執行量子計算的方法、用于執行量子計算的裝置與流程

本文描述的實施例涉及用于執行量子計算的方法和裝置。該方法使用包括諸如量子位的組成部分的量子系統。量子系統的組成部分由例如量子處理系統作用，以處理由組成部分攜帶的信息。測量一些組成部分以揭示組成部分中包含的信息。基于從測量獲得的讀出，解決了計算問題。

背景技術：

1、量子計算設備是利用量子力學效應來解決計算問題的計算設備。在量子計算設備或量子計算機中，信息由量子系統承載，諸如例如量子位(“量子比特”)。這與利用經典位(即，0和1)運算的常規計算機形成對比。在量子計算期間，可以通過演化量子系統來處理量子位。例如，量子系統的量子位組可以根據指定的相互作用彼此耦合。通過演化量子系統，可以處理由量子系統承載的信息，以便執行計算，即，以便解決計算問題。在許多情況下，量子計算機可以由經典計算機(即，用經典位運算的計算機)輔助。經典計算機可以向量子計算機提供關于系統中的量子位將如何由量子計算機處理的指令。

2、在量子計算的許多方法中，為了執行任意量子計算，有必要執行長程相互作用。長程相互作用是耦合量子系統中彼此遠離的量子位的相互作用。這種長程相互作用提供了障礙，因為它們的實際實現是困難的。在一些設置中，長程相互作用可以由短程相互作用的序列代替。然而，這些方法的缺點是短程相互作用的序列本質上是順序的，即它們不能并行化，導致量子計算的運行時間增加。這種序列不能并行化的事實轉而可能損害基于這種原理的量子計算機的可擴展性。

3、可替換地，量子計算的一些方法僅使用短程相互作用，但具有它們不是完全可編程的缺點。即，這種量子計算機在它們被定制以解決某些特定計算問題但是它們不能解決任意計算問題的意義上受到限制。

4、在其他方法中，量子計算可以在一定程度上并行化，但是這是以降低量子計算的效率為代價的，即，在這種方法中，量子計算機解決手頭的計算問題所需的運行時間增加。

5、因此，需要用于執行量子計算的改進的方法和設備。

技術實現思路

1、根據實施例，提供了一種執行量子計算的方法。該方法包括提供包括組成部分的量子系統。該方法包括將計算問題編碼為量子系統的問題哈密頓算子。問題哈密頓算子是作為被加問題哈密頓算子的總和的單體哈密頓算子。該方法包括確定量子系統的約束哈密頓算子。約束哈密頓算子是被加約束哈密頓算子的總和。總哈密頓算子的基態編碼了計算問題的解。總哈密頓算子包括問題哈密頓算子和約束哈密頓算子的總和。該方法包括確定約束哈密頓算子的第一子集的被加約束哈密頓算子和約束哈密頓算子的第二子集的被加約束哈密頓算子。該方法包括執行n輪運算，其中n≥2。每輪包括準備初始量子態，每輪包括根據酉算子序列來演化量子系統。序列包括問題編碼酉算子、約束強制執行酉算子和酉驅動器算子，每個問題編碼酉算子是問題哈密頓算子的個體被加問題哈密頓算子的酉時間演化算子或者是問題哈密頓算子的被加問題哈密頓算子的總和的酉時間演化算子。每個約束強制執行酉算子是取自約束哈密頓算子的第一子集的被加約束哈密頓算子中的個體被加約束哈密頓算子的酉時間演化算子，或者是取自所述第一子集中的被加約束哈密頓算子的總和的酉時間演化算子。每個酉驅動器算子是與來自約束哈密頓算子的第二子集的被加約束哈密頓算子的每個被加約束哈密頓算子對易的酉算子。每輪包括執行對量子系統的一個或多個組成部分的測量。該方法包括輸出量子計算的結果。

2、根據另一實施例，提供了一種用于執行量子計算的裝置。該裝置包括包含組成部分的量子系統。該裝置包括經典計算系統。經典計算系統被配置為將計算問題編碼為量子系統的問題哈密頓算子。問題哈密頓算子是作為各被加問題哈密頓算子的總和的單體哈密頓算子。經典計算系統被配置為確定量子系統的約束哈密頓算子，約束哈密頓算子是各被加約束哈密頓算子的總和。總哈密頓算子的基態編碼了計算問題的解，其中，總哈密頓算子包括問題哈密頓算子和約束哈密頓算子的總和。經典計算系統被配置為確定約束哈密頓算子的第一子集的被加約束哈密頓算子和約束哈密頓算子的第二子集的被加約束哈密頓算子。該裝置包括量子處理系統，該量子處理系統包括酉演化裝置和測量裝置。量子處理系統被配置為執行n輪運算，其中，n≥2。每輪包括由酉演化裝置根據酉算子序列來演化量子系統，序列包括問題編碼酉算子、約束強制執行酉算子和酉驅動器算子。每個問題編碼酉算子是問題哈密頓算子的個體被加問題哈密頓算子的酉時間演化算子或者是問題哈密頓算子的被加問題哈密頓算子的總和的酉時間演化算子。每個約束強制執行酉算子是取自約束哈密頓算子的第一子集的被加約束哈密頓算子中的個體被加約束哈密頓算子的酉時間演化算子，或者是取自所述第一子集中的被加約束哈密頓算子的總和的酉時間演化算子。每個酉驅動器算子是與來自約束哈密頓算子的第二子集的被加約束哈密頓算子的每個被加約束哈密頓算子對易的酉算子。每輪包括由測量裝置執行對量子系統的一個或多個組成部分的測量。經典計算系統還被配置為輸出量子計算的結果。

3、實施例還涉及用于操作本文描述的系統的方法，并且涉及使用該系統來執行根據本文描述的實施例的方法。

4、根據從屬權利要求、說明書和附圖，可以與本文描述的實施例組合的其他優點、特征、方面和細節是顯而易見的。

技術特征：

1.一種執行量子計算的方法，包括：

2.根據權利要求1所述的方法，其中，對于所述n輪運算中的每一輪，根據該輪的所述酉算子序列來演化所述量子系統包括：通過包括量子門的量子電路來實現所述序列的至少一些酉算子。

3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，所述量子系統包括子系統(450)，每個子系統包括所述組成部分的子集，其中，所述子系統是不相交的，其中，每個子系統具有邊界組成部分(420)，這些邊界組成部分形成所述子系統與一個或多個相鄰子系統之間的邊界的一部分，其中，每個邊界組成部分參與由所述約束哈密頓算子的所述第一子集的被加約束哈密頓算子中的被加約束哈密頓算子表示的量子相互作用。

4.根據權利要求3所述的方法，其中，每個酉驅動器算子完全在所述量子系統的所述子系統中的一個子系統內部起作用。

5.根據權利要求3或4所述的方法，其中，每個子系統具有的組成部分的總數與所述計算問題的大小無關。

6.根據權利要求3至5中任一項所述的方法，其中，每個酉驅動器算子由恒定深度的量子電路實現。

7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述n輪中的至少一些輪的所述初始量子態是部分約束哈密頓算子的基態，所述部分約束哈密頓算子是取自所述第二子集的被加約束哈密頓算子的所有被加約束哈密頓算子的總和。

8.根據前述權利要求中任一項所述的方法，還包括：

9.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述n輪運算中的至少一些輪的所述酉算子序列具有形式a1?a2…ap，或者至少包括所述形式的子序列，其中，p≥3，其中，每個ai是形式xi?yi?zi的乘積，其中，xi、yi和zi中的一個是問題編碼酉算子，xi、yi和zi中的另一個是約束強制執行酉算子，并且xi、yi和zi中的又一個是酉驅動器算子。

10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述n輪運算包括一個或多個自適應輪運算，其中，對于每個自適應輪運算，該自適應輪的所述酉算子序列中的酉算子是基于在所述n輪運算中的前一輪中執行的測量的至少一個測量結果來確定的。

11.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述n輪運算包括第一輪運算，其中，根據所述第一輪運算的所述酉算子序列來演化所述量子系統導致所述量子系統的第一量子態，其中，在所述第一輪中執行所述測量包括：

12.根據權利要求11所述的方法，其中，所述n輪運算包括在所述第一輪運算之后執行的第二輪運算，其中，根據所述第二輪運算的所述酉算子序列來演化所述量子系統導致所述量子系統的第二量子態，其中，在所述第二輪中執行所述測量包括：

13.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中：

14.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，每個酉驅動器算子具有形式其中，t是系數，并且是形式的算子，其中，每個bj是系數，并且每個是泡利σx算子的張量積或單個泡利σx算子，其中，符號σj表示兩個或更多個項的總和或單個項。

15.一種用于執行量子計算的裝置(500)，包括：

技術總結
提供了一種執行量子計算的方法。該方法包括：提供包括組成部分(302)的量子系統(300)。該方法包括將計算問題(110)編碼為量子系統的問題哈密頓算子(150)。問題哈密頓算子是作為被加問題哈密頓算子(152)的總和的單體哈密頓算子。該方法包括確定量子系統的約束哈密頓算子(250)。約束哈密頓算子是被加約束哈密頓算子(252)的總和。總哈密頓算子的基態編碼了計算問題的解。總哈密頓算子包括問題哈密頓算子和約束哈密頓算子的總和。該方法包括確定約束哈密頓算子的第一子集S<subgt;1</subgt;被加約束哈密頓算子和約束哈密頓算子的第二子集S<subgt;2</subgt;的被加約束哈密頓算子。該方法包括執行N輪運算，其中N≥2。每輪包括準備初始量子態，每輪包括根據酉算子序列來演化量子系統。序列包括問題編碼酉算子、約束強制執行酉算子和酉驅動器算子，每個問題編碼酉算子是問題哈密頓算子的個體被加問題哈密頓算子的酉時間演化算子或者是問題哈密頓算子的被加問題哈密頓算子的總和的酉時間演化算子。每個約束強制執行酉算子是取自約束哈密頓算子的第一子集的被加約束哈密頓算子中的被加約束哈密頓算子的酉時間演化算子，或者是取自第一子集中的各被加約束哈密頓算子的總和的酉時間演化算子。每個酉驅動器算子是與來自約束哈密頓算子的第二子集的被加約束哈密頓算子的每個被加約束哈密頓算子對易的酉算子。每輪包括執行對量子系統的一個或多個組成部分的測量。該方法包括輸出量子計算的結果(590)。

技術研發人員：基利安·恩德,阿內特·梅辛格,邁克爾·費爾納,沃爾夫岡·萊希納
受保護的技術使用者：奇偶量子計算有限公司
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21