[发明专利]一种量子系统的模拟演化方法及装置

说明书

本发明涉及一种量子系统的模拟演化方法，包括：基于待演化的量子系统制备量子态初态，将预设的从所述量子态初态演化为量子态末态所需要的演化时间T分解为N份子演化时间；将每份子演化时间中量子态演化所依据的第一关系式转换为第二关系式；其中，所述第一关系式为含时演化，所述第二关系式为依赖于多阶马格努斯展开的非含时演化；基于所述量子态初态，按照N份所述子演化时间的序列，依次根据所述第二关系式对所述量子系统进行模拟演化，以获得量子态末态。本发明可以有效提高降低时间复杂度，并且可以提升计算精度，无需更多的辅助比特。

技术领域

本发明涉及量子系统领域，特别涉及一种量子系统的模拟演化方法及装置。

背景技术

量子计算机是高效模拟量子系统演化的载体。它可以帮助我们计算分子、量子材料的微观演化形式和性质。对于量子模拟问题经典计算机的其时间复杂度往往随着系统的粒子个数指数上升。但对于量子计算机而言，其时间复杂度往往仅随系统粒子数以多项式的形式增加，极大地提升模拟效率。

量子系统的含时动力学演化是一类非常重要的演化过程，它描述了对量子系统施加周期性外场的过程，例如激光、交流磁场或电场等。由于其每一时刻的演化方程都不相同，这一类量子模拟问题往往比不含时动力学模拟更加的困难。实现高效地含时演化量子模拟，有助于我们了解量子系统在复杂外场影响下的性质和特点。

对于含时量子动力学演化，目前主要有两种实现方案。

1.基于一阶马格努斯(Magnus)展开和一、二阶特罗得(Trotter)分解相结合的方案。该方法将演化过程分解成N份，对每一份演化进行一阶马格努斯展开获得等效的非含时演化算符，进而用特罗得展开将演化算符分解为物理系统可以实现的子演化算符。这类方案不需要辅助量子比特，所以物理实现较为简单。然而，其主要的误差来源是一阶马格努斯展开，这导致了无论如何增加特罗得展开的阶数，都无法突破精确度的限制。具体的，其算法时间复杂度随模拟精度以O(1/ε)的形式增加。

2.基于戴森展开的方案。该方案将含时演化整体作戴森展开，将其等效为若干酉矩阵的带系数相加形式。然后应用酉正矩阵线性叠加技术，对该形式对应的演化方程进行模拟。这种方法能够得到更高的精度，然而，上面一种方案相比，戴森展开需要较为多的辅助比特，并且要求量子器件具有更加复杂的连通性，在现有技术下实现较为困难。

简言之，基于一阶马格努斯展开的方案精度较差，其算法时间复杂度随模拟精度以O(1/ε)的形式增加。基于戴森展开的方案虽然精度更高，但是物理实现更为复杂，需要更多的辅助比特，并且要求量子器件具有更加复杂的连通性。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种量子系统的模拟演化方法，包括：基于待演化的量子系统制备量子态初态，将预设的从所述量子态初态演化为量子态末态所需要的演化时间T分解为N份子演化时间；将每份子演化时间中量子态演化所依据的第一关系式转换为第二关系式；其中，所述第一关系式为含时演化，所述第二关系式为依赖于多阶马格努斯展开的非含时演化；基于所述量子态初态，按照N份所述子演化时间的序列，依次根据所述第二关系式对所述量子系统进行模拟演化，以获得量子态末态。

本发明可以有效提高降低时间复杂度，并且可以提升计算精度，无需更多的辅助比特。

附图说明

图1为本发明实施例一种量子系统的模拟演化方法的流程图；

图2为本发明实施例的量子系统的模拟演化方法的一个实施例的流程图；

图3为本发明实施例的一种量子系统的模拟演化装置的结构图；

图4为本发明实施例的一种计算设备。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。