一种电子数守恒约束的基态能量计算方法及相关装置与流程

本发明属于量子计算，特别是一种电子数守恒约束的基态能量计算方法及相关装置。

背景技术：

1、在化学领域中，精确计算分子体系的基态能量值对于理解和预测化学反应具有重要意义。然而，随着分子体系大小的增加，通过经典计算方法精确求解其基态能量值的难度急剧增加。而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。量子计算机因其具有相对普通计算机更高效的处理数学问题的能力，成为一种正在研究中的关键技术。

2、变分量子本征求解器(variational quantum eigensolver，vqe)算法是一种基于参数化拟设线路最优化过程求解分子体系基态能量的经典-量子混合算法。vqe算法的核心过程就是优化分子体系哈密顿量对应期望值的最小值(即基态能量)，运行过程中，需要构造拟设线路并结合分子体系哈密顿量计算期望值，通过经典优化方法不断修正拟设参数，直至期望值最低。

3、目前常用的参数化拟设量子线路包括幺正耦合簇(unitary coupled cluster，ucc)拟设和硬件高效(hardware-efficient，he)拟设。其中，ucc拟设通过将电子间的关联效应加载到量子线路中，能够构造出高精度的试验波函数，但是其线路深度非常深，难以在现有的量子芯片上运行。而he拟设作为一种通用的拟设方式，其线路深度和复杂度都较低，能够适应当前的中尺度含噪声量子设备；但是在面对结构相同但包括不同数量电子的分子体系(如具有相同哈密顿量的h2和)时，he拟设线路就难以计算得到正确的基态能量。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种电子数守恒约束的基态能量计算方法及相关装置，通过在使用vqe算法计算基态能量的过程中引入电子数守恒约束，提高了利用硬件高效拟设线路计算分子体系基态能量的准确度，使其能够在现有的量子芯片上直接运行。

2、本发明的一个实施例提供了一种电子数守恒约束的基态能量计算方法，所述方法包括：

3、将目标分子体系的电子哈密顿量转换为泡利算符形式的泡利哈密顿量；

4、基于预设拟设参数构建硬件高效拟设线路，运行所述硬件高效拟设线路，并计算所述泡利哈密顿量的期望值，和，电子数守恒概率；

5、基于所述期望值和所述电子数守恒概率计算损失函数值，在所述损失函数值不满足预设收敛条件时，更新所述预设拟设参数，并返回执行所述基于预设拟设参数构建硬件高效拟设线路的步骤；

6、直至所述损失函数值满足预设收敛条件时，将当前迭代步中的所述损失函数值作为所述目标分子体系的基态能量值。

7、可选的，所述硬件高效拟设量子线路包括两组数量相同的量子比特，其中一组量子比特用于表示所述目标分子体系中的电子自旋向上轨道，另外一组量子比特用于表示所述目标分子体系中的电子自旋向下轨道；其中，量子比特的量子态为|1>表示对应的轨道为占据轨道，量子态为|0>表示对应的轨道为空轨道。

8、可选的，所述方法还包括：

9、在每一迭代步中，多次测量所述硬件高效拟设线路通过量子态演化得到的试验态，得到对应的多个电子分布；

10、确定在所述多个电子分布中，满足电子数守恒条件的分布数量与总分布数量的比值，作为所述电子数守恒概率；其中，所述电子数守恒条件包括：所述电子分布中的电子自旋向上轨道和电子自旋向下轨道包括的电子数量分别与所述目标分子体系的hartreefock态所指示的电子数量相同。

11、可选的，所述硬件高效拟设线路的初态基于所述目标分子体系的hartree fock态制备得到，所述hartree fock态根据所述目标分子体系的电子信息和电子自旋轨道信息确定。

12、可选的，所述损失函数值基于以下公式计算得到：

13、l(θ)＝(ψ(θ)|h|ψ(θ)>+λ[pe-1]2

14、其中，<ψ(θ)|h|ψ(θ)>为泡利哈密顿量h在所述试验态|ψ(θ>上的期望值，θ为拟设参数，λ[pe-1]2为基于所述当前电子数守恒概率pe构建的电子数守恒惩罚项，λ为预设的电子数守恒约束权重。

15、可选的，所述将目标分子体系的电子哈密顿量转换为泡利算符形式的泡利哈密顿量，包括：

16、构建所述目标分子体系的费米子形式的电子哈密顿量；

17、基于所选择的映射方式，将所述费米子形式的电子哈密顿量转换为泡利算符形式的泡利哈密顿量；其中，所述映射方式包括jordan-wigner变换、parity变换和bravyi-kitaev变换中的一种。

18、可选的，所述目标分子体系的电子哈密顿量he表示为：

19、

20、其中，p，q，r，s为所述目标分子体系的分子轨道的编号，为产生算符，aq为湮灭算符，为产生算符，aras为湮灭算符，hpq为单电子积分，hpqrs为双电子积分。

21、可选的，所述泡利哈密顿量h表示为：

22、

23、其中，每一哈密顿量子项包括泡利算符i为该泡利算符作用的量子比特的编号；hα为每一所述哈密顿量子项对应的权重系数，基于所述单电子积分hpq和双电子积分hpqrs确定。

24、本发明的又一实施例提供了一种电子数守恒约束的基态能量计算装置，所述装置包括：

25、转换模块，用于将目标分子体系的电子哈密顿量转换为泡利算符形式的泡利哈密顿量；

26、计算模块，用于基于预设拟设参数构建硬件高效拟设线路，运行所述硬件高效拟设线路，并计算所述泡利哈密顿量的期望值，和，电子数守恒概率；

27、更新模块，用于基于所述期望值和所述电子数守恒概率计算损失函数值，在所述损失函数值不满足预设收敛条件时，更新所述预设拟设参数，并返回执行所述基于预设拟设参数构建硬件高效拟设线路的步骤；

28、确定模块，用于直至所述损失函数值满足预设收敛条件时，将当前迭代步中的所述损失函数值作为所述目标分子体系的基态能量值。

29、本发明的又一实施例提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一实施例中所述的方法。

30、本发明的又一实施例提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一实施例中所述的方法。

31、与现有技术相比，本发明提供了一种电子数守恒约束的基态能量计算方法及相关装置，本方案中，可以将目标分子体系的电子哈密顿量转换为泡利算符形式的泡利哈密顿量；再基于预设拟设参数构建硬件高效拟设线路，运行硬件高效拟设线路并计算泡利哈密顿量的期望值和电子数守恒概率，基于期望值和电子数守恒概率计算损失函数值；在损失函数值不满足预设收敛条件时，更新预设拟设参数，并返回执行基于预设拟设参数构建硬件高效拟设线路的步骤；直至损失函数值满足预设收敛条件时，将当前迭代步中的损失函数值作为目标分子体系的基态能量值。由于损失函数值受到每一迭代步的电子守恒概率的约束，目标分子体系的能量优化也更加准确，因此可以利用硬件高效拟设线路计算分子体系的基态能量值，推动了vqe算法在现有的量子芯片上的运行。