【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种量子计算，特别地涉及一种基于量子计算的分子动力学模拟方法、装置、设备及介质。
技术介绍
1、分子动力学（molecular dynamics，简称md）是基于经典力学的一种分子模拟方法，通过模拟分子运动的过程，按照分子瞬时的运动状态求解每一个原子的牛顿运动方程和每一个原子的位置和速度，并从运动轨迹中计算得到各种性质。md建立了分子微动力学与其宏观性质（如粘度、颗粒扩散率和热导率）之间的联系，在宏观和微观动力学行为之间架起一座桥梁，广泛应用于材料、能源、化工、生物、医学、激光、电子等众多领域。
2、传统的分子动力学（md）模拟过程通常包括以下几个步骤：首先，确定研究体系中的分子的起始构型，分子的起始构型主要来自实验数据或量子化学计算。例如，大分子通过x射线晶体衍射法或核磁共振波谱法测定可得到分子结构，或根据已知分子结构通过同源建模得到分子结构等，体系中的小分子的构型也可通过量子化学计算得到。在确定起始构型之后确定初始参数，包括原子位置、温度、初始速度等。其中，通常使用l-j（lennard-jones potential）势模型设定原子为fcc晶胞，根据波尔兹曼分布为构成分子的各个原子生成初始速度。另外，在生成各个原子的运动速度之后进行调整，使得体系总体在各个方向上的动量之和为零，即保证体系没有平动位移。而后对模拟体系施加特定的约束条件，当体系内的原子在约束条件下达到平衡后进行样本的采集和分析。由于无法直接解出含有n个粒子的运动方程，常用的方法是通过积分计算来更新每一个时间步的原子位置和速度，并随之更
3、通过前述的分子动力学（md）模拟过程可知，传统模拟方法中需要处理复杂的电子结构问题，并且，在计算包括长程相互作用在内的分子间相互作用能量时，计算复杂度（即模拟中的计算步骤数）随着相互作用分子的数量n的增加以o(n2)增加，因而在传统的模拟方法中，为了获得一定的模拟精确性，需要限制分子的数量n，因而模拟的空间尺度有限。再有，分子为微观粒子，目前传统的模拟方法是建立的经典力学的基础上，无法描述分子系统的量子特性。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术提出了一种基于量子计算的分子动力学模拟方法、装置、设备及介质，用以减少模拟时的复杂度并展现分子的量子特性。
2、根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种基于量子计算的分子动力学模拟方法，其中，由分子链模型表示目标分子系统，所述基于量子计算的分子动力学模拟方法包括以下步骤：
3、基于分子链模型计算目标分子系统中作用于相邻两个分子间的势能；
4、将目标分子系统中的分子处理为无自旋费米子，得到费米子多体问题；
5、基于费米子多体问题中的用于表征相互作用的哈密顿量和所述相邻两个分子间的势能得到相邻两个分子间的量子耦合强度；
6、基于相邻两个分子间的量子耦合强度计算目标分子系统的总哈密顿量；
7、对所述总哈密顿量依次进行傅里叶变换和bogoliubov变换将所述总哈密顿量对角化，并得到对应于不同量子本征态的特征值；
8、构造量子线路，所述量子线路依次包括逆变换模块、相位因子填加模块和变换模块，其中，所述逆变换模块基于初始化后的量子位状态依次执行bogoliubov逆变换和傅里叶逆变换，所述相位因子填加模块基于量子本征态的特征值和给定的目标分子系统演化时间确定的相位对经过傅里叶逆变换操作的量子位状态执行相位因子添加操作，所述变换模块基于经过相位因子添加操作后的量子位状态依次执行傅里叶变换和bogoliubov变换，并输出量子波函数；
9、基于设定的量子线路中的目标分子系统演化时间在量子计算机中执行所述量子线路；
10、按照预置的观测量算符对所述量子线路输出的量子波函数测量，得到与所述目标分子系统演化时间对应的观测量数据。
11、可选地，所述量子计算机为离子阱量子计算机，用于执行量子线路的量子位为离子阱中囚禁的离子。
12、可选地，在量子计算机中执行所述量子线路之前初始化量子计算机中的多个量子位；在执行所述逆变换模块时，以两个相邻量子位为一组，分别对每组中的两个量子位执行bogoliubov逆变换操作；在执行所述变换模块时，在执行完傅里叶变换后，分别对执行bogoliubov逆变换操作时的两个量子位执行bogoliubov变换操作。
13、可选地，所述傅里叶逆变换为快速傅里叶逆变换，所述傅里叶变换为快速傅里叶变换。
14、可选地，基于表达式1-1计算作用于相邻两个分子间的势能：
15、 1-1
16、其中，vint为相邻两个分子间的势能；ɛ0为真空介电常数；q为分子间的偶极矩电荷量；z为分子间电荷中心距离，z1和z2分别为相邻两个分子在分子链中的长度。
17、可选地，进一步通过以下表达式1-2得到相邻两个分子间的量子耦合强度：
18、 1-2
19、其中，m1和m2分别为相邻两个分子的质量，ω1和ω2分别为相邻两个分子的振动频率。
20、可选地，当分子链模型中的分子相同，且分子间距和振动频率相同时，通过以下表达式1-3计算所述分子链的总哈密顿量：
21、 1-3
22、其中，j为相邻两个分子之间的量子耦合强度；ω0为分子振动频率；分别表示第i个分子的产生算符和湮灭算符；分别表示第i+1个分子的产生算符和湮灭算符；
23、对应地，对所述总哈密顿量h依次进行傅里叶变换和bogoliubov变换将所述总哈密顿量对角化，并得到对应于不同量子本征态的特征值的步骤包括：
24、采用傅里叶变换表达式3-1对表达式1-3所示的总哈密顿量进行变换得到如下表达式3-2所示的傅里叶变换形式的总哈密顿量hm：
25、 3-1
26、其中，分别对应于动量空间中分子动量为k的分子的产生算符和湮灭算符，表示第j个分子的湮灭算符；i为虚数单位；l为分子总数；为对应于动量空间中分子动量为-k（此处的负号表示动量方向相反）的分子的产生算符和湮灭算符。
27、 3-2
28、采用表达式3-3和表达式3-4对表达式3-2所示的傅里叶变换形式的总哈密顿量hm进行bogoliubov变换，得到表达式3-5所示的bogoliubov变换形式的总哈密顿量：
29、 3-3
30、 3-本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于量子计算的分子动力学模拟方法，其特征在于，由分子链模型表示目标分子系统，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于量子计算的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述量子计算机为离子阱量子计算机，用于执行量子线路的量子位为离子阱中囚禁的离子。
3.根据权利要求1或2所述的基于量子计算的分子动力学模拟方法，其特征在于，在量子计算机中执行所述量子线路之前初始化量子计算机中的多个量子位；在执行所述逆变换模块时，以两个相邻量子位为一组，分别对每组中的两个量子位执行Bogoliubov逆变换操作；在执行所述变换模块时，在执行完傅里叶变换后，分别对执行Bogoliubov逆变换操作时的两个量子位执行Bogoliubov变换操作。
4.根据权利要求3所述的基于量子计算的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述傅里叶逆变换为快速傅里叶逆变换，所述傅里叶变换为快速傅里叶变换。
5.根据权利要求1或2所述的基于量子计算的分子动力学模拟方法，其特征在于，基于下式计算作用于相邻两个分子间的势能：
6.根据权利要求5所述的基于量子计算的分子动
7.根据权利要求1或6所述的基于量子计算的分子动力学模拟方法，其特征在于，当分子链模型中的分子相同，且分子间距和振动频率相同时，通过下式计算目标分子系统的总哈密顿量H：
8.一种基于量子计算的分子动力学模拟装置，其特征在于，包括：
9.一种计算设备，包括处理器和存储器，其中所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行如权利要求1-7中任一项所述的基于量子计算的分子动力学模拟方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时执行如权利要求1-7中任一项所述的基于量子计算的分子动力学模拟方法。
...【技术特征摘要】
1.一种基于量子计算的分子动力学模拟方法，其特征在于，由分子链模型表示目标分子系统，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于量子计算的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述量子计算机为离子阱量子计算机，用于执行量子线路的量子位为离子阱中囚禁的离子。
3.根据权利要求1或2所述的基于量子计算的分子动力学模拟方法，其特征在于，在量子计算机中执行所述量子线路之前初始化量子计算机中的多个量子位；在执行所述逆变换模块时，以两个相邻量子位为一组，分别对每组中的两个量子位执行bogoliubov逆变换操作；在执行所述变换模块时，在执行完傅里叶变换后，分别对执行bogoliubov逆变换操作时的两个量子位执行bogoliubov变换操作。
4.根据权利要求3所述的基于量子计算的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述傅里叶逆变换为快速傅里叶逆变换，所述傅里叶变换为快速傅里叶变换。
5.根据权利要求1或2所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘键，周旭，周卓俊，罗乐，
申请(专利权)人：国开启科量子技术安徽有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。