CN113379058B - 量子模拟方法及装置、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本公开公开了量子模拟方法及装置、电子设备及存储介质，涉及量子计算技术领域，尤其涉及量子模拟技术领域。具体实现方案为：基于多个实数生成概率分布；根据概率分布生成多个采样数；根据多个实数生成哈密顿量，并基于哈密顿量和多个采样数，构造多个量子信道；生成初始量子态，并将多个量子信道应用至初始量子态之上以生成目标量子态。本公开能够降低量子模拟所需的量子资源与构造量子电路的消耗，使其易于在量子计算机上实现。
Description
技术领域
本公开涉及量子计算技术领域，尤其涉及量子模拟技术领域。
背景技术
进行量子模拟的设备具有部分的噪音，这些噪音会限制可用的量子电路深度、辅助量子比特等量子资源。相关技术中，针对量子模拟的量子算法可以降低噪音带来的影响，但是，在量子计算机运行量子算法时，往往需要使用大量的辅助量子比特及复杂的量子工具，从而扩大量子电路的规模，增加计算量。
发明内容
本公开提供了一种量子模拟方法及装置、电子设备及存储介质。
根据本公开的一方面，提供了一种量子模拟方法，包括：
基于多个实数生成概率分布；
根据概率分布生成多个采样数；
根据多个实数生成哈密顿量，并基于哈密顿量和多个采样数，构造多个量子信道；
生成初始量子态，并将多个量子信道应用至初始量子态之上以生成目标量子态。
本公开能够降低量子模拟所需的量子资源及构造量子电路的消耗，使其易于在量子计算机上实现。
根据本公开的另一方面，提供了一种量子模拟装置，包括：
第一生成模块，用于基于多个实数生成概率分布；
第二生成模块，用于根据概率分布生成多个采样数；
构造模块，用于根据多个实数生成哈密顿量，并基于哈密顿量和多个采样数，构造多个量子信道；
处理模块，用于生成初始量子态，并将多个量子信道应用至初始量子态之上以生成目标量子态。
根据本公开的另一方面，提供了一种电子设备，包括至少一个处理器，以及
与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行本公开第一个方面实施例的量子模拟方法。
根据本公开的另一方面，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，计算机指令用于使计算机执行本公开第一个方面实施例的量子模拟方法。
根据本公开的另一方面，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根据本公开第一个方面实施例所述的量子模拟方法的步骤。
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是根据本公开一个实施例的量子模拟方法的流程图；
图2是根据本公开一个实施例的量子模拟方法的示意图；
图3是根据本公开另一个实施例的量子模拟方法的流程图；
图4是根据本公开另一个实施例的量子模拟方法的示意图；
图5是根据本公开另一个实施例的量子模拟方法的流程图；
图6是根据本公开一个实施例的量子模拟装置的结构图；
图7是用来实现本公开实施例的量子模拟方法的电子设备的框图。
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。
以下对本公开的方案涉及的技术领域进行简要说明：
量子计算：量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机，其理论模型是通用图灵机；通用的量子计算机，其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看，量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题，但是从计算的效率上，由于量子力学叠加性的存在，某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。
量子模拟：量子模拟是研究量子计算机的主要目的，也是其最重要的应用之一。量子计算领域目前正朝着规模化和实用化的方向发展。在这样的背景下，研究量子模拟并且在近期的量子计算机上实现量子模拟都是极为重要的。
量子模拟是量子计算的核心应用之一，甚至可以解决经典计算机难以解决的问题。量子模拟的应用领域非常广，包括但不限于量子物理、量子化学等。另外，量子模拟还可以用于求解线性方程组、制备吉布斯态等。量子模拟能够模拟微观世界量子***的演化，因此，量子模拟方法在量子化学，例如研发新药和电池等方面有着很好的应用前景，可以辅助研发新材料或进行新材料的化学性质的模拟等等。
下面参考附图对本申请提供的量子模拟方法及装置、电子设备及存储介质进行详细描述。
图1是根据本公开一个实施例的量子模拟方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
S101，基于多个实数生成概率分布。
概率分布是指用于表述随机变量取值的概率规律。事件的概率表示了量子模拟中某一个结果发生的可能性大小。若要全面了解量子计算结果，则必须知道量子模拟的全部可能结果及各种可能结果发生的概率，即概率分布。本申请实施例中，首先获取待解决的问题，根据该问题获取L个大于0的实数hl，其中，i大于或等于1，且小于或者等于L，L为大于1的正整数。例如，待解决的问题可以为一个化学问题、物理问题等。
在获取到L个大于0的实数hl后，基于hl和所有大于0的实数的和值，生成一个概率分布。可选地，可以采用如下公式表示概率分布：
其中，
表示归一化常数。可选地，将每个hl与所有大于0的实数的和值作比值，确定每个hl对应的概率值。基于每个hl对应的概率值，生成一个概率分布P。
S102，根据概率分布生成多个采样数。
为了提高量子模拟的准确度，可以结合候选数据及概率分布进行采样。也就是说，基于生成的概率分布中的多个概率值，在候选数据如{1，2，…，L}中进行多次采样，以从候选数据中采样到多个整数，例如，可以采样N次，获取到N个整数，可以记为l1，l2，...，lN。
S103，根据多个实数生成哈密顿量，并基于哈密顿量和多个采样数，构造多个量子信道。
哈密顿量是一个物理词汇，是一个描述***总能量的算符。本公开实施例中，基于上述实数及泡利矩阵生成哈密顿量，下面进一步介绍生成哈密顿量的过程：对多个矩阵集中每个矩阵集中的泡利矩阵做张量积运算，获取多个泡利矩阵的张量积，针对多个实数中的每个实数，将实数与泡利矩阵的张量积相乘，获取实数对应的泡利算子，最后基于所有的泡利算子，生成哈密顿量。
可选地，在一些实现中，可以将所有泡利算子进行求和，以生成哈密顿量，也就是说，输入哈密顿量的形式是泡利算子的组合。则根据概率分布的构造实数生成哈密顿量可以表示为：
其中，H为哈密顿量，hlHl为第l个泡利算子，Hl为第l个泡利矩阵的张量积，l为大于0且小于L的整数。
随机选择初始的量子信道
进一步地，基于概率分布和哈密顿量，构建量子电路单元，进而生成量子信道的酉算子A1，在确定各个量子信道的酉算子A1之后，基于各酉算子A1生成对应的量子信道：
S104，生成初始量子态，并将多个量子信道应用至初始量子态之上以生成目标量子态。
量子态是指与其他粒子(诸如原子)结合的粒子(例如电子)被限制为离散(即量子化)的振荡能级。在狄拉克符号(又名左矢-右矢符号)中，这些状态被指定为|0>、|1>、|2>、|3>等，其中|0>对应于已知为基态的最低能级。
获取初始量子态
其中，|00>和<00|分别表示不同方向的纯态，
是张量积，一种矩阵的运算法则。在辅助寄存器anc上制备纯态|00>，在工作寄存器work上制备量子态ρwork；将
应用到初始量子态σ上，输出目标量子态
其中，tranc表示对辅助量子比特取偏迹。
实现中，多个量子信道级联，将初始量子态输入到第一个量子信道，通过多个量子信道对初始量子态逐级进行处理，生成目标量子态。
图2是根据本公开一个实施例的量子模拟的示意图，如图2所示，初始量子态，即由辅助寄存器anc1、辅助寄存器anc2制备的纯态|00>及工作寄存器上制备量子态ρwork，经过量子信道
后，输出量子态
从统计的角度看，由于随机采样，输出的量子态的期望近似理想量子态μ(ρ)。可以用下列公式表示：
其中，E表示期望。也就是说，初始量子态σ经过多个量子信道的演化后，在工作寄存器上的部分，恰好近似理想量子态μ(ρ)。因此，该方案通过随机选择量子信道
实现模拟了理想量子信道μ。
本公开实施例提供的量子模拟方法，基于多个实数生成概率分布，根据概率分布生成多个采样数，根据多个实数生成哈密顿量，并基于哈密顿量和多个采样数，构造多个量子信道，生成初始量子态，并将多个量子信道应用至初始量子态之上以生成目标量子态。本公开能够通过哈密顿量和多个采样数实现多个量子信道的构造，降低量子模拟所需的量子资源及构造量子电路的消耗，使其易于在量子计算机上实现。
为了适应量子计算机，降低运行代价，接下来进一步对本公开实施例的量子模拟办法进行解释。
图3是根据本公开另一个实施例的量子模拟方法的流程图，如图3所示，在上述实施例的基础上，基于哈密顿量和多个采样数，构造多个量子信道，还包括以下步骤：
S301，获取任一采样数对应的概率分布中的概率值，并获取概率值对应的实数。
关于步骤S301的叙述，可以参见上述实施例的相关内容，由于采样数是由实数对应的概率值生成的，同理，根据采样数可以获取其对应的概率分布中的概率值，进而获取概率值对应的实数。
在一些实现中，采样数为L，则其对应的概率分布中的概率值为hL/Λ，由概率值可得，采样数对应的实数为hL。
S302，根据概率值对应的实数，从哈密顿量中确定任一采样数对应的泡利算子，基于任一采样数对应的泡利算子，构成任一量子信道的两量子比特受控门和单比特旋转门。
可选地，实数hl对应的泡利算子即为hlHl，进而根据任一采样数对应的泡利算子，构成任一量子信道的两量子比特受控门和单比特旋转门。
可选地，在一些实现中，两量子比特受控门可以为受控泡利门。图4是本公开一个实施例的量子信道的示意图，如图4所示，受控门V1＝-iHl，其中，i为虚数。量子信道的受控形式可以分解为受控泡利门，也是两量子比特门。比如，假设
那么受控门为：
其中，X、Y为不同的泡利算子，I为1比特的单位矩阵。
S303，由单比特旋转门和两量子比特受控门，构成任一量子信道对应的量子电路单元。
量子电路单元由受控门组成。在一些实现中，量子电路单元包括第一单比特旋转门、第二单比特旋转门和第三单比特旋转门，以及两量子比特受控门，其中，第三单比特旋转门用于对第二单比特旋转门的输出进行逆旋转，两量子比特受控门用于对第一单比特旋转门和第二单比特旋转门进行控制。
可选地，第一单比特旋转门和第二单比特旋转门的输入端分别与初始量子态的两个辅助寄存器相连，第二单比特旋转门的输入端还与第一单比特旋转门的输出端相连，两量子比特受控门的输入端分别与初始量子态的工作寄存器和第二单比特旋转门的输出端相连，第三单比特旋转门的输入端和第二单比特旋转门的输出端相连。
S304，基于量子电路单元构造任一量子信道的酉算子，并基于任一量子信道的酉算子构造任一量子信道。
如图4所示，在一些实现中，每个量子信道对应一个酉算子A1，其中，酉算子A1的表达式为：
A1＝-W1RW1 +RW1
其中
其中，W1为量子电路单元，W1 +为W1的逆量子电路单元，R为适用于所有量子信道的通用单比特旋转门，Z为适用于所有量子信道的通用泡利矩阵，I为1比特的单位矩阵，In为n比特的单位矩阵。
本公开实施例中，每个量子信道对应一个酉算子，量子模拟的目标是通过量子电路实现酉算子，因此，可以基于获取的量子信道的酉算子构造对应的量子信道。
在一些实现中，可以获取多个采样数的采样顺序，并基于采样顺序，确定多个量子信道的级联顺序，也就是说，针对多个量子信道中的每个量子信道，其连接顺序是由量子信道对应的采样数的采样顺序决定的。
本公开实施例提供的量子模拟方法，进行量子模拟时，量子电路单元包括单量子比特门和两量子比特受控门，并且只使用了两个辅助量子比特，能够降低构造量子电路的代价，利用简单的量子电路即可实现量子模拟。
为了提高量子模拟的精度，受控门需要满足一定的约束条件。图5是根据本公开另一个实施例的量子模拟方法的流程图，如图5所示，在上述实施例的基础上，进一步对量子模拟方法进行介绍：
S501，针对多个量子信道中的每个量子信道，基于量子信道的演变时间和初始量子态，生成第一单比特旋转门和第二单比特旋转门的约束条件。
根据演变时间和多个实数的和值，确定约束参数
本申请实施例中，N可以取足够大来提高精度。
继续如图4所示，基于与第一单比特旋转门相连的第一辅助寄存器中的初始量子态和约束参数，确定第一单比特旋转门的第一约束条件：
基于与第二单比特旋转门相连的第二辅助寄存器中的初始量子态和约束参数，确定第二单比特旋转门的第二约束条件：
S502，控制第一单比特旋转门和第二单比特旋转门满足约束条件。
控制第一单比特旋转门和第二单比特旋转门满足约束条件后，当给定精度∈>0，N≤C(Λt)2/∈，其中，C是个固定的常数，则输出的目标量子态tranc(εN(σ))与理想量子态μ(ρ)的迹距离小于∈。
本公开实施例中，针对多个量子信道中的每个量子信道，基于量子信道的演变时间和初始量子态，生成第一单比特旋转门和第二单比特旋转门的约束条件；控制第一单比特旋转门和第二单比特旋转门满足约束条件，以提高量子模拟的精度，使得目标量子态与理想量子态的迹距离在需求误差范围以内。
图6是根据本公开一个实施例的量子模拟装置的结构图，如图6所示，量子模拟装置600包括：
第一生成模块610，用于基于多个实数生成概率分布；
第二生成模块620，用于根据概率分布生成多个采样数；
构造模块630，用于根据多个实数生成哈密顿量，并基于哈密顿量和多个采样数，构造多个量子信道；
处理模块640，用于生成初始量子态，并将多个量子信道应用至初始量子态之上以生成目标量子态。
本公开实施例提供的量子模拟方法，基于多个实数生成概率分布，根据概率分布生成多个采样数，根据多个实数生成哈密顿量，并基于哈密顿量和多个采样数，构造多个量子信道，生成初始量子态，并将多个量子信道应用至初始量子态之上以生成目标量子态。本公开能够通过哈密顿量和多个采样数实现多个量子信道的构造，降低量子模拟所需的量子资源及构造量子电路的消耗，使其易于在量子计算机上实现。
需要说明的是，前述对量子模拟方法实施例的解释说明也适用于该实施例的量子模拟装置，此处不再赘述。
进一步的，在本公开实施例一种可能的实现方式中，第二生成模块620，还用于：获取整数序列；根据概率分布对整数序列进行采样以生成多个采样数。
进一步的，在本公开实施例一种可能的实现方式中，构造模块，还用于：对多个矩阵集中每个矩阵集中的泡利矩阵做张量积运算，以获取多个泡利矩阵的张量积；针对多个实数中的每个实数，将实数与泡利矩阵的张量积相乘，获取实数对应的泡利算子；基于所有的泡利算子，生成哈密顿量。
进一步的，在本公开实施例一种可能的实现方式中，构造模块630，还用于：获取任一采样数对应的概率分布中的概率值，并获取概率值对应的实数；根据概率值对应的实数，从哈密顿量中确定任一采样数对应的泡利算子，基于任一采样数对应的泡利算子，构成任一量子信道的两量子比特受控门和单比特旋转门；由单比特旋转门和两量子比特受控门，构成任一量子信道对应的量子电路单元；基于量子电路单元构造任一量子信道的酉算子，并基于任一量子信道的酉算子构造任一量子信道。
进一步的，在本公开实施例一种可能的实现方式中，每个量子信道对应一个酉算子A1，其中，酉算子A1的表达式为A1＝-W1RW1 +RW1，其中
其中，W1为量子电路单元，W1 +为W1的逆量子电路单元，R为适用于所有量子信道的通用单比特旋转门，Z为适用于所有量子信道的通用泡利矩阵，I为1比特的单位矩阵，In为n比特的单位矩阵。
进一步的，在本公开实施例一种可能的实现方式中，量子电路单元包括第一单比特旋转门、第二单比特旋转门和第三单比特旋转门，以及两量子比特受控门，其中，第三单比特旋转门用于对第二单比特旋转门的输出进行逆旋转，两量子比特受控门用于对第一单比特旋转门和第二单比特旋转门进行控制。
进一步的，在本公开实施例一种可能的实现方式中，第一单比特旋转门和第二单比特旋转门的输入端分别与初始量子态的两个辅助寄存器相连，第二单比特旋转门的输入端还与第一单比特旋转门的输出端相连，两量子比特受控门的输入端分别与初始量子态的工作寄存器和第二单比特旋转门的输出端相连，第三单比特旋转门的输入端和第二单比特旋转门的输出端相连。
进一步的，在本公开实施例一种可能的实现方式中，处理模块640，还用于：针对多个量子信道中的每个量子信道，基于量子信道的演变时间和初始量子态，生成第一单比特旋转门和第二单比特旋转门的约束条件；控制第一单比特旋转门和第二单比特旋转门满足约束条件。
进一步的，在本公开实施例一种可能的实现方式中，处理模块640，还用于：根据演变时间和多个实数的和值，确定约束参数；基于与第一单比特旋转门相连的第一辅助寄存器中的初始量子态和约束参数，确定第一单比特旋转门的第一约束条件；基于与第二单比特旋转门相连的第二辅助寄存器中的初始量子态和约束参数，确定第二单比特旋转门的第二约束条件。
进一步的，在本公开实施例一种可能的实现方式中，构造模块630，还用于：获取多个采样数的采样顺序，并基于采样顺序，确定多个量子信道的级联顺序。
进一步的，在本公开实施例一种可能的实现方式中，两量子比特受控门为受控泡利门。
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7示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备700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7所示，设备700包括计算单元701，其可以根据存储在只读存储器(ROM)702中的计算机程序或者从存储单元708加载到随机访问存储器(RAM)703中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 703中，还可存储设备700操作所需的各种程序和数据。计算单元701、ROM 702以及RAM 703通过总线704彼此相连。输入/输出(I/O)接口705也连接至总线704。
设备700中的多个部件连接至I/O接口705，包括：输入单元706，例如键盘、鼠标等；输出单元707，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元708，例如磁盘、光盘等；以及通信单元709，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元709允许设备700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701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701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701执行上文所描述的各个方法和处理，例如量子模拟方法。例如，在一些实施例中，量子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708。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 702和/或通信单元709而被载入和/或安装到设备700上。当计算机程序加载到RAM 703并由计算单元701执行时，可以执行上文描述的量子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701可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行量子模拟方法。
本文中以上描述的***和技术的各种实施方式可以在数字电子电路***、集成电路***、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***的***(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***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***、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***、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***、装置或设备使用或与指令执行***、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***、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***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***和技术实施在包括后台部件的计算***(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算***(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算***(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***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***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***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***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。根据本公开的实施例，本公开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根据本公开实施例所述的量子模拟方法。
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，本发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 (22)
1.一种量子模拟方法，包括：
基于多个实数生成概率分布；
根据所述概率分布生成多个采样数；
根据所述多个实数生成哈密顿量，并基于所述哈密顿量和所述多个采样数，构造多个量子信道，包括：
获取所述任一采样数对应的概率分布中的概率值，并获取所述概率值对应的实数；
根据所述概率值对应的实数，从所述哈密顿量中确定所述任一采样数对应的泡利算子，基于所述任一采样数对应的泡利算子，构成任一量子信道的两量子比特受控门和单比特旋转门；
由所述单比特旋转门和所述两量子比特受控门，构成所述任一量子信道对应的量子电路单元；
基于所述量子电路单元构造所述任一量子信道的酉算子，并基于所述任一量子信道的酉算子构造所述任一量子信道；
生成初始量子态，并将所述多个量子信道应用至所述初始量子态之上以生成目标量子态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述根据所述概率分布生成多个采样数，包括：
获取整数序列；
根据所述概率分布对所述整数序列进行采样以生成所述多个采样数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述根据所述多个实数生成哈密顿量，包括：
对多个矩阵集中每个矩阵集中的泡利矩阵做张量积运算，以获取多个泡利矩阵的张量积；
针对所述多个实数中的每个所述实数，将所述实数与所述泡利矩阵的张量积相乘，获取所述实数对应的泡利算子；
基于所有的所述泡利算子，生成所述哈密顿量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，每个所述量子信道对应一个酉算子A1，其中，酉算子A1的表达式为A1＝-W1RW1 +RW1，其中
其中，W1为量子电路单元，所述W1 +为所述W1的逆量子电路单元，所述R为适用于所有量子信道的通用单比特旋转门，所述Z为适用于所有量子信道的通用泡利矩阵，所述I为1比特的单位矩阵，In为n比特的单位矩阵。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述量子电路单元包括第一单比特旋转门、第二单比特旋转门和第三单比特旋转门，以及两量子比特受控门，其中，所述第三单比特旋转门用于对所述第二单比特旋转门的输出进行逆旋转，所述两量子比特受控门用于对所述第一单比特旋转门和第二单比特旋转门进行控制。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一单比特旋转门和第二单比特旋转门的输入端分别与所述初始量子态的两个辅助寄存器相连，所述第二单比特旋转门的输入端还与所述第一单比特旋转门的输出端相连，所述两量子比特受控门的输入端分别与所述初始量子态的工作寄存器和所述第二单比特旋转门的输出端相连，所述第三单比特旋转门的输入端和所述第二单比特旋转门的输出端相连。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述方法还包括：
针对所述多个量子信道中的每个所述量子信道，基于所述量子信道的演变时间和所述初始量子态，生成所述第一单比特旋转门和所述第二单比特旋转门的约束条件；
控制所述第一单比特旋转门和所述第二单比特旋转门满足所述约束条件。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述基于所述量子信道的演变时间和所述初始量子态，生成所述第一单比特旋转门和所述第二单比特旋转门的约束条件，包括：
根据所述演变时间和所述多个实数的和值，确定约束参数；
基于与所述第一单比特旋转门相连的第一辅助寄存器中的初始量子态和所述约束参数，确定所述第一单比特旋转门的第一约束条件；
基于与所述第二单比特旋转门相连的第二辅助寄存器中的初始量子态和所述约束参数，确定所述第二单比特旋转门的第二约束条件。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：获取所述多个采样数的采样顺序，并基于所述采样顺序，确定所述多个量子信道的级联顺序。
10.根据权利要求1-6或9任一项所述的方法，其中，所述两量子比特受控门为受控泡利门。
11.一种量子模拟装置，包括：
第一生成模块，用于基于多个实数生成概率分布；
第二生成模块，用于根据所述概率分布生成多个采样数；
构造模块，用于根据所述多个实数生成哈密顿量，并基于所述哈密顿量和所述多个采样数，构造多个量子信道；
所述构造模块，还用于：
获取所述任一采样数对应的概率分布中的概率值，并获取所述概率值对应的实数；
根据所述概率值对应的实数，从所述哈密顿量中确定所述任一采样数对应的泡利算子，基于所述任一采样数对应的泡利算子，构成任一量子信道的两量子比特受控门和单比特旋转门；
由所述单比特旋转门和所述两量子比特受控门，构成所述任一量子信道对应的量子电路单元；
基于所述量子电路单元构造所述任一量子信道的酉算子，并基于所述任一量子信道的酉算子构造所述任一量子信道；
处理模块，用于生成初始量子态，并将所述多个量子信道应用至所述初始量子态之上以生成目标量子态。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述第二生成模块，还用于：
获取整数序列；
根据所述概率分布对所述整数序列进行采样以生成所述多个采样数。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述构造模块，还用于：
对多个矩阵集中每个矩阵集中的泡利矩阵做张量积运算，以获取多个泡利矩阵的张量积；
针对所述多个实数中的每个所述实数，将所述实数与所述泡利矩阵的张量积相乘，获取所述实数对应的泡利算子；
基于所有的所述泡利算子，生成所述哈密顿量。
14.根据权利要求11所述的装置，其中，每个所述量子信道对应一个酉算子A1，其中，酉算子A1的表达式为A1＝-W1RW1 +RW1，其中
其中，W1为量子电路单元，所述W1 +为所述W1的逆量子电路单元，所述R为适用于所有量子信道的通用单比特旋转门，所述Z为适用于所有量子信道的通用泡利矩阵，所述I为1比特的单位矩阵，In为n比特的单位矩阵。
15.根据权利要求11所述的装置，其中，所述量子电路单元包括第一单比特旋转门、第二单比特旋转门和第三单比特旋转门，以及两量子比特受控门，其中，所述第三单比特旋转门用于对所述第二单比特旋转门的输出进行逆旋转，所述两量子比特受控门用于对所述第一单比特旋转门和第二单比特旋转门进行控制。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述第一单比特旋转门和第二单比特旋转门的输入端分别与所述初始量子态的两个辅助寄存器相连，所述第二单比特旋转门的输入端还与所述第一单比特旋转门的输出端相连，所述两量子比特受控门的输入端分别与所述初始量子态的工作寄存器和所述第二单比特旋转门的输出端相连，所述第三单比特旋转门的输入端和所述第二单比特旋转门的输出端相连。
17.根据权利要求15或16所述的装置，其中，所述处理模块，还用于：
针对所述多个量子信道中的每个所述量子信道，基于所述量子信道的演变时间和所述初始量子态，生成所述第一单比特旋转门和所述第二单比特旋转门的约束条件；
控制所述第一单比特旋转门和所述第二单比特旋转门满足所述约束条件。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述处理模块，还用于：
根据所述演变时间和所述多个实数的和值，确定约束参数；
基于与所述第一单比特旋转门相连的第一辅助寄存器中的初始量子态和所述约束参数，确定所述第一单比特旋转门的第一约束条件；
基于与所述第二单比特旋转门相连的第二辅助寄存器中的初始量子态和所述约束参数，确定所述第二单比特旋转门的第二约束条件。
19.根据权利要求11所述的装置，其中，所述构造模块，还用于：获取所述多个采样数的采样顺序，并基于所述采样顺序，确定所述多个量子信道的级联顺序。
20.根据权利要求11-16或19任一项所述的装置，其中，所述两量子比特受控门为受控泡利门。
21.一种电子设备，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1-10中任一项所述的方法。
22.一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1-10中任一项所述的方法。
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