全息量子动力学模拟

技术领域

各种实施方案涉及由量子计算机执行量子电路。例如，各种实施方案涉及由量子计算机在有效量子比特使用的情况下执行量子电路。

背景技术

近期量子计算硬件将仅访问有限数量(10至100)的量子比特(qubit)，并且还受到噪声和门误差的强烈限制。相对较少数量的噪声量子比特使得难以有效地解决复杂的问题，这些问题对于使用经典计算装置来解决是非常具有挑战性的。通过所付努力、智慧和创新，通过开发根据本发明的实施方案构造的解决方案已经解决了这种系统的许多缺陷，本文详细描述了这些解决方案的许多示例。

发明内容

各种实施方案提供了方法、量子计算机、计算实体(例如，经典计算实体)、系统、计算机程序产品等。根据一个方面，量子计算机可经由有效使用量子计算机的物理量子比特来执行量子电路。在示例性实施方案中，量子计算机的控制器接收包括多个电路切片的量子电路。量子计算机包括控制器、量子比特管理系统和多个物理量子比特。多个电路切片中的第一切片包括处于量子电路的完全演化层级的第一系统量子比特线的因果锥(pastcausal cone)。多个电路切片的第i切片被限定为包含不在量子电路的任何系统量子比特线的因果锥内的所有门，该系统量子比特线达到切片i-j中的量子电路的完全演化层级，其中0≤j

根据另一方面，提供了一种方法。在示例性实施方案中，该方法包括由量子计算机的控制器接收包括多个电路切片的量子电路。量子计算机包括量子比特管理系统和多个物理量子比特。多个电路切片中的第一切片包括处于量子电路的完全演化层级的第一系统量子比特线的因果锥。量子电路的第i切片被限定为包含不在量子电路的任何系统量子比特线的因果锥内的所有门，该系统量子比特线达到切片i-j中的量子电路的完全演化层级，其中0

在示例性实施方案中，执行量子电路的第i切片包括执行所有门，对于这些门，传入线和传出线位于第i切片内，以便及时向前传播系统量子比特。在一个示例性实施方案中，量子电路包括至少一条辅助(ancilla)线，并且执行量子电路的第i切片包括经由酉门(unitary gate)使第i切片底部的一个或多个系统量子比特与至少一个辅助量子比特进行交互，以便引入第i切片底部的一个或多个系统量子比特与一个或多个其他切片底部的系统量子比特之间的初始相关性。在示例性实施方案中，量子电路对由以本地交互为特征的哈密尔顿算子(Hamiltonian)所支配的交互进行编码。在示例性实施方案中，系统量子比特线对应于与被模拟的物理域的区段相关联的自由度。在示例性实施方案中，执行量子电路的第i切片包括根据算子来演化自由度。在示例性实施方案中，算子是哈密尔顿算子。在示例性实施方案中，物理域是一维物理域、二维物理域或三维物理域中的一者。在示例性实施方案中，量子电路模拟在表示物理域的晶格上限定的量子态的演化的动力学。在示例性实施方案中，该方法还包括执行多个量子比特中的至少一个物理量子比特的一个或多个测量，以确定对应于物理域内的至少一个自由度的值。在示例性实施方案中，量子电路的至少一个系统量子比特线延伸穿过量子电路的多个切片。

根据又一方面，提供了一种计算实体。在示例性实施方案中，计算实体与量子计算机的控制器通信。量子计算机包括量子比特管理系统和多个物理量子比特。计算实体被配置为使控制器控制量子计算机的元件以由控制器接收包括多个电路切片的量子电路。多个电路切片中的第一切片包括处于量子电路的完全演化层级的第一系统量子比特线的因果锥。多个电路切片的第i切片被限定为包含不在量子电路的任何系统量子比特线的因果锥内的所有门，这些系统量子比特线达到切片i-j中的量子电路的完全演化层级，其中0

在示例性实施方案中，执行量子电路的第i切片包括执行所有门，对于这些门，传入线和传出线位于第i切片内，以便及时向前传播系统量子比特。在一个示例性实施方案中，量子电路包括至少一条辅助线，并且执行量子电路的第i切片包括经由酉门使第i切片底部的一个或多个系统量子比特与至少一个辅助量子比特进行交互，以便引入第i切片底部的一个或多个系统量子比特与一个或多个其他切片底部的系统量子比特之间的初始相关性。在示例性实施方案中，量子电路对由以本地交互为特征的哈密尔顿算子所支配的交互进行编码。在示例性实施方案中，系统量子比特线对应于与被模拟的物理域的区段相关联的自由度。在示例性实施方案中，执行量子电路的第i切片包括根据算子来演化自由度。在示例性实施方案中，算子是哈密尔顿算子。在示例性实施方案中，物理域是一维物理域、二维物理域或三维物理域中的一者。在示例性实施方案中，量子电路模拟在表示物理域的晶格上限定的量子态的演化的动力学。在示例性实施方案中，计算实体被进一步配置为使控制器控制量子计算机的元件，以使量子计算机执行多个量子比特中的至少一个物理量子比特的一个或多个测量，以确定对应于物理域内的至少一个自由度的值。在示例性实施方案中，量子电路的至少一个系统量子比特线延伸穿过量子电路的多个切片。

附图说明

因此，已经概括地描述了本发明，现在将参考附图，这些附图未必按比例绘制，并且其中：

图1提供了根据示例性实施方案的示例性系统的示意图。

图2提供了根据示例性实施方案的被划分成区段的示例性域的示意图。

图3A和图3B提供了根据示例性实施方案的示例性量子电路和示例性量子电路的切片的示意图。

图4提供了示出由量子计算机执行的用于在有效量子比特使用的情况下执行量子电路的各种过程、程序和/或操作的流程图。

图5提供了可根据示例性实施方案使用的示例性用户计算实体的示意图。

图6提供了可根据示例性实施方案使用的示例性量子计算机的示意图。

具体实施方式

现在在下文中将参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的一些但不是全部的实施方案。实际上，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施方案；相反，提供这些实施方案是为了使本公开满足适用的法律要求。除非另外指明，否则术语“或”(还表示为“/”)在另选和结合意义上均用于本文。术语“例示性”和“示例性”是用于没有质量水平指示的示例。除非另外指明，否则术语“大致”和“近似”是指在工程和/或制造极限内和/或在用户测量能力内。在全篇内容中，类似的标号指代类似的元件。

计算电子和磁性材料的动态特性可用于预测它们的许多技术上重要的物理特性，诸如光吸收和发射光谱、交流(AC)电导率、磁化率、磁阻、自旋动力学和许多其他特性。由于纠缠熵的快速增长，相关量子系统的动力学的经典模拟是极具挑战性的，这将现有技术的模拟方法如时间依赖性的密度矩阵重整化群(DMRG)限制为非常短的时间尺度。

非常普遍地，传统上模拟量子系统的动力学的存储器和模拟时间资源在系统大小或最终模拟时间中呈指数增长。相比之下，可编程量子计算机的出现实现了用于模拟量子材料的多种多项式时间算法，这提供了进行这些模拟所需的资源的指数减少。然而，近期量子计算硬件将仅访问有限数量(10至100)的量子比特(qubit)，并且也将受到噪声和门误差的强烈限制。

本发明的各种实施方案提供了用于在有效量子比特使用的情况下执行量子电路的方法、装置、计算实体、计算机程序产品、系统等，使得可使用相对较少数量的潜在噪声量子比特来解决复杂问题，这些复杂问题对于经由经典计算装置进行解决可能是非常困难的和/或难以解决的。

在各种实施方案中，量子计算机仅使用有限数量的“物理量子比特”来在大量“系统量子比特”(例如，沿着电路的系统量子比特线演化的量子比特)上实现大宽度的电路。首先，识别最左侧系统量子比特线的量子电路输出的因果锥，其包含系统量子比特线的子集以及至少一个辅助量子比特。例如，识别处于完全演化层级的第一系统量子比特线的因果锥并用于限定第一切片140A，如图3A所示。对于电路中的给定量子比特，我们可将其因果锥限定为所有量子比特的集合，通过追踪从过去到未来的线，通过从门流出的任何线离开每个门，从该集合可以到达给定量子比特。根据该定义，图3A所示的系统量子比特线1和2的顶部处的量子比特的因果锥包含虚线(例如，边界146)左下方的所有量子比特(包括沿着系统量子比特线1-5进入的量子比特，以及沿着辅助线进入的所有量子比特)。

量子计算机具有足够的物理量子比特以处理包含在该因果锥内的完整电路的限制(图3A和图3B中的电路的底部上的五个最左侧的系统量子比特线120和辅助线110)。如果需要，沿这些系统量子比特线演化到量子电路的完全演化层级(例如，在该锥的输出处，在图3B中标记为A和B)的量子比特被测量，重新初始化，并且再循环回到电路的基础层级，在那里它们可以被用于将因果锥扩展到初始锥右侧一个切片，在电路输出处包含更多的系统量子比特[在这种情况下，在电路的顶部从左侧第3量子比特和第4量子比特，标记为C和D]。可重复该过程以处理和/或执行电路的更多切片，直到量子电路的所有切片已被处理和/或执行。此时，整个量子电路已被忠实地执行，并且已获得对电路的完全演化层级的所有期望测量结果。

在各种实施方案中，限定了量子电路。在各种实施方案中，量子电路包括多个系统量子比特线。在示例性实施方案中，使用任何合适的技术(例如，材料的紧密结合描述)将被建模和/或模拟的物理系统或域离散化到晶格上。该晶格中的每个点包含有限数量(例如，最多d

在各种实施方案中，经由算子对域的区段(和/或区段内的位置和/或粒子和/或对应自由度)之间的时间演化和/或交互进行模拟和/或建模。例如，域可被划分成区段。如果域的维度为d，则每个区段的维度为d-1。在各种实施方案中，算子是哈密尔顿算子。在各种实施方案中，算子是本地算子。当H(t)＝∑

在各种实施方案中，量子电路包括一个或多个辅助线。在各种实施方案中，每个辅助量子比特(例如，沿着辅助线演化的量子比特)准备在与域的区段上的域的一个或多个初始特性对应的初始状态中存在的各种量子比特线(和/或由此表示的域的自由度)之间的相关性。例如，当系统量子比特(例如，沿系统量子比特线120演进的物理量子比特)经由酉门112(参见图3A和图3B)与辅助量子比特(例如，沿辅助线110演化的物理量子比特)进行交互时，辅助量子比特在各个区段中赋予各种自由度的初始状态之间的相关性。在示例性实施方案中，在初始时间t＝0时，辅助量子比特(例如，沿着辅助线演化的量子比特)在域的各个区段中的自由度之间生成矩阵积状态。在各种实施方案中，每个系统量子比特首先被初始化到系统量子比特线上，然后通过经由酉门与一个或多个辅助量子比特交互而进入相关状态。然后，通过与其他系统量子比特(例如，沿着其他系统量子比特线演化的量子比特)进行门控，该系统量子比特继续沿着该系统量子比特线演化，以便在本地哈密尔顿算子下模拟该模拟系统和/或域的时间演化。

在各种实施方案中，限定量子电路的切片。如上所述，量子电路包括从量子电路的对应于时间t＝0的基础层级延伸到对应于时间t＝T的完全演化层级的多个系统量子比特线。这些量子线各自涉及模拟系统和/或域的区段的一个或多个自由度。系统量子比特线可穿过量子电路的一个或多个切片。

在各种实施方案中，从图3B左侧的第一切片140A开始，并且通过每个连续的切片140从左向右移动，逐个切片140地执行量子电路。例如，首先，执行第一切片140A(三角形区域)内的所有门，并且进行该切片140A的输出(例如，完全演化层级136)处的量子比特的任何期望测量。然后，已经达到完全演化层级136(例如，图3B中标记为A和B的切片的顶部)的物理量子比特被重置(例如，重新初始化)并且插入到下一个切片140中的系统量子比特线的底部(例如，基础层级130)。然后根据电路的时间顺序来执行切片140内的门(例如，首先执行红色门，然后按照从底部到顶部的升序执行蓝色门)。在图3B的示例中，在程序中的此时执行的门被显示为浅色。然后已经到达该第二切片140B的顶部的物理量子比特(在图3B中标记为C和D)被重置(例如，重新初始化)并插回到第三切片140的底部中。此时，可执行该第三切片中的门，并且该程序从左至右继续通过所有切片140，直到已执行所有门112、122，并且已进行所有测量150。

在各种实施方案中，量子电路的每个切片从量子电路的基础层级开始，并且对角地延伸横跨量子电路的系统量子比特线，直到完全演化的层级。例如，如果量子电路对系统和/或域从时间t＝0到时间t＝T的演化进行模拟和/或建模，则量子电路的基础层级对应于时间t＝0，并且完全演化的层级对应于时间t＝T。在各种实施方案中，限定i＝1切片，使得至少一个系统量子比特线从基础层级演化到完全演化层级，并且必须排他地包含在完全演化层级的至少一个系统量子比特线的完整因果锥。因果锥是通过在基础层级处识别所有系统量子比特来限定的，该基础层级可以通过沿着图3A和图3B所示的箭头方向穿过门的线来连接到完全演化的量子比特。例如，在i＝1个切片中达到完全演化层级的系统量子比特从基础层级演化到完全演化层级，而不与在i＞1个切片的基础层级处开始的任何系统量子比特线交互和/或演化。在各种实施方案中，可以递归地限定i＞1个切片。例如，对于i≥1，可以通过在量子电路的第i切片的完全演化层级处将系统量子比特线直接带到系统量子比特线的右侧，然后在第i切片的完全演化层级处将那些系统量子比特线的因果锥直接识别到系统量子比特线的右侧，从而识别i+1切片。紧接在第i切片的完全演化层级处的系统量子比特线右侧的系统量子比特线包括由完全演化层级处的门直接连接的系统量子比特线。对于任何非负整数j，识别的因果锥中不与切片i-j相交的部分是切片i+1。例如，在i＞1切片中达到完全演化层级的系统量子比特线演化到完全演化层级，而不与任何系统量子比特线交互和/或演化，该系统量子比特线开始于和/或延伸自i+j切片的基础层级，其中j是正整数。执行i＞1切片可以包括与一个或多个系统量子比特线的交互和/或演化，一个或多个系统量子比特线开始于i-j切片的基础层级和/或从该基础层级延伸，其中j是正整数。一般来讲，对于达到切片i中的完全演化层级的系统量子比特线，可以用源自(例如，在量子电路的基础层级处)切片i-j中任何一个切片的系统量子比特线进行门控，j是任何非负整数，而不用源自(例如，在量子电路的基础层级处)切片i+j中任何一个切片的系统量子比特线进行门控。

在各种实施方案中，量子电路逐个切片地执行。例如，量子计算机可执行量子电路的第一切片，使得一个或多个系统量子比特线在第一切片的基础层级处初始化，并且至少一个系统量子比特线演化到第一切片的完全演化层级。然后可执行量子电路的第二切片，使得一个或多个系统量子比特线在第二切片的基础层级处初始化，并且至少一个系统量子比特线演化到第二切片的完全演化层级。然后可执行量子电路的第三切片，依此类推，直到已执行量子电路的每个切片。

在各种实施方案中，可在沿对应量子比特迹线的量子比特的演化的各个点处对量子比特的一种或多种特性进行测量，以便在对应的时间确定该域的对应的位置和/或粒子的一种或多种特性。例如，当沿着系统量子比特线演化的物理量子比特达到量子电路的完全演化层级时，可以进行一个或多个测量，以确定在时间t＝T处对应于系统量子比特线的位置和/或粒子的一个或多个特性。在各种实施方案中，一旦物理量子比特沿着系统量子比特线演化到切片i的完全演化层级，并且进行任何期望的测量，则其可被初始化并且在切片i+1的基础层级处重新引入，以沿着另一个系统量子比特线演化。

在各种实施方案中，量子电路的以逐个切片地方式执行允许物理量子比特的再循环。例如，通过以逐个切片地方式执行量子电路，量子计算机的物理量子比特可沿不同切片的多个系统量子比特线进行初始化。因此，需要较少的物理量子比特来完全执行量子电路。因此，实施方案使得能够使用相对较少数量的量子比特来执行量子电路建模和/或模拟复杂系统。

图1提供了可根据示例性实施方案使用的示例性系统的示意图。在各种实施方案中，该系统包括用户计算实体10和量子计算机30。在各种实施方案中，量子计算机30包括控制器500、多个量子比特以及一个或多个量子比特管理系统。在各种实施方案中，用户计算实体10可经由有线或无线通信与量子计算机30的控制器500进行通信。在各种实施方案中，用户计算实体10可与控制器500直接通信，或者可经由一个或多个网络20与控制器500通信。

在各种实施方案中，用户计算实体10被配置为允许用户(例如，经由用户计算实体10的用户界面)向量子计算机30提供输入，并且接收、查看来自量子计算机30的输出和/或对输出进行类似处理。用户计算实体10可经由一个或多个有线或无线网络20与量子计算机30(例如，控制器500)通信。在各种实施方案中，量子计算机30可以是捕获离子量子计算机、核磁共振量子计算机、超导量子计算机、光子量子计算机和/或其他类型的量子计算机。

在各种实施方案中，控制器500被配置为控制量子计算机30的一个或多个量子比特管理系统，以便以期望的方式操纵和/或演化量子计算机30的一个或多个量子比特。例如，控制器500可被配置为通过使一个或多个量子比特管理系统以量子电路指示和/或限定的方式操纵和/或演化一个或多个量子比特来执行一个或多个量子电路。例如，一个或多个量子比特管理系统可包括热控制系统(例如，低温冷却系统)、真空系统(例如，压力控制系统)、量子比特约束系统(例如，在捕获离子量子计算机的情况下，离子阱和连接到离子阱的电压源)，一个或多个门系统(例如，在捕获离子量子计算机的情况下，激光器和对应的光学器件)、测量系统(例如，在捕获离子量子计算机的情况下，包括光学器件、光电探测器等)等。通过使一个或多个量子比特管理系统根据量子电路操纵和/或演化一个或多个量子比特，量子计算机30可执行计算、模拟、生成模型等。

用户计算实体10可提供(例如，传输)量子电路、编码量子电路的可执行代码部分(例如，计算机可执行指令、命令集等)和/或对一个或多个量子电路的执行的请求，使得量子计算机30的控制器500接收量子电路、编码量子电路的可执行代码部分和/或请求。量子计算机30然后可执行量子电路，并且可响应于接收到量子电路、编码量子电路的可执行代码部分和/或执行量子电路的请求，确定、测量量子电路的执行结果和/或对执行结果进行类似处理。量子计算机30然后可提供(例如，传输)量子电路的执行结果和/或量子电路的执行结果的处理结果，使得用户计算实体10接收量子电路的执行结果和/或量子电路的执行结果的处理结果。然后，用户计算实体30可使用量子电路的执行结果和/或量子电路的执行结果的处理结果作为到一个或多个程序的输入，使量子电路的执行结果和/或量子电路的执行结果的处理结果经由用户计算实体10的用户界面显示，使量子电路的执行结果和/或量子电路的执行结果的处理结果存储在计算机可读存储器中等。

在各种实施方案中，量子电路是量子计算的模型，其中量子计算是一系列量子门。在各种实施方案中，量子电路被划分成多个切片。执行量子电路包括串行地执行这些切片。图3A和图3B提供了示例性量子电路100的示意图。量子电路100包括多根系统量子比特线120(例如，120A、120B)。量子电路100包括多个层级，从基础层级130开始，在该基础层级处，每个系统量子比特线以初始化步骤开始并延伸通过多个层级到完全演化层级136。如本文所用，系统量子比特是量子计算机30的沿着系统量子比特线120演化的物理量子比特555。需注意，由于本文所述的量子比特重用方案，单个物理量子比特555可在算法的各个点处发挥多个不同系统量子比特的作用。例如，在达到先前系统量子比特线的完全演化状态之后，可将单个物理量子比特555连续地重新引入到多个系统量子比特线上。

在各种实施方案中，基础层级130和完全演化层级136之间的多个层级可包括幺正电路(unitary circuit)层级132。在各种实施方案中，量子电路100包括一条或多条辅助线110。如本文所用，辅助量子比特是量子计算机30的沿辅助线110演化的物理量子比特555。在各种实施方案中，幺正电路层级132包括辅助线110与系统量子比特线120的交互。例如，辅助量子比特可例如经由门112(例如，112A、112B)与沿系统量子比特线120演化的系统量子比特进行交互。辅助量子比特和系统量子比特经由门112的交互可使系统量子比特处于某种状态，该状态对应于和/或近似于与对应系统量子比特线120对应的位置和/或粒子的初始状态。例如，辅助量子比特与系统量子比特的交互可使系统量子比特处于近似哈密尔顿算子的最低能量状态的状态。中间层级134(例如，134A、134B)可对应于域内的相邻位置和/或粒子之间的时间演化和/或交互，如由算子(例如，哈密尔顿算子)所描述的。例如，系统量子比特线120的中间层级134可包括交互门122(例如，122A、122B)，从而导致沿其他系统量子比特线演化的物理量子比特之间的时间演化和/或交互。在各种实施方案中，与沿系统量子比特线120演化的物理量子比特555相比，沿辅助线110演化的物理量子比特555将不被重新使用。

在各种实施方案中，量子电路100可包括进行一个或多个测量150(例如，150A、150n)。例如，测量150可以指示在对应时间处的域内的位置和/或粒子的一个或多个特性。例如，如果在完全演化层级136处对沿着第一系统量子比特线120A演化的第一物理量子比特进行测量150A，则测量150A指示对应于时间t=T处的第一位置或粒子的一个或多个特性。量子电路100可以包括在电路内和/或沿着不同系统量子比特线120的不同层级134、136处的各种测量，如适合于由量子电路100建模的计算。

量子电路100具有暗示的时间排序，由此所有系统量子比特(即垂直)线120从底部(过去)延伸到顶部(将来)，并且辅助(即水平)线110从左侧(过去)延伸到右侧(将来)。该方向由图3A和图3B中的线的子集上的箭头指示，但是对于所有线，该方向以类似的方式存在。

在各种实施方案中，量子电路100被划分成和/或包括多个切片140(例如，140A、140B、...、140n)。与系统量子比特线120相比，量子电路100的切片140以对角线方式从基础层级130延伸到完全执行层级136。例如，切片边界146(在图3A和图3B中被示出为虚线)可与一个或多个系统量子比特线120相交。例如，量子电路100的第i切片140i可对应于基础层级量子比特集合142i(例如，142A、142B)和完全演化层级量子比特集合144i(例如，144A、144B)。基础层级量子比特集合142i包括至少一个系统量子比特线120，并且完全演化层级量子比特集合144i包括至少一个系统量子比特线120。然而，基础层级量子比特集合142i和完全演化层级量子比特集合144i可不具有任何重叠。例如，第i切片140i的完全演化层级量子比特集合144i可不包括第i切片140i的基础层级量子比特集合142i中的系统量子比特线120中的任一者。换句话讲，系统量子比特线120可在基础层级130处开始于第i切片的基础层级集合142i中，并且可到达第i+j切片140(i+j)的完全演化量子比特集合144(i+j)，其中j为正整数。例如，第i切片140i跨中间层级134(例如，134A、134B)对角地延伸到完全演化层级136。

在示例性实施方案中，对于i＞1，基础层级量子比特集合142i和完全演化层级量子比特集合144i包括相同数量的系统量子比特线120。在示例性实施方案中，对于i、j＞1，第i切片的基础层级量子比特集合142i和第j切片的基础层级量子比特集合142j包括相同数量的系统量子比特线120。在示例性实施方案中，第一切片140A的完全演化层级量子比特集合144A包括与第i切片140i的完全演化层级量子比特集合144i相同数量的系统量子比特线120。在各种实施方案中，与第i切片140i的基础层级量子比特集合144i相比，第一切片140A的基础层级量子比特集合142A包括更多数量的系统量子比特线120。在示例性实施方案中，第一切片140A的基础层级量子比特集合142A包括使基础层级量子比特集合142A的至少一个系统量子比特线120完全演化所需的最小数量的系统量子比特线120。例如，第一切片140A可为基础层级量子比特集合142A与完全演化层级量子比特集合144A之间存在重叠的唯一切片140。

在各种实施方案中，量子电路100是模拟量子态|ψ(0)＞的演化的动力学

在各种实施方案中，使用电子相关轨道的任何标准轨道基础(例如，紧束缚描述)，待模拟和/或建模的域通过每个位点具有有限数量ds的量子自由度的离散网格来近似。各种实施方案对轨道基础的特定选择是不可知的。各种实施方案模拟和/或建模由本地哈密尔顿算子H(t)＝∑

在被离散化到整数线性和横截面尺寸L×A的晶格上的系统或域的时间间隔t∈[0，T]的范围上模拟动态特性，其中准确度为～∈，各种实施方案需要

在各种实施方案中，量子电路100将物理量子比特划分成

在各种实施方案中，量子电路可如下限定、生成和/或确定。在各种实施方案中，通过哈密顿算子对域的位置和/或粒子的量子态的连续时间演化被分解成作用于所模拟的系统和/或域的p个区段的N级(例如，130、132、134、136)不相接的项的离散量子电路。在各种实施方案中，使用各种标准方法执行时间演化的这种分解。例如，在示例性实施方案中，使用Trotter-Suzuki公式

在各种实施方案中，时间演化量子电路100在具有N

然后可执行量子电路100。在各种实施方案中，第一切片140A的每个层级按次序从基础层级130、接着幺正电路层级132、接着中间层级134(例如，第一中间层级134A、接着第二中间层级134B等)跨越每个层级执行，直到达到完全演化层级136。例如，将沿着第一切片140A的基础层级量子比特集合142A的系统量子比特线120演化的每个物理量子比特初始化到固定初始状态|0＞。然后，将沿着辅助线110演化的物理量子比特被初始化，并且实现幺正电路U

对于i＞1，可以通过重置沿着第i-1切片完全演化层级量子比特集合144(i-1)的系统量子比特线120演化的物理量子比特来执行第i切片，使得这些物理量子比特在第i切片140i的基础层级130(例如，在第i切片140i的基础层级量子比特集合142i的系统量子比特线120上)被初始化为固定的初始状态|0＞。第i切片140i的幺正电路门112在第i切片的幺正电路层级132处执行。然后执行第一中间层级134A的交互门122以实现

在重置物理量子比特以便在下一个切片中重新使用之前，通过测量在完全演化层级136处沿着系统量子比特线120演化的物理量子比特上的期望的可观察量，这个程序提供了对时间演化状态的任何可测量量的访问。为了在中间时间测量可观测量，可以简单地中断量子电路100的执行，并且在期望的时间(例如，在对应于期望时间的中间层级134)执行物理量子比特上的期望可观测量的测量。

图4提供了示出由量子计算机30执行的用于在有效量子比特使用的情况下执行量子电路的各种过程、程序和/或操作的流程图。从步骤/操作302开始，限定量子电路100，并且确定和/或限定量子电路的切片140。在示例性实施方案中，量子电路100和/或量子电路的切片140可由用户计算实体10(例如，自动地(例如，由机器用户)或经由与用户界面的用户交互)和/或由量子计算机30的控制器500限定。在示例性实施方案中，量子电路100可由用户计算实体10限定，并且被提供为使得量子计算机30的控制器500接收量子电路100并限定量子电路的切片140。在示例性实施方案中，量子电路100和量子电路的切片140由用户计算实体10限定，并且被提供为使得量子计算机30的控制器500在已经限定量子电路的切片140的情况下接收量子电路100。例如，用户计算机实体可在限定量子电路的切片140的情况下提供量子电路100。然后，控制器500可以接收(例如，在处理设备505处，经由通信接口520)限定其切片140的量子电路100。在各种实施方案中，限定量子电路100的n个切片140。

在步骤/操作304处，将沿第一切片140A的系统量子比特线演化的物理量子比特被初始化(例如，将沿第一切片140A的基础层级量子比特集合142A的系统量子比特线120演化的物理量子比特)。例如，可执行第一切片140A的基础层级130。例如，控制器500(例如，经由处理设备505、驱动器部件元件515等)可使一个或多个量子比特管理系统550操纵量子计算机30的物理量子比特555，使得物理量子比特被初始化到第一切片140A的基础层级量子比特集合142A的系统量子比特线120上以及被初始化到辅助线110上。例如，索引i在1处初始化，并且执行第i切片的基础层级130。

在步骤/操作306处，执行第i切片的幺正电路层级132。例如，控制器500(例如，经由处理设备505、驱动器部件元件515等)可使一个或多个量子比特管理系统550操纵量子计算机30的物理量子比特555，使得第i切片的幺正电路层级132被执行。例如，可跨第i切片的幺正电路层级132将幺正U

在步骤/操作308处，执行应用第i切片的系统量子比特线120的时间演化的电路。例如，第i切片的中间层级134按顺序执行。例如，可执行第一中间层级134A，之后执行第二中间层级134B，依此类推，直到实现第i切片的完全演化层级136。在各种实施方案中，控制器500(例如，经由处理设备505、驱动器部件元件515等)可使一个或多个量子比特管理系统550操纵量子计算机30的物理量子比特555，使得根据量子电路100的中间层级134来执行交互门122。

在步骤/操作310处，捕获对应于第i切片的完全演化量子比特集合144i的任何期望测量结果。例如，控制器500(例如，经由处理设备505、驱动器部件元件515等)可使一个或多个量子比特管理系统550操纵量子计算机30的物理量子比特555，使得捕获演化(例如，沿着系统量子比特线120)到第i切片的完全执行层级136的物理量子比特555的任何期望测量结果。步骤/操作310可以但并非必须在完成步骤308之后开始，并且可以例如与步骤/操作308同时实施，使得可以在中间电路层级134处进行测量。

在步骤/操作312处，控制器500(例如，经由处理设备505等)可确定索引i是否等于n，即电路的切片数量。当在步骤/操作312处确定索引i不等于n时，该过程继续进行到步骤/操作314。

在步骤/操作314处，将沿第i切片的完全执行层级量子比特集合144i的系统量子比特线120演化的物理量子比特被重置，使得它们可在第(i+1)切片140(i+1)的基础层级130中被初始化。例如，控制器500(例如，经由处理设备505、驱动器部件元件515等)可使一个或多个量子比特管理系统550操纵量子计算机30的物理量子比特555，使得沿第i切片的完全执行层级量子比特集合144i的系统量子比特线120演化的物理量子比特被重置，使得它们可被初始化到第(i+1)切片的基础层级量子比特集合142(i+1)的系统量子比特线上。例如，一旦物理量子比特已沿着系统量子比特线120完全演化(例如，达到完全演化层级136)，物理量子比特555可从量子电路的后续切片开始重新初始化到另一个系统量子比特线上。这样，物理量子比特可在量子电路100的执行内重新使用，以减少执行量子电路所需的物理量子比特555的总数。

在步骤/操作316处，控制器500使索引i递增。例如，控制器(例如，经由处理设备505等)可使索引i递增至值i+1。例如，索引i可递增，并且可以执行下一个切片。

当在步骤/操作312处由控制器500确定索引i＝n(量子电路100的切片数量)时，该过程继续到步骤/操作318。在步骤/操作318处，量子电路100的执行被确定为完成，并且控制器500可提供量子电路100的执行的结果。例如，控制器500(例如，由处理设备505经由通信接口520等)可提供在量子电路100的执行期间捕获的测量结果。例如，控制器500可提供执行量子电路100的结果，使得用户计算实体10接收执行量子电路100的结果。用户计算实体10然后可以将结果用作到一个或多个过程的输入(例如，以分析执行量子电路等的结果)，使执行量子电路100的结果的至少一部分经由用户计算实体10的用户界面(例如，经由显示器416)显示和/或提供，使执行量子电路100的结果的至少一部分存储在存储器(例如，存储器422、424)等中。

各种实施方案使用具有相对较少数量的潜在噪声量子比特的量子计算机来提供对在本地算子(例如，本地哈密尔顿算子)的影响下模拟域的动力学的技术问题的技术解决方案。例如，各种实施方案允许使用一定量的量子比特(例如，1至500个量子比特、10至100个量子比特、20至50个量子比特等)来模拟在本地算子(例如，本地哈密尔顿算子)的影响下的物理域(例如，大得多的物理域)的动力学，该本地算子在计算上非常昂贵和/或使用经典计算手段难以处理。在各种实施方案中，将量子电路划分成切片并按顺序执行切片允许沿着各种量子比特迹线重新使用物理量子比特，从而减少执行计算(例如，执行量子电路)所需的物理量子比特的数量。各种实施方案有效地减小了正在模拟的系统和/或域的维度。例如，在示例性实施方案中，可仅使用少量(独立于长度L

图5提供了可以结合本发明的实施方案使用的示例性用户计算实体10的例示性示意图。在各种实施方案中，用户计算实体10被配置为允许用户(例如，经由用户计算实体10的用户界面)向量子计算机30提供输入，并且接收、查看来自量子计算机30的输出和/或对输出进行类似处理。

如图5所示，用户计算实体10可包括天线412、发射器404(例如，无线电部件)、接收器406(例如，无线电部件)和处理元件408，该处理元件向发射器404提供信号并从接收器406接收信号。分别提供给发射器404和接收器406以及从发射器和接收器接收的信号可包括根据适用的无线系统的空中接口标准的信令信息/数据，以与各种实体诸如量子计算机30的控制器500等通信。就这一点而言，用户计算实体10可以能够使用一个或多个空中接口标准、通信协议、调制类型和接入类型进行操作。更具体地，用户计算实体10可根据多个无线通信标准和协议中的任一者进行操作。在特定实施方案中，用户计算设备10可以根据多种无线通信标准和协议进行操作，无线通信标准和协议诸如通用分组无线电服务(GPRS)、通用移动电信系统(UMTS)、码分多址2000(CDMA2000)、CDMA2000 1X(1xRTT)、宽带码分多址(WCDMA)、全球移动通信系统(GSM)、增强型数据速率GSM演进(EDGE)、时分同步码分多址(TD-SCDMA)、长期演进(LTE)、演进型通用陆地无线电接入网络(E-UTRAN)、演进数据最优化(EVDO)、高速分组接入(HSPA)、高速下行链路分组接入(HSDPA)、IEEE 802.11(Wi-Fi)、Wi-Fi Direct、802.16(WiMAX)、超宽带(UWB)、红外(IR)协议、近场通信(NFC)协议、Wibree、蓝牙协议、无线通用串行总线(USB)协议和/或任何其他无线协议。

经由这些通信标准和协议，用户计算实体10可使用概念诸如非结构化补充服务信息/数据(USSD)、短消息服务(SMS)、多媒体消息服务(MMS)、双音多频信令(DTMF)和/或用户身份模块拨号盘(SIM拨号盘)来与各种其他实体进行通信。用户计算实体10还可以下载更改、附加组件和更新，例如下载到其固件、软件(例如，包括可执行指令、应用程序、程序模块)和操作系统。

根据一个实施方案，用户计算实体10可包括位置确定方面、设备、模块、功能配件和/或在本文中可互换使用的类似字词。例如，用户计算实体10可包括室外定位方面，诸如适于获取例如纬度、经度、高度、地理编码、航向、方位、方向、速度、UTC、日期和/或各种其他信息/数据的定位模块。在一个实施方案中，该定位模块可通过识别视野范围中卫星的数量和这些卫星的相对位置来获取数据，有时称为星历数据。这些卫星可以是多种不同的卫星，包括LEO卫星系统、DOD卫星系统、欧盟伽利略定位系统、中国北斗卫星导航系统、印度区域导航卫星系统等。另选地，可通过结合各种其他系统(包括蜂窝塔、Wi-Fi接入点等)三角测量用户计算实体10定位来确定位置信息/数据。类似地，用户计算实体10可包括室内定位方面，诸如适于获取例如纬度、经度、高度、地理编码、航向、方位、方向、速度、时间、日期和/或各种其他信息/数据的定位模块。这些室内方面中的一些方面可使用各种定位或位置技术，包括RFID标签、室内信标或发射器、Wi-Fi接入点、蜂窝塔、附近计算设备(例如，智能电话、膝上型电脑)等。例如，此类技术可包括iBeacon、Gimbal临近信标、BLE发射器、近场通信(NFC)发射器等。这些室内定位方面可用于多种设置中以确定某人或某物的位置，精确到英寸或厘米内。

用户计算实体10还可包括用户界面设备，该用户界面设备包括一个或多个用户输入/输出接口(例如，耦接到处理元件408的显示器416和/或扬声器/扬声器驱动器以及耦接到处理元件408的触摸屏、键盘、鼠标和/或麦克风)。例如，用户输出接口可被配置为提供在用户计算实体10上执行和/或可经由用户计算实体访问的应用程序、浏览器、用户界面、仪表板、屏幕、网页、页面和/或在本文中可互换使用的类似字词以使得信息/数据显示或可听地呈现，并且用于经由一个或多个用户输入接口与所述应用程序等进行用户交互。用户输入接口可包括允许用户计算实体10接收数据的多个设备中的任何一个，诸如小键盘418(硬或软)、触摸显示器、声音/语音或运动接口、扫描仪、阅读器或其他输入设备。在包括小键盘418的实施方案中，小键盘418可包括(或使得显示)用于操作用户计算实体10的常规数字按键(0-9)和相关按键(#，*)以及其他按键，并且可包括完整的一组字母按键或可被激活以提供完整的一组字母数字按键的一组按键。除了提供输入之外，用户输入界面还可用于例如激活或去激活某些功能，诸如屏幕保护程序和/或睡眠模式。通过此类输入，用户计算实体10可收集信息/数据、用户交互/输入等。

用户计算实体10还可包括可嵌入和/或可移除的易失性存储装置或存储器422和/或非易失性存储装置或存储器424。例如，非易失性存储器可以是ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存存储器、MMC、SD存储卡、记忆棒、CBRAM、PRAM、FeRAM、RRAM、SONOS、跑道存储器等。易失性存储器可以是RAM、DRAM、SRAM、FPM DRAM、EDO DRAM、SDRAM、DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3SDRAM、RDRAM、RIMM、DIMM、SIMM、VRAM、高速缓存存储器、寄存器存储器等。易失性和非易失性存储装置或存储器可存储数据库、数据库实例、数据库管理系统实体、数据、应用程序、程序、程序模块、脚本、源代码、目标代码、字节代码、编译代码、解译代码、机器代码、可执行指令等，以实现用户计算实体10的功能。

在示例性实施方案中，用户计算实体10可与其他用户计算实体10和/或量子计算机的控制器500通信。

如图6所示，在各种实施方案中，量子计算机30包括控制器30以及一个或多个量子比特管理系统550。例如，一个或多个量子比特管理系统550可包括热控制系统(例如，低温冷却系统)、真空系统(例如，压力控制系统)、量子比特约束系统(例如，在捕获离子量子计算机的情况下，离子阱和连接到离子阱的电压源)，一个或多个门系统(例如，在捕获离子量子计算机的情况下，激光器和对应的光学器件)、测量系统(例如，在捕获离子量子计算机的情况下，包括光学器件、光电探测器等)等。控制器30被配置和/或编程为使得一个或多个量子比特管理系统550根据量子电路操纵和/或演化一个或多个量子比特，从而使量子计算机30能够执行计算、模拟、生成模型等。在各种实施方案中，量子比特管理系统550被配置为控制、包含、操纵、管理和/或导致量子计算机30的一个或多个物理量子比特555的受控演化。

在各种实施方案中，控制器500可包括各种控制器元件，包括处理设备505、存储器510、驱动器控制器元件t15、通信接口520、模拟-数字转换器元件525等。例如，处理设备505可包括可编程逻辑设备(CPLD)、微处理器、协处理实体、专用指令集处理器(ASIP)、集成电路、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、硬件加速器、其他处理设备和/或电路、控制器等。术语电路可指完全硬件实施方案或硬件和计算机程序产品的组合。在示例性实施方案中，控制器500的处理设备505包括时钟和/或与时钟通信。例如，存储器510可包括非暂态存储器，诸如易失性和/或非易失性存储器存储装置，诸如硬盘、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存存储器、MMC、SD存储卡、记忆棒、CBRAM、PRAM、FeRAM、RRAM、SONOS、跑道存储器、RAM、DRAM、SRAM、FPM DRAM、EDO DRAM、SDRAM、DDR SDRAM、DDR2SDRAM、DDR3 SDRAM、RDRAM、RIMM、DIMM、SIMM、VRAM、高速缓存存储器、寄存器存储器等。在各种实施方案中，存储器510可存储对应于量子计算机的量子比特的量子比特记录(例如，在量子比特记录数据存储装置、量子比特记录数据库、量子比特记录表等中)、校准表、可执行队列、计算机程序代码(例如，以一种或多种计算机语言、专用控制器语言等)等。在示例性实施方案中，存储在存储器510中的计算机程序代码的至少一部分的执行(例如，通过处理设备505)使控制器500执行本文描述的用于接收量子电路、执行量子电路(例如，逐个切片)和提供执行量子电路的结果的一个或多个步骤、操作、过程、程序等。

在各种实施方案中，驱动器控制器元件515可包括一个或多个驱动器和/或各自被配置为控制一个或多个驱动器的控制器元件。在各种实施方案中，驱动器控制器元件515可包括驱动器和/或驱动器控制器。例如，驱动器控制器可被配置为使一个或多个对应的驱动器根据由控制器500(例如，由处理设备505)调度和执行的可执行指令、命令等来操作一个或多个对应的驱动器。在各种实施方案中，驱动器控制器元件515可使控制器500能够操作一个或多个量子比特管理系统550以根据量子电路100操纵、管理和/或演化量子计算机的一个或多个物理量子比特555。在各种实施方案中，驱动器可以是激光驱动器；真空部件驱动器；用于控制施加到DC、RF和/或其他电极的电流和/或电压的流动的驱动器，该其他电极用于保持和/或控制、管理和/或演化物理量子比特555；低温和/或真空系统部件驱动器；等等。在各种实施方案中，控制器500包括用于传送和/或接收来自一个或多个光学接收器部件的信号的装置，该一个或多个光学接收器部件诸如相机、MEM相机、CCD相机、光电二极管、光电倍增管等。例如，控制器500可包括一个或多个模拟-数字转换器元件525，该一个或多个模拟-数字转换器元件被配置为从一个或多个光学接收器部件、校准传感器等接收信号。在各种实施方案中，控制器500可包括用于与用户计算实体10进行交互和/或通信的通信接口520。例如，控制器500可包括通信接口520，该通信接口用于从用户计算实体10接收可执行指令、命令集等，以及向用户计算实体10提供从量子计算机30(例如，从光学收集系统)接收的输出和/或处理输出的结果。在各种实施方案中，用户计算实体10和控制器500可经由直接有线和/或无线连接和/或一个或多个有线和/或无线网络进行通信。

应当理解，控制器500的部件中的一个或多个部件可远离其他控制器500部件定位，诸如在分布式系统中。此外，这些部件中的一个或多个部件可被组合，并且执行本文所述的功能的附加部件可包括在控制器500中。因此，控制器500可适于适应各种需要和情况。例如，尽管被描述为单个计算实体，但在示例性实施方案中，控制器30可以是分布式系统和/或包括多个计算实体。例如，在一个示例性实施方案中，控制器500可包括服务器和被配置用于驱动和/或控制一个或多个量子比特管理系统550的操作的定制构建的硬件部件。

本发明所属领域的技术人员在受益于前述描述和相关附图中呈现的教导之后，将想到本文所阐述的本发明的许多修改和其他实施方案。因此，应当理解，本发明不限于所公开的特定实施方案，并且修改和其他实施方案旨在包括在所附权利要求的范围内。尽管本文采用了特定术语，但它们仅以一般性和描述性意义使用，而不是出于限制的目的。