electronic structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • the electronic structure determination method of this embodiment includes operations S110 to S150 .
  • a current wave function corresponding to a target molecule is generated by using a linear optical interferometer, wherein the current wave function represents a wave function of the target molecule generated by the linear optical interferometer under a current phase parameter.
  • the linear optical interferometer adopts a programmable linear optical interferometer, that is, the phase parameter of the linear optical interferometer can be adjusted.
  • the current phase parameter includes any parameter that can affect the wave function of the target molecule. Since different linear optical interferometers have different phase parameters, the embodiment of the present disclosure does not limit the phase parameter of the linear optical interferometer.
  • the current wave function corresponds to the current phase parameter of the linear optical interferometer.
  • the phase parameter of the linear optical interferometer may include at least one of a wave plate angle, a wave plate position, and a transmittance.
  • a current Hamiltonian corresponding to a target molecule is determined using a preset target chemical calculation method, wherein the current Hamiltonian represents a Hamiltonian of the target molecule generated by the target chemical calculation method under current calculation parameters.
  • the target chemical calculation method may include any classical chemical calculation method.
  • the target chemical calculation method may include at least one of the Hartree-Fock method, coupled clusters, or density functional theory.
  • a current energy value is determined using the current wave function and the current Hamiltonian, wherein the current energy value represents an energy value corresponding to the current Hamiltonian under the current wave function.
  • a current phase parameter of the linear optical interferometer and a current calculation parameter of the target chemical calculation method are updated by a preset optimization method based on the current energy value to obtain updated phase parameters of the linear optical interferometer and updated calculation parameters of the target chemical calculation method.
  • the preset optimization method may include, for example, a gradient descent method, a particle swarm swimming method, or a second-order quasi-Newton method.
  • operation S150 the above operations are iteratively performed until the current energy value satisfies a preset iteration condition, and the wave function generated by the linear optical interferometer when the preset iteration condition is satisfied is used as the target wave function of the target molecule, wherein the target wave function is used to determine the electronic structure of the target molecule.
  • the preset iteration condition may include, for example, that the current energy value reaches a threshold or converges.
  • a current wave function corresponding to a target molecule is generated by using a linear optical interferometer, and a current Hamiltonian corresponding to the target molecule is determined by using a preset target chemical calculation method; then the current wave function and the current Hamiltonian are used to determine the current energy value corresponding to the current Hamiltonian under the current wave function; then the parameters of the linear interferometer and the target chemical calculation method are updated by optimizing the current energy value; after multiple iterations according to the above method, the wave function generated by the linear interferometer is used as the target wave function of the target molecule.
  • the embodiments of the present disclosure combine a Bose sampling quantum computer based on linear optics with a quantum computational chemistry method, the boson resources in the Bose sampling can enhance the accuracy of the classical chemical calculation method, thereby improving the accuracy of solving electronic structure problems.
  • the above method also includes: determining the initial Hamiltonian and initial reference state corresponding to the target molecule according to the electronic structure of the target molecule; wherein, generating the current wave function corresponding to the target molecule using a linear optical interferometer includes: updating the initial reference state using a linear optical interferometer to obtain the current wave function; determining the current Hamiltonian corresponding to the target molecule using a pre-set target chemical calculation method includes: transforming the initial Hamiltonian using the target chemical calculation method to obtain the current Hamiltonian.
  • the initial Hamiltonian corresponding to the target molecule is determined according to the electronic structure of the target molecule.
  • the Hamiltonian can be determined according to the electronic structure using any classical chemical method.
  • the Hartley-Fock method is used to determine The initial Hamiltonian of the target molecule is determined, or the initial Hamiltonian of the target molecule is determined using coupled cluster or density functional methods.
  • the initial reference state may be a wave function that is similar to a target wave function of a target molecule.
  • the initial reference state corresponding to the target molecule is determined according to the electronic structure of the target molecule.
  • the initial reference state corresponding to the target molecule can be determined artificially according to the electronic structure, or the initial reference state corresponding to the target molecule can be generated by a linear optical interferometer.
  • the initial reference state is updated using a linear optical interferometer to obtain a current wave function, including: determining initial light source input information of the linear optical interferometer according to the initial reference state; inputting a single photon source into the linear optical interferometer according to the initial light source input information, and outputting the current wave function.
  • the initial light source input information may include, for example, orbital position information of the single photon source.
  • the above method also includes: before using the linear optical interferometer to generate the current wave function corresponding to the target molecule, it is necessary to initialize the phase parameters of the linear interferometer.
  • the method of initializing the phase parameters of the linear interferometer may include: randomly generating a set of phase parameters to obtain initial phase parameters; and using the initial phase parameters as the current phase parameters of the linear optical interferometer.
  • the above method further includes: before using a preset target chemical calculation method to determine the current Hamiltonian corresponding to the target molecule, it is necessary to initialize the calculation parameters of the target chemical calculation method.
  • Initializing the calculation parameters of the target chemical calculation method may include: randomly generating a set of calculation parameters to obtain initial calculation parameters; and using the initial calculation parameters as the current calculation parameters of the target chemical calculation method.
  • determining the current energy value using the current wave function and the current Hamiltonian includes: measuring information of the current wave function using a homodyne measurement method; and determining the current energy value based on the information of the current wave function and the Hamiltonian.
  • FIG. 2 schematically shows a flow chart of a method for determining an electronic structure according to another embodiment of the present disclosure.
  • the electronic structure determination method of this embodiment includes operations S201 to S212 .
  • an initial Hamiltonian and an initial reference state corresponding to the target molecule are determined according to the electronic structure of the target molecule.
  • phase parameters is randomly generated to obtain initial phase parameters.
  • the initial phase parameter is used as a current phase parameter of the linear optical interferometer.
  • the initial reference state is updated using a linear optical interferometer to obtain a current wave function.
  • the initial calculation parameters are used as current calculation parameters of the target chemical calculation method.
  • the initial Hamiltonian is transformed using a target chemical calculation method to obtain a current Hamiltonian.
  • a current energy value is determined based on the information of the current wave function and the Hamiltonian.
  • operation S210 it is determined whether the current energy value satisfies a preset iteration condition. If it is determined that the current energy value satisfies the preset iteration condition, operation S211 is performed; if it is determined that the current energy value does not satisfy the preset iteration condition, operation S212 is performed.
  • a wave function generated by the linear optical interferometer when a preset iteration condition is satisfied is used as a target wave function of the target molecule.
  • the current phase parameters of the linear optical interferometer and the current calculation parameters of the target chemical calculation method are updated based on the current energy value using a preset optimization method to obtain updated phase parameters of the linear optical interferometer and updated calculation parameters of the target chemical calculation method, and then operations S204-S210 are performed.
  • electronic structure problems belong to fermions, and linear optics belongs to bosons.
  • This solution combines Bose sampling with quantum computational chemistry by corresponding the 0, 1 photon occupation state of each bosonic orbital to the 0, 1 electron occupation state of the fermion orbital, so that bosonic resources can enhance the accuracy of classical computational chemistry methods, thereby improving the accuracy of solving electronic structure problems.
  • FIG3 schematically shows a principle diagram of a method for determining an electronic structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • a second quantization is performed, i.e., a process of selecting a basis vector group 302 is performed to obtain a second quantized Hamiltonian 303 and an initial reference state 304; then, the second quantized Hamiltonian 303 is calculated by a classical chemical calculation method 305 to output a transformation Hamiltonian 306, i.e., the current Hamiltonian; at the same time, the initial reference state 304 is input into a linear optical interferometer 307 to generate a current wave function 308; then, according to the transformation Hamiltonian 306 and the current wave function 308, a current energy value 310 is determined by a homodyne measurement method 309; based on the current energy value 310, a classical optimization method 311 is used to optimize the phase parameters of the linear optical interferometer 307 and the calculation parameters of the classical chemical method 305.
  • the above steps are iteratively performed until the current energy value 310 reaches a threshold or converges, and the wave function generated by the linear optical interferometer 307 when the current energy value 310 reaches a threshold or converges is used as the target wave function of the target molecule.
  • the classical chemical calculation method 305 can use the Hartley-Fock method (V_HF( ⁇ ⁇ )) and the configuration interaction method V_CISD( ⁇ ⁇ ); the linear optical interferometer 307 can use express.
  • the transformation Hamiltonian 306 may be determined using formula (1), for example.
  • ⁇ represents the calculation parameter in the classical chemical calculation method
  • This embodiment uses lithium hydride molecules as target molecules and uses the method provided in the disclosed embodiment to solve the electronic structure problem of lithium hydride molecules.
  • the Hamiltonian of lithium hydride molecules corresponds to a linear optical interferometer of mode 6.
  • the Hartley-Fock method is selected as the classical chemical calculation method.
  • the electronic structure problem of lithium hydride is solved by using relevant technologies. Specifically, the Hartley-Fock method is used as a classical chemical method to solve the electronic structure problem of lithium hydride.
  • FIG. 4 schematically shows a schematic diagram of solution results obtained by using different methods.
  • the solution result of lithium hydride obtained by the method provided by the embodiment of the present disclosure is significantly better than the solution result obtained by using the Hartley-Fock method as a classical chemical calculation method. Therefore, the method provided by the embodiment of the present disclosure can enhance the accuracy of the classical computational chemistry method with the assistance of the Bose sampling linear interferometer.
  • a method for predicting the chemical reaction rate of a target molecule using the target wave function obtained by the above method is provided.

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Abstract

本公开提供了一种基于玻色采样的电子结构的确定方法及应用，可以应用于量子计算机技术领域。该确定方法包括：利用线性光学干涉仪生成与目标分子对应的当前波函数；利用预先设置的目标化学计算方法确定与目标分子对应的当前哈密顿量量；利用当前波函数和当前哈密顿量确定当前能量值；基于当前能量值利用预设优化方法更新线性光学干涉仪的当前相位参数和目标化学计算方法的当前计算参数，得到线性光学干涉仪更新后的相位参数和目标化学计算方法更新后的计算参数；以及迭代地执行以上操作，直至当前能量值满足预设迭代条件，并将满足预设迭代条件时，线性光学干涉仪生成的波函数作为目标分子的目标波函数。

Description

基于玻色采样的电子结构的确定方法及应用 技术领域
本公开涉及量子计算机技术领域，尤其涉及一种基于玻色采样的电子结构的确定方法及应用。
背景技术
量子计算机是利用量子态对信息进行编码和计算的设备。相对于传统计算机，由于量子叠加、量子纠缠等特点，其运算效率可以得到指数级的提升，在解决复杂问题方面具有潜在的应用价值。
相关技术中，对于电子结构问题一般采用经典化学计算方法通过量子计算机进行处理。先将待求解问题编码哈密顿量并通过参数化的量子线制备量子态并利用经典优化算法优化目标函数。
在实现本公开发明构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在以下问题：采用相关技术中对电子结构问题的处理方法存在求解精度较低的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本公开提供了一种基于玻色采样的电子结构的确定方法及应用，以至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了解决上述技术问题，本公开的技术方案如下：
作为本公开的一方面，提供一种基于玻色采样的电子结构的确定方法，包括：
利用线性光学干涉仪生成与目标分子对应的当前波函数，其中，上述当前波函数表示上述线性光学干涉仪在当前相位参数下生成的上述目标分子的波函数；
利用预先设置的目标化学计算方法确定与上述目标分子对应的当前哈密顿量，其中，上述当前哈密顿量表示上述目标化学计算方法在当前计算参数下生成的上述目标分子的哈密顿量；
利用上述当前波函数和上述当前哈密顿量确定当前能量值，其中，上述当前能量值表示在上述当前波函数下，与上述当前哈密顿量对应的能量值；
基于上述当前能量值利用预设优化方法更新上述线性光学干涉仪的当前相位参数和上述目标化学计算方法的当前计算参数，得到上述线性光学干涉仪更新后的相位参数和上述目标化学计算方法更新后的计算参数；以及
迭代地执行以上操作，直至当前能量值满足预设迭代条件，并将满足上述预设迭代条件 时，上述线性光学干涉仪生成的波函数作为上述目标分子的目标波函数，其中，上述目标波函数用于确定上述目标分子的电子结构。
根据本公开的实施例，上述方法还包括：
根据上述目标分子的电子结构确定与上述目标分子对应的初始哈密顿量和初始参考态；
其中，上述利用线性光学干涉仪生成与目标分子对应的当前波函数包括：
利用上述线性光学干涉仪更新上述初始参考态，得到上述当前波函数；
上述利用预先设置的目标化学计算方法确定与上述目标分子对应的当前哈密顿量包括：
利用上述目标化学计算方法对上述初始哈密顿量进行变换，得到上述当前哈密顿量。
根据本公开的实施例，上述利用上述线性光学干涉仪更新上述初始参考态，得到上述当前波函数包括：
根据上述初始参考态确定上述线性光学干涉仪的初始光源输入信息；
根据上述初始光源输入信息向上述线性光学干涉仪中输入单光子源，输出上述当前波函数。
根据本公开的实施例，利用上述当前波函数和上述当前哈密顿量确定当前能量值包括：
利用零差测量方法测量上述当前波函数的信息；
根据上述当前波函数的信息与上述哈密顿量确定当前能量值。
根据本公开的实施例，上述方法还包括：
在上述利用线性光学干涉仪生成与目标分子对应的当前波函数之前，随机生成一组相位参数，得到初始相位参数；
将上述初始相位参数作为上述线性光学干涉仪的当前相位参数。
根据本公开的实施例，上述方法还包括：
在利用预先设置的目标化学计算方法确定与上述目标分子对应的当前哈密顿量之前，随机生成一组计算参数，得到初始计算参数；
将上述初始计算参数作为上述目标化学计算方法的当前计算参数。
根据本公开的实施例，上述线性光学干涉仪的相位参数包括以下至少之一：波片角度、波片位置、透射率。
根据本公开的实施例，上述预设优化方法包括：梯度下降法、粒子群游泳法或二阶拟牛顿法。
根据本公开的实施例，上述目标化学计算方法包括：哈特利-福克方法、耦合簇或密度泛函。
作为本公开的另一方面，提供一种利用上述方法得到的目标波函数预测上述目标分子的 化学反应速率的方法。
根据本公开的实施例，通过利用线性光学干涉仪生成与目标分子对应的当前波函数，并利用预先设置的目标化学计算方法确定与目标分子对应的当前哈密顿量；之后利用当前波函数和当前哈密顿量确定在当前波函数下与当前哈密顿量对应的当前能量值；之后通过优化当前能量值更新线性干涉仪和目标化学计算方法的参数；按照上述方法经过多次迭代后，将线性干涉仪生成的波函数作为目标分子的目标波函数。由于本公开的实施例案通过基于线性光学的玻色采样量子计算机与量子计算化学方法相结合，使得玻色取样中的玻色子资源可以增强经典化学计算方法的精确度，从而提高电子结构问题的求解精度。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例的电子结构的确定方法的流程图；
图2示意性示出了根据本公开另一实施例的电子结构的确定方法的流程图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的电子结构的确定方法的原理图；以及
图4示意性示出了采用不同方法得到的求解结果示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
量子计算机是利用量子态对信息进行编码和计算的设备。相对于传统计算机，由于量子叠加、量子纠缠等特点，其运算效率可以得到指数级的提升，在解决复杂问题方面具有潜在的应用价值。目前，基于线性光学的玻色采样量子专用计算机已经受到科研以及企业领域广泛关注。
相关技术中，对于电子结构问题一般采用经典化学计算方法通过量子计算机进行处理。经典-量子混合变分算法特别是变分量子基态求解算法属于为数不多的可在目前量子计算机上运行的算法。变分量子基态求解算法一般先将待求解问题编码哈密顿量并通过参数化的量子线制备量子态并利用经典优化算法优化目标函数。
但是，量子计算化学问题的精确求解对应经典计算机需要指数大的资源消耗，且相关技术中对电子结构问题的处理方法存在求解精度较低的问题。
有鉴于此，本公开针对以上技术问题，提供了一种基于玻色采样的电子结构的确定方法，包括：利用线性光学干涉仪生成与目标分子对应的当前波函数，其中，上述当前波函数表示上述线性光学干涉仪在当前相位参数下生成的上述目标分子的波函数；利用预先设置的目标化学计算方法确定与上述目标分子对应的当前哈密顿量，其中，上述当前哈密顿量表示上述目标化学计算方法在当前计算参数下生成的上述目标分子的哈密顿量；利用上述当前波函数和上述当前哈密顿量确定当前能量值，其中，上述当前能量值表示在上述当前波函数下，与上述当前哈密顿量对应的能量值；基于上述当前能量值利用预设优化方法更新上述线性光学干涉仪的当前相位参数和上述目标化学计算方法的当前计算参数，得到上述线性光学干涉仪更新后的相位参数和上述目标化学计算方法更新后的计算参数；以及迭代地执行以上操作，直至当前能量值满足预设迭代条件，并将满足上述预设迭代条件时，上述线性光学干涉仪生成的波函数作为上述目标分子的目标波函数。
图1示意性示出了根据本公开实施例的电子结构的确定方法的流程图。
如图1所示，该实施例的电子结构的确定方法包括操作S110-操作S150。
在操作S110，利用线性光学干涉仪生成与目标分子对应的当前波函数，其中，当前波函数表示线性光学干涉仪在当前相位参数下生成的目标分子的波函数。
根据本公开的实施例，线性光学干涉仪采用可编程的线性光学干涉仪，即线性光学干涉仪的相位参数可以调节。
根据本公开的实施例，当前相位参数包括能够影响目标分子的波函数的任意参数。由于不同的线性光学干涉仪的相位参数不同，本公开实施例不限定线性光学干涉仪的相位参数。
根据本公开的实施例，由于线性光学干涉仪生成的波函数与相位参数相关，则当前波函数与线性光学干涉仪的当前相位参数相对应。
在其中一个实施例中，线性光学干涉仪的相位参数可以包括波片角度、波片位置、透射率中的至少之一。
在操作S120，利用预先设置的目标化学计算方法确定与目标分子对应的当前哈密顿量，其中，当前哈密顿量表示目标化学计算方法在当前计算参数下生成的目标分子的哈密顿量。
根据本公开的实施例，目标化学计算方法可以包括任意经典化学计算方法。例如，目标化学计算方法可以包括哈特利-福克(Hartree-Fock)方法、耦合簇或密度泛函中的至少之一。
在操作S130，利用当前波函数和当前哈密顿量确定当前能量值，其中，当前能量值表示在当前波函数下，与当前哈密顿量对应的能量值。
在操作S140，基于当前能量值利用预设优化方法更新线性光学干涉仪的当前相位参数和目标化学计算方法的当前计算参数，得到线性光学干涉仪更新后的相位参数和目标化学计算方法更新后的计算参数。
根据本公开的实施例，预设优化方法例如可以包括：梯度下降法、粒子群游泳法或二阶拟牛顿法。
在操作S150，迭代地执行以上操作，直至当前能量值满足预设迭代条件，并将满足预设迭代条件时，线性光学干涉仪生成的波函数作为目标分子的目标波函数，其中，目标波函数用于确定目标分子的电子结构。
根据本公开的实施例，预设迭代条件例如可以包括当前能量值达到阈值或收敛。
根据本公开的实施例，通过利用线性光学干涉仪生成与目标分子对应的当前波函数，并利用预先设置的目标化学计算方法确定与目标分子对应的当前哈密顿量；之后利用当前波函数和当前哈密顿量确定在当前波函数下与当前哈密顿量对应的当前能量值；之后通过优化当前能量值更新线性干涉仪和目标化学计算方法的参数；按照上述方法经过多次迭代后，将线性干涉仪生成的波函数作为目标分子的目标波函数。由于本公开的实施例案通过基于线性光学的玻色采样量子计算机与量子计算化学方法相结合，使得玻色取样中的玻色子资源可以增强经典化学计算方法的精确度，从而提高电子结构问题的求解精度。
根据本公开的实施例，上述方法还包括：根据目标分子的电子结构确定与目标分子对应的初始哈密顿量和初始参考态；其中，利用线性光学干涉仪生成与目标分子对应的当前波函数包括：利用线性光学干涉仪更新初始参考态，得到当前波函数；利用预先设置的目标化学计算方法确定与目标分子对应的当前哈密顿量包括：利用目标化学计算方法对初始哈密顿量进行变换，得到当前哈密顿量。
根据本公开的实施例，根据目标分子的电子结构确定与目标分子对应的初始哈密顿量例如可以根据电子结构利用任意经典化学方法确定的哈密顿量。例如，利用哈特利-福克方法确 定目标分子的初始哈密顿量，或者利用耦合簇或密度泛函方法确定目标分子的初始哈密顿量。
根据本公开的实施例，初始参考态可以是与目标分子的目标波函数近似的波函数。
根据本公开的实施例，根据目标分子的电子结构确定与目标分子对应的初始参考态例如可以根据电子结构人为确定与目标分子对应的初始参考态，也可以利用线性光学干涉仪生成的与目标分子对应的初始参考态。
根据本公开的实施例，利用线性光学干涉仪更新初始参考态，得到当前波函数包括：根据初始参考态确定线性光学干涉仪的初始光源输入信息；根据初始光源输入信息向线性光学干涉仪中输入单光子源，输出当前波函数。
根据本公开的实施例，初始光源输入信息例如可以包括单光子源所处的轨道位置信息。
根据本公开的实施例，上述方法还包括：在利用线性光学干涉仪生成与目标分子对应的当前波函数之前，需要初始化线性干涉仪的相位参数。初始化线性干涉仪的相位参数的方法可以包括：随机生成一组相位参数，得到初始相位参数；将初始相位参数作为线性光学干涉仪的当前相位参数。
根据本公开的实施例，上述方法还包括：在利用预先设置的目标化学计算方法确定与目标分子对应的当前哈密顿量之前，需要初始化目标化学计算方法的计算参数。初始化目标化学计算方法的计算参数可以包括：随机生成一组计算参数，得到初始计算参数；将初始计算参数作为目标化学计算方法的当前计算参数。
根据本公开的实施例，利用当前波函数和当前哈密顿量确定当前能量值包括：利用零差测量方法测量当前波函数的信息；根据当前波函数的信息与哈密顿量确定当前能量值。
图2示意性示出了根据本公开另一实施例的电子结构的确定方法的流程图。
如图2所示，该实施例的电子结构的确定方法包括操作S201-操作S212。
在操作S201，根据目标分子的电子结构确定与目标分子对应的初始哈密顿量和初始参考态。
在操作S202，随机生成一组相位参数，得到初始相位参数。
在操作S203，将初始相位参数作为线性光学干涉仪的当前相位参数。
在操作S204，利用线性光学干涉仪更新初始参考态，得到当前波函数。
在操作S205，利用零差测量方法测量当前波函数的信息。
在操作S206，随机生成一组计算参数，得到初始计算参数。
在操作S207，将初始计算参数作为目标化学计算方法的当前计算参数。
在操作S208，利用目标化学计算方法对初始哈密顿量进行变换，得到当前哈密顿量。
在操作S209，根据当前波函数的信息与哈密顿量确定当前能量值。
在操作S210，判断当前能量值是否满足预设迭代条件。在确定当前能量值满足预设迭代条件的情况下，执行操作S211；在确定当前能量值不满足预设迭代条件的情况下，执行操作S212。
在操作S211，将满足预设迭代条件时，线性光学干涉仪生成的波函数作为目标分子的目标波函数。
在操作S212，基于当前能量值利用预设优化方法更新线性光学干涉仪的当前相位参数和目标化学计算方法的当前计算参数，得到线性光学干涉仪更新后的相位参数和目标化学计算方法更新后的计算参数，之后执行操作S204-操作S210。
根据本公开的实施例，电子结构问题属于费米子，线性光学属于玻色子，本方案通过将每个玻色子轨道的0，1光子占据态对应费米子轨道的0，1电子占据态，将玻色采样与量子计算化学的结合，使得玻色子资源可以增强经典计算化学方法的精确度，从而提高电子结构问题的求解精度。
图3示意性示出了根据本公开实施例的电子结构的确定方法的原理图。
如图3所示，根据目标分子的电子结构问题301进行二次量子化即选择基矢组302的过程，得到二次量子化哈密顿量303和初始参考态304；然后二次量子化哈密顿量303经过经典化学计算方法305计算输出变换哈密顿量306即当前哈密顿量；同时，初始参考态304输入线性光学干涉仪307中生成当前波函数308；之后根据变换哈密顿量306和当前波函数308利用零差测量方法309确定当前能量值310；基于当前能量值310利用经典优化方法311优化线性光学干涉仪307的相位参数和经典化学方法305的计算参数。迭代地执行上述步骤，直至当前能量值310达到阈值或收敛，并将当前能量值310达到阈值或收敛时，线性光学干涉仪307生成的波函数作为目标分子的目标波函数。
需要说明的是，经典化学计算方法305可以采用哈特利-福克方法(V_HF(β→))、组态相互作用方法V_CISD(β→)；线性光学干涉仪307可以采用表示。
根据本公开的实施例，变换哈密顿量306例如可以采用公式(1)确定。
其中，
β表示经典化学计算方法中的计算参数；
表示经典化学计算方法；
表示变换哈密顿量；
表示经典化学计算方法的转置共轭。
下面以具体实施例对上述电子结构的确定方法做进一步解释。
实施例
该实施例以氢化锂分子为目标分子，利用本公开实施例提供的方法求解氢化锂分子的电子结构问题。其中，氢化锂分子的哈密顿量对应于模式6的线性光学干涉仪。同时，选用哈特利-福克方法作为经典化学计算方法。
对比例
利用相关技术求解氢化锂的电子结构问题，具体地，以哈特利-福克方法作为经典化学方法求解氢化锂的电子结构问题。
图4示意性示出了采用不同方法得到的求解结果示意图。
如图4所示，利用本公开实施例提供的方法得到的氢化锂的求解结果明显优于利用哈特利-福克方法作为经典化学计算方法得到的求解结果。因此，本公开的实施例提供的方法能够在玻色采样线性干涉仪的辅助下，增强经典计算化学方法的精确度。
根据本公开的另一方面，提供一种利用上述方法得到的目标波函数预测目标分子的化学反应速率的方法。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

  1. 一种基于玻色采样的电子结构的确定方法，包括：
    利用的线性光学干涉仪生成与目标分子对应的当前波函数，其中，所述当前波函数表示所述线性光学干涉仪在当前相位参数下生成的所述目标分子的波函数；
    利用预先设置的目标化学计算方法确定与所述目标分子对应的当前哈密顿量，其中，所述当前哈密顿量表示所述目标化学计算方法在当前计算参数下生成的所述目标分子的哈密顿量；
    利用所述当前波函数和所述当前哈密顿量确定当前能量值，其中，所述当前能量值表示在所述当前波函数下，与所述当前哈密顿量对应的能量值；
    基于所述当前能量值利用预设优化方法更新所述线性光学干涉仪的当前相位参数和所述目标化学计算方法的当前计算参数，得到所述线性光学干涉仪更新后的相位参数和所述目标化学计算方法更新后的计算参数；以及
    迭代地执行以上操作，直至当前能量值满足预设迭代条件，并将满足所述预设迭代条件时，所述线性光学干涉仪生成的波函数作为所述目标分子的目标波函数，其中，所述目标波函数用于确定所述目标分子的电子结构。
  2. 根据权利要求1所述的方法，还包括：
    根据所述目标分子的电子结构确定与所述目标分子对应的初始哈密顿量和初始参考态；
    其中，所述利用线性光学干涉仪生成与目标分子对应的当前波函数包括：
    利用所述线性光学干涉仪更新所述初始参考态，得到所述当前波函数；
    所述利用预先设置的目标化学计算方法确定与所述目标分子对应的当前哈密顿量包括：
    利用所述目标化学计算方法对所述初始哈密顿量进行变换，得到所述当前哈密顿量。
  3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述利用所述线性光学干涉仪更新所述初始参考态，得到所述当前波函数包括：
    根据所述初始参考态确定所述线性光学干涉仪的初始光源输入信息；
    根据所述初始光源输入信息向所述线性光学干涉仪中输入单光子源，输出所述当前波函数。
  4. 根据权利要求1所述的方法，其中，利用所述当前波函数和所述当前哈密顿量确定当前能量值包括：
    利用零差测量方法测量所述当前波函数的信息；
    根据所述当前波函数的信息与所述哈密顿量确定当前能量值。
  5. 根据权利要求1所述的方法，还包括：
    在所述利用线性光学干涉仪生成与目标分子对应的当前波函数之前，随机生成一组相位参数，得到初始相位参数；
    将所述初始相位参数作为所述线性光学干涉仪的当前相位参数。
  6. 根据权利要求1所述的方法，还包括：
    在利用预先设置的目标化学计算方法确定与所述目标分子对应的当前哈密顿量之前，随机生成一组计算参数，得到初始计算参数；
    将所述初始计算参数作为所述目标化学计算方法的当前计算参数。
  7. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述线性光学干涉仪的相位参数包括以下至少之一：波片角度、波片位置、透射率。
  8. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述预设优化方法包括：梯度下降法、粒子群游泳法或二阶拟牛顿法。
  9. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标化学计算方法包括：哈特利-福克方法、耦合簇或密度泛函。
  10. 一种利用权利要求1～9中任一项所述方法得到的目标波函数预测所述目标分子的化学反应速率的方法。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111599414A (zh) * 2020-03-25 2020-08-28 清华大学 一种基于量子计算机的全量子分子模拟方法
CN111656375A (zh) * 2017-11-30 2020-09-11 1Qb信息技术公司 使用量子经典计算硬件用于量子计算使能的分子从头算模拟的方法和系统
US20220138607A1 (en) * 2020-11-03 2022-05-05 River Lane Research Ltd. Methods and apparatus for improving signal-to-noise performance in quantum computation
CN114528996A (zh) * 2022-01-27 2022-05-24 合肥本源量子计算科技有限责任公司 一种目标体系试验态初始参数的确定方法、装置及介质
CN115169565A (zh) * 2022-09-09 2022-10-11 之江实验室 一种小分子化学体系的哈密顿量模拟方法和装置
CN115859597A (zh) * 2022-11-24 2023-03-28 中国科学技术大学 基于杂化泛函和第一性原理的分子动力学模拟方法和系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111656375A (zh) * 2017-11-30 2020-09-11 1Qb信息技术公司 使用量子经典计算硬件用于量子计算使能的分子从头算模拟的方法和系统
CN111599414A (zh) * 2020-03-25 2020-08-28 清华大学 一种基于量子计算机的全量子分子模拟方法
US20220138607A1 (en) * 2020-11-03 2022-05-05 River Lane Research Ltd. Methods and apparatus for improving signal-to-noise performance in quantum computation
CN114528996A (zh) * 2022-01-27 2022-05-24 合肥本源量子计算科技有限责任公司 一种目标体系试验态初始参数的确定方法、装置及介质
CN115169565A (zh) * 2022-09-09 2022-10-11 之江实验室 一种小分子化学体系的哈密顿量模拟方法和装置
CN115859597A (zh) * 2022-11-24 2023-03-28 中国科学技术大学 基于杂化泛函和第一性原理的分子动力学模拟方法和系统

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