CN114446401A - 量子线路生成晶体原子坐标的方法、装置、产品及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于量子线路生成晶体内原子坐标的方法、装置、产品及存储介质，属于材料和量子人工智能技术领域。因为该方法将量子线路中摆放的泡利旋转RX门、泡利旋转RY门及泡利旋转RZ门分别与晶体的每个原子在x轴、y轴及z轴的坐标一一对应起来，从而得到晶体的全部结构信息，所以，该方法大大降低了计算资源和时间成本，使量子芯片和电子芯片能够很好地协同工作，在材料领域具有广泛的应用前景。

Description

量子线路生成晶体原子坐标的方法、装置、产品及介质
技术领域
本发明涉及材料和量子人工智能技术领域，具体涉及一种基于量子线路生成晶体内原子坐标的方法、装置、产品及存储介质。
背景技术
人工神经网络(Artificial Neural Networks，简写为ANNs)也简称为神经网络(NNs)或称作连接模型(Connection Model)，它是一种模仿动物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠***的复杂程度，通过调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。神经网络被显示为可以用来构建更加精确的电子密度和相互作用图。
量子计算的对象是量子叠加态，量子计算中的变换为所有可能的幺正变换。得到输出后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算结果。量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算的输出结果。这种计算称为量子并行计算。
晶体结构研究是固体材料物理化学性质的基础,如何仅通过部分晶体结构信息而获取整个晶体结构信息是急需解决的问题。虽然采用经典的深度学习方法在生成晶体内原子坐标取得了不错的性能，但是现有的方法需要大量的计算资源并且耗时长，使量子芯片和电子芯片不能能够很好地协同工作。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于量子线路生成晶体原子坐标的方法、装置、产品及存储介质。
本发明提供了一种基于量子线路生成晶体内原子坐标的方法，具有这样的特征，包括：将晶体的部分晶体结构信息编码为部分晶体结构量子态密度矩阵；将部分晶体结构量子态密度矩阵输入三条参数化量子线路进行演化，并分别测量演化结果获得期望值；基于期望值进行损失函数计算与梯度更新，训练、测试后的模型即可用于根据部分晶体结构信息生成晶体内所有原子的三个坐标值，其中，三条参数化量子线路分别为第一参数化量子线路、第二参数化量子线路及第三参数化量子线路，第一参数化量子线路使用的量子逻辑门由泡利旋转RX门与纠缠门构成，该线路用于生成晶体的各个原子在x轴的坐标，第二参数化量子线路使用的量子逻辑门由泡利旋转RY门与纠缠门构成，该线路用于生成晶体的各个原子在y轴的坐标，第三参数化量子线路使用的量子逻辑门由泡利旋转RZ门与纠缠门构成，该线路用于生成晶体的各个原子在z轴的坐标。
在本发明提供的方法中，还具有这样的特征：其中，三条参数化量子线路中量子逻辑门的摆放方式及在相同位置摆放的泡利旋转门的相位参数值均相同。
在本发明提供的方法中，还具有这样的特征：其中，训练可采用第一种训练方式或第二种训练方式进行训练。
在本发明提供的方法中，还具有这样的特征：其中，第一种训练方式包括：步骤S1，采用预定的损失函数进行计算并输出计算结果；步骤S2，将计算结果采用梯度优化器优化参数值。
在本发明提供的方法中，还具有这样的特征：其中，第二种训练方式包括：步骤S1，将参数化量子线路嵌入另一模型并作为另一模型的一部分；步骤S2，采用预定的损失函数进行计算并输出计算结果；步骤S3，将计算结果采用梯度优化器优化参数值。
在本发明提供的方法中，还具有这样的特征：其中，将晶体的部分晶体结构信息编码为部分晶体结构量子态密度矩阵包括：将长度为n的部分晶体结构信息归一化后得到对应的归一化向量；将归一化向量重置得到量子态右矢；将量子态右矢共轭转置得到量子态左矢；将量子态右矢及量子态左矢做外积，即得n*n维的部分晶体结构量子态密度矩阵。
在本发明提供的方法中，还具有这样的特征：其中，测试包括：将预定的晶体结构信息编码后输入三条参数化量子线路进行演化，并输出演化结果；测量演化结果即得预定的晶体内所有原子坐标。
本发明提供了一种基于量子线路生成晶体内原子坐标的装置，具有这样的特征，包括：部分晶体结构量子态密度矩阵获取模块，用于将晶体的部分晶体结构信息编码为部分晶体结构量子态密度矩阵；期望值获取模块，用于将部分晶体结构量子态密度矩阵输入三条参数化量子线路进行演化，并分别测量演化结果获得期望值；晶体内所有原子的三个坐标值获取模块，基于期望值进行损失函数计算与梯度更新，训练、测试后的模型即可用于根据部分晶体结构信息生成晶体内所有原子的三个坐标值；其中，三条参数化量子线路分别为第一参数化量子线路、第二参数化量子线路及第三参数化量子线路；第一参数化量子线路使用的量子逻辑门由泡利旋转RX门与纠缠门构成，该线路用于生成晶体的各个原子在x轴的坐标；第二参数化量子线路使用的量子逻辑门由泡利旋转RY门与纠缠门构成，该线路用于生成晶体的各个原子在y轴的坐标；第三参数化量子线路使用的量子逻辑门由泡利旋转RZ门与纠缠门构成，该线路用于生成晶体的各个原子在z轴的坐标。
本发明提供了一种包含存储器和处理器的电子产品，具有这样的特征，该存储器中存储有计算机程序，并且该处理器被设置为运行其存储的计算机程序以执行上述任一项的基于量子线路生成晶体内原子坐标的方法。
本发明提供了一种存储有计算机程序的存储介质，该计算机程序可以被设置为运行时执行上述任一项的基于量子线路生成晶体内原子坐标的方法。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的基于量子线路生成晶体内原子坐标的方法，因为该方法将量子线路中摆放的泡利旋转RX门、泡利旋转RY门及泡利旋转RZ门分别与晶体的每个原子在x轴、y轴及z轴的坐标一一对应起来，从而得到晶体的全部结构信息，所以，该方法大大降低了计算资源和时间成本，使量子芯片和电子芯片能够很好地协同工作，在材料领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的实施例中基于量子线路生成晶体内原子坐标的方法的总流程示意图；
图2是本发明的实施例中参数化量子线路的结构示意图；
图3是本发明的实施例中获取部分晶体结构量子态密度矩阵的流程示意图；
图4是本发明的实施例中基于量子线路生成晶体内原子坐标的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明基于量子线路生成晶体原子坐标的方法、装置、产品及介质作具体阐述。
<实施例>
图1是本发明的实施例中基于量子线路生成晶体内原子坐标的方法的总流程示意图；图2是本发明的实施例中参数化量子线路的结构示意图。
如图1-2所示，本发明的实施例中基于量子线路生成晶体内原子坐标的方法包括如下步骤：
步骤S1，将晶体的部分晶体结构信息编码为部分晶体结构量子态密度矩阵。
图3是本发明的实施例中获取部分晶体结构量子态密度矩阵的流程示意图。
参见图3，本实施例中获取部分晶体结构量子态密度矩阵的方法包括如下步骤：
步骤S1-1，将长度为n的部分晶体结构信息(高维数据)归一化后得到对应的归一化向量。
步骤S1-2，将归一化向量转变为复数形式后，重置得到n*1维的量子态右矢。
步骤S1-3，将n*1维的量子态右矢共轭转置得到1*n维量子态左矢。
步骤S1-4，将n*1维的量子态右矢与1*n维量子态左矢做外积，即得n*n维的部分晶体结构量子态密度矩阵。
步骤S2，将步骤S1-4输出的部分晶体结构量子态密度矩阵输入三条参数化量子线路进行演化，并分别测量演化结果获得期望值。
参见图2，本实施例中三条参数化量子线路分别为第一参数化量子线路、第二参数化量子线路及第三参数化量子线路。
第一参数化量子线路使用的量子逻辑门由泡利旋转RX门与纠缠门构成，该线路用于生成晶体的各个原子在x轴的坐标。
第二参数化量子线路使用的量子逻辑门由泡利旋转RY门与纠缠门构成，该线路用于生成晶体的各个原子在y轴的坐标。
第三参数化量子线路使用的量子逻辑门由泡利旋转RZ门与纠缠门构成，该线路用于生成晶体的各个原子在z轴的坐标。
本实施例中，用于生成晶体各个原子三个坐标的三条参数化量子线路的量子逻辑门的摆放方式完全相同，区别仅在于用于生成x轴坐标的摆放RX门(第一参数化量子线路)，用于生成y轴坐标的摆放RY门(第二参数化量子线路)，用于生成z轴坐标的摆放RZ门(第三参数化量子线路)，并且三条参数化量子线路在相同摆放位置的旋转门的相位参数值相同，参见图2，一个原子对应的三条参数化量子线路中RX(θ1)、RY(θ1)及RZ(θ1)中相位参数值(θ1)相同。
本实施例中实例性地展示了晶体的四个原子，每个原子对应三条参数化量子线路，遍历晶体的所有原子并在参数化量子线路中进行演化，分别测量演化结果获得晶体所有原子坐标的期望值。
参见图2，将任一第一参数化量子线路记为Qi1，其中i表示晶体的第i个原子，1表示第i个原子在x轴的坐标；将任一第二参数化量子线路记为Qi2，其中i表示晶体的第i个原子，2表示第i个原子在y轴的坐标；将任一第三参数化量子线路记为Qi3，其中i表示晶体的第i个原子，3表示第i个原子在y轴的坐标，本实施例中，i为4。因此将图2中的量子线路可依次按照如下顺序标号为Q11、Q21、Q31、Q41、Q12、Q22、Q32、Q42、Q13、Q23、Q33、Q43。如：第一原子在x轴、y轴、z轴的坐标可通过Q11、Q12及Q13进行表示。
步骤S3，基于步骤S2获得的期望值进行损失函数计算与梯度更新，训练、测试后的模型即可用于根据部分晶体结构信息生成晶体内所有原子的三个坐标值。
本实施例中训练可采用第一种训练方式或第二种训练方式进行训练。其中，第一种训练方式包括如下步骤：
步骤S3-1，采用预定的损失函数进行计算并输出计算结果。
步骤S3-2，将计算结果采用梯度优化器优化参数值。
本实施例中第二种训练方式包括如下步骤：
步骤S3-1，将参数化量子线路嵌入另一模型并作为另一模型的一部分。
步骤S3-2，采用预定的损失函数进行计算并输出计算结果。
步骤S3-3，将计算结果采用梯度优化器优化参数值。
本实施例中的损失函数与梯度优化器均为现有技术中的损失函数与梯度优化器。
本实施例中的测试包括如下步骤：
将预定的晶体结构信息(已有的晶体结构信息)编码后输入三条参数化量子线路进行演化，并输出演化结果；测量演化结果即得预定的晶体内所有原子坐标。
图4是本发明的实施例中基于量子线路生成晶体内原子坐标的装置的结构示意图。
参见图4，本发明的实施例中基于量子线路生成晶体内原子坐标的装置100包括部分晶体结构量子态密度矩阵获取模块10、期望值获取模块20、晶体内所有原子的三个坐标值获取模块30。
部分晶体结构量子态密度矩阵获取模块10用于将晶体的部分晶体结构信息编码为部分晶体结构量子态密度矩阵。
期望值获取模块20用于将部分晶体结构量子态密度矩阵输入三条参数化量子线路进行演化，并分别测量演化结果获得期望值。
晶体内所有原子的三个坐标值获取模块30用于基于期望值进行损失函数计算与梯度更新，训练、测试后的模型即可用于根据部分晶体结构信息生成晶体内所有原子的三个坐标值。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的基于量子线路生成晶体内原子坐标的方法，因为该方法在量子线路中摆放的泡利旋转RX门、泡利旋转RY门及泡利旋转RZ门分别与晶体的每个原子在x轴、y轴及z轴的坐标一一对应起来，从而得到晶体的全部结构信息，所以，该方法大大降低了计算资源和时间成本，使量子芯片和电子芯片能够很好地协同工作，在材料领域具有广泛的应用前景。
进一步地，本实施例涉及的参数化量子线路包括量子比特线路和可调参量子逻辑门，通过在不同的线路上添加不同种量子逻辑门(RX门、RY门、RZ门、)从而调节量子态的演化过程，并以量子门中的相位值作为训练参数，通过梯度下降算法训练至收敛，使量子初态经过线路演化后到达期望的量子末态上，所以，本实施例利用参数化量子线路可以大大减少训练参数，并使模型快速收敛。
进一步地，本实施例提供的基于参数化量子线路的模型可直接进行训练，也可嵌入其他模型一起进行训练，所以，该方法不仅可以提高基于参数化量子线路所在模型的训练速度，也可以提高嵌入有参数化量子线路的另一模型的训练速度，具有广泛的应用前景。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于量子线路生成晶体内原子坐标的方法，其特征在于，包括：
将晶体的部分晶体结构信息编码为部分晶体结构量子态密度矩阵；
将所述部分晶体结构量子态密度矩阵输入三条参数化量子线路进行演化，并分别测量演化结果获得期望值；
基于所述期望值进行损失函数计算与梯度更新，训练、测试后的模型即可用于根据部分晶体结构信息生成所述晶体内所有原子的三个坐标值，
其中，所述三条参数化量子线路分别为第一参数化量子线路、第二参数化量子线路及第三参数化量子线路，
所述第一参数化量子线路使用的量子逻辑门由泡利旋转RX门与纠缠门构成，该线路用于生成所述晶体的各个原子在x轴的坐标，
所述第二参数化量子线路使用的量子逻辑门由泡利旋转RY门与纠缠门构成，该线路用于生成所述晶体的各个原子在y轴的坐标，
所述第三参数化量子线路使用的量子逻辑门由泡利旋转RZ门与纠缠门构成，该线路用于生成所述晶体的各个原子在z轴的坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
其中，所述三条参数化量子线路中量子逻辑门的摆放方式及在相同位置摆放的泡利旋转门的相位参数值均相同。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
其中，所述训练可采用第一种训练方式或第二种训练方式进行训练。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
其中，所述第一种训练方式包括：
步骤S1，采用预定的损失函数进行计算并输出计算结果；
步骤S2，将所述计算结果采用梯度优化器优化参数值。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
其中，所述第二种训练方式包括：
步骤S1，将所述参数化量子线路嵌入另一模型并作为所述另一模型的一部分；
步骤S2，采用预定的损失函数进行计算并输出计算结果；
步骤S3，将所述计算结果采用梯度优化器优化参数值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
其中，将所述晶体的部分晶体结构信息编码为部分晶体结构量子态密度矩阵包括：
将长度为n的所述部分晶体结构信息归一化后得到对应的归一化向量；
将所述归一化向量重置得到量子态右矢；
将所述量子态右矢共轭转置得到量子态左矢；
将所述量子态右矢及所述量子态左矢做外积，即得n*n维的所述部分晶体结构量子态密度矩阵。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
其中，所述测试包括：
将预定的晶体结构信息编码后输入所述三条参数化量子线路进行演化，并输出演化结果；
测量所述演化结果即得所述预定的晶体内所有原子坐标。
8.一种基于量子线路生成晶体内原子坐标的装置，其特征在于，包括：
部分晶体结构量子态密度矩阵获取模块，用于将晶体的部分晶体结构信息编码为部分晶体结构量子态密度矩阵；
期望值获取模块，用于将所述部分晶体结构量子态密度矩阵输入三条参数化量子线路进行演化，并分别测量演化结果获得期望值；
晶体内所有原子的三个坐标值获取模块，基于所述期望值进行损失函数计算与梯度更新，训练、测试后的模型即可用于根据部分晶体结构信息生成所述晶体内所有原子的三个坐标值；
其中，所述三条参数化量子线路分别为第一参数化量子线路、第二参数化量子线路及第三参数化量子线路；
所述第一参数化量子线路使用的量子逻辑门由泡利旋转RX门与纠缠门构成，该线路用于生成所述晶体的各个原子在x轴的坐标；
所述第二参数化量子线路使用的量子逻辑门由泡利旋转RY门与纠缠门构成，该线路用于生成所述晶体的各个原子在y轴的坐标；
所述第三参数化量子线路使用的量子逻辑门由泡利旋转RZ门与纠缠门构成，该线路用于生成所述晶体的各个原子在z轴的坐标。
9.一种包含存储器和处理器的电子产品，其特征在于，该存储器中存储有计算机程序，并且该处理器被设置为运行其存储的计算机程序以执行权利要求1-7任一项所述的基于量子线路生成晶体内原子坐标的方法。
10.一种存储有计算机程序的存储介质，该计算机程序可以被设置为运行时执行权利要求1-7任一项所述的基于量子线路生成晶体内原子坐标的方法。
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