一种分子体系基态能量的计算方法及相关装置与流程

本发明属于量子计算，特别是一种分子体系基态能量的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。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、近年来逐渐发展了多种量子计算方法，旨在利用量子计算机的潜力来解决大体系的计算问题，其中，变分量子本征求解器(variational quantum eigensolver，简称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)，在vqe算法的运行过程中，需要基于初始拟设参数构造拟设线路，结合分子体系哈密顿量计算期望值，并通过经典优化方法不断修正拟设参数，直至期望值最低。

3、那么，在多次迭代求解期望值的过程中，每次都需要根据修正后的拟设参数重新构造拟设线路并进行量子计算，也即需要对拟设线路中的所有量子逻辑门进行矩阵运算，这意味着巨大的计算开销。在量子计算资源相当有限的当下，很难满足计算分子体系基态能量的巨量计算需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种分子体系基态能量的计算方法及相关装置，旨在减少计算分子体系基态能量的运算量，提高变分量子本征求解器的计算效率。

2、本发明的一个实施例提供了一种分子体系基态能量的计算方法，所述方法包括：

3、针对多组预设拟设参数中的每一组，基于预先选取的拟设方式分别构造对应的拟设线路；

4、针对每一所述拟设线路，对待计算分子体系的哈密顿量的各个哈密顿量子项进行测量，计算得到该组预设拟设参数对应的哈密顿量的期望值；

5、基于每一所述期望值和所述多组预设拟设参数确定所述待计算分子体系的哈密顿量的期望值解析形式；其中，所述期望值解析形式用于表示哈密顿量的期望值与拟设参数之间的函数关系；

6、基于所述期望值解析形式计算得到所述待计算分子体系的基态能量值。

7、可选的，所述对待计算分子体系的哈密顿量的各个哈密顿量子项进行测量，计算得到该组预设拟设参数对应的哈密顿量的期望值，包括：

8、针对每一所述哈密顿量子项，将该哈密顿量子项对应的量子逻辑门作用于所述拟设线路中的量子比特上，运行所述拟设线路并测量得到该哈密顿量子项对应的期望值；

9、基于每一所述哈密顿量子项的期望值与对应的权重系数，计算得到该组预设拟设参数对应的哈密顿量的期望值。

10、可选的，每一所述哈密顿量子项包括多个泡利算符；其中，泡利算符x对应的量子逻辑门为h门，泡利算符y对应的量子逻辑门为rx门。

11、可选的，所述基于所述期望值解析形式计算得到所述待计算分子体系的基态能量值，包括：

12、基于所述期望值解析形式计算可变拟设参数的初始值对应的期望值，并判断所述期望值是否满足预设收敛条件；

13、若不满足，则利用经典优化方法迭代更新所述可变拟设参数，并运行基于所述期望值解析形式计算所述可变拟设参数对应的期望值的步骤，直至当前迭代步计算得到的期望值满足所述预设收敛条件；

14、将满足所述预设收敛条件的期望值作为所述待计算分子体系的基态能量值。

15、可选的，所述拟设方式至少包括单耦合簇拟设和硬件高效拟设，所述多组预设拟设参数的组数为5n，n为所述预设拟设参数的种类数量。

16、可选的，所述多组预设拟设参数为每一单比特旋转门的旋转角度，所述单比特旋转门至少包括ry门和rz门。

17、可选的，所述拟设方式为单耦合簇拟设方式，所述单比特旋转门的旋转角度为θ＝0时，所述哈密顿量的期望值通过经典算法计算所述待计算分子体系的hartree-fock能量得到。

18、本发明的又一实施例提供了一种分子体系基态能量的计算装置，所述装置包括：

19、构造模块，用于针对多组预设拟设参数中的每一组，基于预先选取的拟设方式分别构造对应的拟设线路；

20、测量模块，用于针对每一所述拟设线路，对待计算分子体系的哈密顿量的各个哈密顿量子项进行测量，计算得到该组预设拟设参数对应的哈密顿量的期望值；

21、确定模块，用于基于每一所述期望值和所述多组预设拟设参数确定所述待计算分子体系的哈密顿量的期望值解析形式；其中，所述期望值解析形式用于表示哈密顿量的期望值与拟设参数之间的函数关系；

22、计算模块，用于基于所述期望值解析形式计算得到所述待计算分子体系的基态能量值。

23、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。

24、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。

25、与现有技术相比，本发明提供了一种分子体系基态能量的计算方法及相关装置，方法包括：针对多组预设拟设参数中的每一组，基于预先选取的拟设方式分别构造对应的拟设线路；针对每一拟设线路，对待计算分子体系的哈密顿量的各个哈密顿量子项进行测量，计算得到该组预设拟设参数对应的哈密顿量的期望值；基于每一期望值和多组预设拟设参数确定所述待计算分子体系的哈密顿量的期望值解析形式；基于期望值解析形式计算得到待计算分子体系的基态能量值。

26、本方案中，可以仅通过多组预设拟设参数构造对应的拟设线路，进而通过少量的固定次数的期望值求解计算得到期望值解析形式；后续无需再次进行量子计算，可以通过经典计算的方式快速计算该期望值解析形式的最小值，得到待计算分子体系的基态能量值。相较于现有技术的利用变分量子本征求解器迭代更新拟设参数，不断构造量子线路并结合分子体系哈密顿量计算求解期望值的方式；本方案通过降低期望值求解次数减少了计算分子体系基态能量的运算量，提高变分量子本征求解器的计算效率，大大降低了计算分子体系基态能量所需的量子计算资源，可以进一步推进了变分量子本征求解器在真实量子芯片上的运行，增强了量子计算机解决现实问题的能力。

技术特征：

1.一种分子体系基态能量的计算方法，其特征在于，所述方法包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对待计算分子体系的哈密顿量的各个哈密顿量子项进行测量，计算得到该组预设拟设参数对应的哈密顿量的期望值，包括：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，每一所述哈密顿量子项包括多个泡利算符；其中，泡利算符x对应的量子逻辑门为h门，泡利算符y对应的量子逻辑门为rx门。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述期望值解析形式计算得到所述待计算分子体系的基态能量值，包括：

5.如权利要求1-4任一项中所述的方法，其特征在于，所述拟设方式至少包括单耦合簇拟设和硬件高效拟设，所述多组预设拟设参数的组数为5n，n为所述预设拟设参数的种类数量。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述多组预设拟设参数为每一单比特旋转门的旋转角度，所述单比特旋转门至少包括ry门和rz门。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述拟设方式为单耦合簇拟设方式，所述单比特旋转门的旋转角度为θ＝0时，所述哈密顿量的期望值通过经典算法计算所述待计算分子体系的hartree-fock能量得到。

8.一种分子体系基态能量的计算装置，其特征在于，所述装置包括：

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1-7任一项中所述的方法。

10.一种电子装置，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1-7任一项中所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种分子体系基态能量的计算方法及相关装置，属于量子计算技术领域，方法包括：针对多组预设拟设参数中的每一组，基于预先选取的拟设方式分别构造对应的拟设线路；针对每一拟设线路，对待计算分子体系的哈密顿量的各个哈密顿量子项进行测量，计算得到该组预设拟设参数对应的哈密顿量的期望值；基于每一期望值和多组预设拟设参数确定待计算分子体系的哈密顿量的期望值解析形式；基于期望值解析形式计算得到待计算分子体系的基态能量值。本方案通过降低期望值求解次数减少了计算分子体系基态能量的运算量，提高变分量子本征求解器的计算效率，大大降低了计算分子体系基态能量所需的量子计算资源。

技术研发人员：请求不公布姓名,请求不公布姓名,窦猛汉
受保护的技术使用者：本源量子计算科技（合肥）股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/2