[發明專利]用于量子計算機器的硬件高效的變分量子本征值求解器

在審

• 申請號: 201780095052.3
• 申請日: 2017-12-04
• 公開（公告）號: CN111095307A
• 公開（公告）日: 2020-05-01
• 發明（設計）人: A·肯達拉;M·安東尼奧;P·K·特梅;瀧田舞花;J·嘉姆貝塔
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: G06N10/00
• 分類號: G06N10/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 馬景輝

描述了使用量子計算機生成用于變分量子本征值求解器(VQE)的試探狀態。示例方法包括針對特定試探狀態，選擇要從量子比特捕獲的樣本的數量S。該方法還包括根據試探狀態將哈密頓量映射到量子比特。該方法還包括在量子計算機中設置糾纏器，該糾纏器定義量子計算機的量子比特子集之間的糾纏相互作用。該方法還包括在與目標哈密頓量中的泡利項相關聯的后旋轉之后讀出量子比特狀態，該讀出是針對S個樣本執行的。該方法還包括使用S個量子比特狀態來計算能量狀態。該方法還包括響應于估計能量狀態未以預期能量狀態收斂，計算用于VQE的新試探狀態，并且迭代以使用新試探狀態計算估計能量。

技術領域

本申請總體上涉及量子計算，并且更具體地涉及用于量子計算機器的硬件高效的變分量子本征值求解器的實現。

背景技術

量子計算使用粒子物理學，粒子物理學將費米子定義為通過費米-狄拉克統計來表征的任何粒子。這些粒子遵守泡利不相容原理。費米子包括所有夸克和輕子，以及由奇數個這些粒子制成的任何復合粒子，諸如所有重子以及許多原子和原子核。費米子不同于遵守玻色-愛因斯坦統計的玻色子。費米子可以是基本粒子，諸如電子，或者它可以是復合粒子，諸如質子。根據任何合理的相對論量子場論中的自旋統計定理，具有整數自旋的粒子是玻色子，而具有半整數自旋的粒子是費米子。

除了自旋特征之外，費米子還具有守恒的重子或輕子量子數。因此，通常被稱為自旋統計關系的事實上是自旋統計量子數關系。作為泡利不相容原理的結果，在任何給定時間，僅一個費米子可以占據特定的量子態。如果多個費米子具有相同的空間概率分布，則每個費米子的至少一個屬性(諸如其自旋)必須是不同的。費米子通常與物質相關聯，而玻色子通常是載力粒子，盡管在粒子物理學的當前狀態下，這兩個概念之間的區別是不清楚的。弱相互作用的費米子在極端條件下也可以顯示玻色子行為。在低溫處，費米子對于不帶電的粒子顯示超流動性，并且對于帶電的粒子顯示超導性。復合費米子，諸如質子和中子，是日常物質的關鍵構件。量子計算機器使用粒子的這種特性來解決各種計算昂貴的問題。

量子計算基于其在例如密碼學、分子建模、材料科學凝聚物質物理學和各種其他領域中的應用而出現，這些領域目前擴大了現有高性能計算資源的限制以用于計算加速。量子計算機器的核心在于量子比特(即，量子位)的利用，其中除了別的以外，量子比特可以被認為是經典位(即，數字位—‘0’或‘1’)的類似物，其具有兩個量子力學狀態(例如，高態和低態)，諸如電子的自旋狀態(即，‘1’＝↑和‘0’＝↓)、光子的偏振狀態(即，‘1’＝H和‘0’＝V)、或傳輸子(transmon)的基態(‘0’)和第一激發態(‘1’)，傳輸子是由與作為非線性電感器的約瑟夫森結(Josephson junction)并聯的電容器制成的超導諧振器。雖然量子比特能夠存儲經典的‘1’和‘0’信息，但是它們也提供了將信息存儲為‘1’和‘0’狀態的疊加的可能性。

對于量子計算機器，其中問題空間的維度指數增長，找到某些算符的本征值可能是難處理的問題。因此，在本領域中需要解決上述問題。

發明內容