[发明专利]用于量子计算机器的硬件高效的变分量子本征值求解器

说明书

描述了使用量子计算机生成用于变分量子本征值求解器(VQE)的试探状态。示例方法包括针对特定试探状态，选择要从量子比特捕获的样本的数量S。该方法还包括根据试探状态将哈密顿量映射到量子比特。该方法还包括在量子计算机中设置纠缠器，该纠缠器定义量子计算机的量子比特子集之间的纠缠相互作用。该方法还包括在与目标哈密顿量中的泡利项相关联的后旋转之后读出量子比特状态，该读出是针对S个样本执行的。该方法还包括使用S个量子比特状态来计算能量状态。该方法还包括响应于估计能量状态未以预期能量状态收敛，计算用于VQE的新试探状态，并且迭代以使用新试探状态计算估计能量。

技术领域

本申请总体上涉及量子计算，并且更具体地涉及用于量子计算机器的硬件高效的变分量子本征值求解器的实现。

背景技术

量子计算使用粒子物理学，粒子物理学将费米子定义为通过费米-狄拉克统计来表征的任何粒子。这些粒子遵守泡利不相容原理。费米子包括所有夸克和轻子，以及由奇数个这些粒子制成的任何复合粒子，诸如所有重子以及许多原子和原子核。费米子不同于遵守玻色-爱因斯坦统计的玻色子。费米子可以是基本粒子，诸如电子，或者它可以是复合粒子，诸如质子。根据任何合理的相对论量子场论中的自旋统计定理，具有整数自旋的粒子是玻色子，而具有半整数自旋的粒子是费米子。

除了自旋特征之外，费米子还具有守恒的重子或轻子量子数。因此，通常被称为自旋统计关系的事实上是自旋统计量子数关系。作为泡利不相容原理的结果，在任何给定时间，仅一个费米子可以占据特定的量子态。如果多个费米子具有相同的空间概率分布，则每个费米子的至少一个属性(诸如其自旋)必须是不同的。费米子通常与物质相关联，而玻色子通常是载力粒子，尽管在粒子物理学的当前状态下，这两个概念之间的区别是不清楚的。弱相互作用的费米子在极端条件下也可以显示玻色子行为。在低温处，费米子对于不带电的粒子显示超流动性，并且对于带电的粒子显示超导性。复合费米子，诸如质子和中子，是日常物质的关键构件。量子计算机器使用粒子的这种特性来解决各种计算昂贵的问题。

量子计算基于其在例如密码学、分子建模、材料科学凝聚物质物理学和各种其他领域中的应用而出现，这些领域目前扩大了现有高性能计算资源的限制以用于计算加速。量子计算机器的核心在于量子比特(即，量子位)的利用，其中除了别的以外，量子比特可以被认为是经典位(即，数字位—‘0’或‘1’)的类似物，其具有两个量子力学状态(例如，高态和低态)，诸如电子的自旋状态(即，‘1’＝↑和‘0’＝↓)、光子的偏振状态(即，‘1’＝H和‘0’＝V)、或传输子(transmon)的基态(‘0’)和第一激发态(‘1’)，传输子是由与作为非线性电感器的约瑟夫森结(Josephson junction)并联的电容器制成的超导谐振器。虽然量子比特能够存储经典的‘1’和‘0’信息，但是它们也提供了将信息存储为‘1’和‘0’状态的叠加的可能性。

对于量子计算机器，其中问题空间的维度指数增长，找到某些算符的本征值可能是难处理的问题。因此，在本领域中需要解决上述问题。

发明内容