用于执行量子操作的量子计算机的制作方法

本发明涉及一种用于执行量子操作的量子计算机，以及一种用于使用该量子计算机来确定问题的解的装置。进一步地，本发明涉及一种用于使用量子计算机来求解问题的系统、方法和计算机程序产品，以及量子计算机的用途。

背景技术：

1、量子计算机通常是一种全新的计算系统，其允许利用量子力学系统的特殊行为来执行问题计算，而在适当的情况下，普通计算机无法在任何合理的时间内完成这些问题计算。此外，已经表明量子计算机尤其适合于求解与量子力学世界相关的问题，即，可以被转换成量子力学描述的问题。这种问题涉及例如电子结构问题、分子问题、凝聚态问题等。然而，物理量子力学系统的描述之外的问题也可以被转量子力学描述，例如，已知编码和解码问题、复杂分析问题、优化问题等都换成可转化为可以由量子计算机处理的量子力学描述。这种问题的转换示例通常可以例如在文献“quantum algorithms:an overview[量子算法：概述]”中找到，作者montanaro,a.，npj quantum inf 2,15023(2016)。然而，由于弛豫和去相干，以及由于形成量子计算机核心的量子力学系统的控制不完善或由于读出误差，当今现有的量子计算机往往具有对误差的固有敏感性。这些量子力学计算准确性方面的困难与所使用的量子比特(即，包括至少两种状态的量子力学元素)的数量以及量子力学计算的持续时间直接相关，并且还与在量子力学系统上执行的量子比特操作的量直接相关。因此，到目前为止，可以在量子力学计算机上求解的问题往往受到必要的量子力学计算工作的限制。因此，如果能够提供允许在量子计算机上以更高的可靠性计算更复杂的问题的解决方案，则将是有利的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种量子计算机、一种使用该量子计算机的装置、方法和计算机程序产品，以允许在求解问题时提高可靠性和准确性。此外，本发明允许求解更复杂的问题。此外，利用本发明，可以在量子计算机上求解更多种类的问题。特别地，可以在量子计算机上求解包括问题的量的频率相关动态相互作用的问题，比如从应用于问题的扰动理论中得出的问题，例如，利用约束随机相位近似(crpa)得出的问题。

2、在本发明的第一方面，提出了一种用于基于控制信号执行量子操作以在量子计算中确定问题的解的量子计算机，该问题包括第一部分和第二部分，其中，该第一部分包括描述该问题的彼此相互作用的量，并且该第二部分包括描述该问题的彼此不相互作用的量，其中，该量子计算机包括i)费米子操作部分，该费米子操作部分被配置为利用量子元素的量子力学状态来形成可通过对这些量子元素执行的操作进行操纵的量子比特，其中，这些操作与在该问题的量子计算期间要求解的该问题的第二部分相关，ii)玻色子操作部分，该玻色子操作部分被配置为将玻色子场耦合到这些量子元素，其中，这些玻色子场与这些量子元素的耦合可通过与在该问题的量子计算期间要求解的问题的第一部分相关的操作进行操纵，iii)操纵部分，该操纵部分被配置为操纵a)该费米子操作部分，使得基于指示与在该问题的量子计算期间要求解的问题的第二部分相关的操作的控制信号来操纵这些量子元素的状态，以及b)该玻色子操作部分，使得基于指示与要求解的问题的第一部分相关的操作的控制信号来操纵玻色子场与量子元素的耦合，从而执行该问题的量子力学计算，以及iv)读出部分，该读出部分被配置为在对量子元素和玻色子耦合进行操纵以执行量子力学计算之后，测量a)表示相应量子比特的状态的每个量子元素的量子力学状态以及b)玻色子场中的至少一个可观测值，其中，该测量的结果指示该问题的解。

3、由于量子计算机被配置成使得可以通过量子计算机的不同部分来求解问题的不同部分，因此量子计算机的不同专用部分可以实现更可靠的解。特别地，由于问题的各个相互作用的部分不必在与问题的非相互作用的量相同的部分上进行模拟，例如，不必单独利用量子元素来执行相互作用的部分的计算，因此该计算在硬件方面的资源密集程度变低，即，需要更少的纠缠操作，而纠缠操作需要对量子力学系统进行高度控制。

4、此外，由于读出部分被配置为不仅测量表示相应量子比特的状态的每个量子元素的量子力学状态的一个可观测值，而且还测量玻色子场，特别是量子计算机中耦合到相应量子元素的玻色子场的表示的状态，因此可以提供关于问题的相互作用量的附加信息。这为在量子计算机上求解问题提供了额外的自由度。此外，由于玻色子场通常更容易实施并且在硬件实施中提供了更简单的控制概念，因此量子力学计算变得不那么容易出错，从而更加可靠。因此，可以以更高的准确性来求解更复杂的问题。

5、通常，量子计算机可以指量子计算机的任何已知实现方式，其中，将在以下实施例中描述优选的实现方式。例如，量子计算机可以基于超导元素、量子点、光晶格中的中性原子、金刚石中的氮-空位中心、波色-爱因斯坦凝聚体、陷俘离子等。由于多种不同的可能实现方式，量子计算机的不同部分也可以以多种不同的方式实现。例如，在超导量子计算机中，玻色子场可以用电磁谐振器表示，而在离子阱量子计算机中，玻色子场可以表示为陷俘离子的振动模式。优选地，量子计算机是指基于量子门的量子计算机。

6、量子计算机通常被适配成基于控制信号执行量子操作以确定问题的解。量子操作可以指直接或间接地对量子计算机的元素执行的实现问题的量子力学描述(即，可以根据量子力学规则而不是经典物理学来描述)的任何操作。然而，尽管量子计算机的某个元素可以用来实现问题的量子力学描述，即，可以用量子力学规则来描述，但是该元素本身不一定必须指代量子力学系统，例如，原子或离子。例如，尽管在一些实施例中，电磁谐振器被用于表示量子计算机中通常遵循经典物理规则的玻色子场，但是这些谐振器在量子计算机的上下文中也可以被描述为量子力学量。优选地，量子操作包括所有可以直接或间接地影响量子计算机的量子元素(即，量子比特)的状态的操作。例如，通过玻色子场与量子元素之间的耦合，对玻色子场的表示执行的操作也会影响量子元素。因此，对玻色子场表示执行的操作也可以指量子操作。因此，量子操作可以包括直接对量子元素进行的操作，因此也包括对量子比特、对玻色子场以及对玻色子场与量子元素之间的耦合进行的操作。

7、量子计算机执行的操作所基于的控制信号可以例如由用户经由用户界面提供。相应的用户界面可以是在其上提供相应的问题并且被适配成生成相应的控制信号的普通经典计算机。参考本发明的另外的实施例描述了可以被实现为经典计算机并且允许生成相应的控制信号的这种装置的示例。然而，控制信号也可以已经存储在存储单元上，然后仅提供给量子计算机以供进一步执行。

8、量子计算机要求解的问题是指包括第一部分和第二部分的问题，其中，第一部分包括描述问题的彼此相互作用的量，并且第二部分包括描述问题的彼此不相互作用的量。在实施例中，第一部分可以仅由描述问题的彼此相互作用的量构成，和/或第二部分仅由描述问题的彼此不相互作用的量构成。优选地，问题可以以量子力学描述的形式提供，其中，在本说明书中，优选地，第一部分由与费米子相互作用的玻色子场表示并且因此描述问题的彼此相互作用的量，并且第二部分由彼此不相互作用的费米子进行描述并且因此描述问题的不相互作用的量。优选地，描述第一部分问题的量的相互作用是指动态相互作用，即，各个相互作用的量的频率或时间相关的相互作用，其中，该相互作用也可以是滞后或超前的相互作用。进一步地，问题可以包括第三部分，其中，该第三部分还包括描述问题的彼此相互作用的量，特别是彼此静态地相互作用，即，相互作用而使得各个相互作用的量之间的相互作用不存在时间或频率依赖性。问题的第三部分优选地也由量子计算机的费米子操作部分进行处理。因此，在一些实施例中，问题的第三部分可以被视为问题的第二部分的一部分，该部分也由量子计算机的费米子操作部分进行处理。如果问题是以量子力学描述的方式提供的，则问题的第三部分可以指例如静态地相互作用的费米子，例如，指费米子的密度-密度相互作用。

9、费米子操作部分被配置为利用量子元素的量子力学状态，以便形成可通过对量子元素执行的操作进行操纵的量子比特。通常，费米子操作部分可以指量子计算机中允许对量子元素执行操作的任何硬件。例如，费米子操作部分可以包括量子元素本身以及可以用来对量子元素执行操作的部件。然而，费米子操作部分也可以仅指量子计算机中被适配成对量子元素执行操作的硬件部分。在该上下文中，费米子操作部分被适配成使得可以对量子元素执行与在问题的量子计算期间要求解的问题的第二部分相关的操作。因此，费米子操作部分允许对量子元素执行与问题的不相互作用的量相关的操作。例如，如果问题是以量子力学描述的方式描述的，则费米子操作部分优选地被适配成允许对量子元素执行与问题的量子力学描述的不相互作用费米子相关的操作。

10、在问题包括涉及描述问题的量的静态相互作用的第三部分的情况下(其中，在这种情况下，问题的第一部分是指描述问题的量的动态相互作用)，费米子操作部分还可以被配置为对量子元素执行与问题的第三部分相关的操作。

11、玻色子操作部分被配置为将玻色子场耦合到量子元素。通常，玻色子场是指在量子计算机系统的量子力学描述中表示玻色子模式的实体。在量子计算机的一些实现方式中，玻色子场与量子元素之间的耦合可以指表示玻色子场的硬件元素与量子元素之间的硬件感应耦合，使得玻色子元素(即，玻色子场的硬件表示)可以影响量子元素。然而，在量子计算机的其他实现方式中，玻色子场可以由量子元素的可控特定状态(例如，振动模式)来表示，使得不需要附加的硬件部件来直接表示玻色子场。优选地，玻色子场在量子力学描述中是非相互作用的，使得玻色子场的表示也可以被配置为非相互作用。例如，硬件玻色子元素可以被配置为非相互作用，即，不必包括彼此之间的连接或耦合。

12、玻色子操作部分通常可以指允许将玻色子场耦合到量子元素的任何硬件部件，例如，允许对量子元素和/或可选地对玻色子元素执行操作，从而使得将玻色子场与量子元素耦合。在该上下文中，再次注意到，玻色子场本身可以由硬件元素实现，但是也可以被实现为量子计算机的一个或多个元素(例如，量子元素本身)的特定状态。因此，玻色子操作部分可以包括被适配成表示问题的量子计算期间的玻色子场的玻色子元素，以及进一步包括将玻色子元素耦合到量子元素所需的硬件以及允许操纵耦合(优选地是操纵玻色子元素的耦合)的硬件元素。然而，在其他实施例中，玻色子操作部分还可以仅指被适配成允许将玻色子场耦合到量子元素的硬件以及通常允许操纵该耦合的硬件部分。例如，如果量子计算机是指离子阱系统量子计算机，则玻色子场可以由形成量子元素的离子的振动模式来表示，并且该耦合和/或该耦合的操纵可以由控制激光器来提供，这些控制激光器可以向陷俘离子提供具有特定波长的激光。

13、玻色子场与量子元素的耦合可通过与在问题的量子计算期间要求解的问题的第一部分相关的操作进行操纵。因此，特别地，这些操作与描述问题的相互作用的量有关，特别地与描述问题的动态地相互作用的量有关。因此，问题的相互作用的量在量子力学计算系统中被表示为与量子元素相互作用的玻色子场。如果问题是以涉及如上所述的费米子-玻色子系统的量子力学描述的方式来提供的，则相互作用的量可以被映射到玻色子与费米子之间的相互作用。这种相互作用的量的表示允许利用比量子元素本身更容易处理和操纵的硬件部件来表示问题的量的至少一部分。因此，可以减少直接对量子元素执行操作所涉及的量子比特操作，因为原本必须表示量之间的相互作用的量子比特操作可以用对耦合和/或玻色子场执行的量子操作来代替。由于对量子元素执行的量子比特操作的数量与问题的解的准确性相关，因此通过利用经耦合的玻色子场来求解具有相互作用的量的问题，可以提高相应结果的准确性。

14、操纵部分被配置为a)操纵量子元素的状态，以及b)将玻色子场耦合到量子元素。通常，该操纵是基于控制信号的，这些控制信号指示旨在对量子元素或玻色子场的耦合执行的操作。优选地，基于指示与问题的第二部分相关的操作的控制信号来操纵量子元素，并且基于指示与问题的第一部分相关的操作的控制信号来操纵玻色子场的耦合。操纵部分通常可以指被配置为基于控制信号操纵量子元素的各个状态或玻色子场的耦合的任何硬件。因此，操纵部分可以被视为是指a)用于提供控制信号的软件和/或硬件部件与b)实现量子计算的量子计算机的费米子操作部分和玻色子操作部分之间的接口。例如，操纵部分可以指费米子操作部分和/或玻色子操作部分的控制器。在量子计算机是指其中通过激光器对离子执行操作的离子阱的情况下，操纵部分可以被实现为激光器的控制器。

15、读出部分被配置为在所执行的量子力学计算之后测量表示相应量子比特的状态的每个量子元素的量子力学状态的至少一个可观测值，并且进一步测量玻色子场，即，测量量子力学计算中玻色子场的表示的状态，例如，玻色子元素的状态或表示玻色子场的量子元素的特定状态。通常，由读出部分测量的一个或多个可观测值取决于量子计算机的相应实现方式。例如，如果量子计算机是指离子阱，则针对量子元素测量的可观测值可以指相应量子元素的电子态，而针对玻色子场的可观测值可以指离子阱中的离子的相应振动模式。然而，还根据问题的不同，各个系统的能量也可以作为可观测值进行测量。通常，相应可观测值的测量结果指示问题的解。特别地，取决于问题到量子力学描述的转换，测量结果可以在进一步计算中被利用或者可以从量子力学解转换回问题的相应“真实世界”解。

16、在实施例中，量子计算机进一步包括控制单元，该控制单元被配置为提供控制信号以控制操纵部分来操纵a)费米子操作部分，使得基于与在问题的量子计算期间要求解的问题的第二部分相关的操作来操纵量子元素的状态，以及b)玻色子操作部分，使得基于与要求解的问题的第一部分相关的操作来操纵玻色子场与量子元素的耦合，从而执行问题的量子力学计算。通常，控制单元可以被实现为专用硬件和/或软件，该专用硬件和/或软件被适配成将如以上定义的控制信号提供给操纵单元，其中，该操纵单元可以被视为充当提供特定控制信号的控制单元与量子计算机的费米子操作部分和玻色子操作部分之间的接口。然而，控制单元和操纵单元还可以被实现为组合了该控制单元和该操纵单元的功能的同一硬件和/或软件。例如，控制单元可以被配置为向操纵单元提供控制信号，这些控制信号基于针对要由量子计算机求解的特定问题所确定的操作，该操纵单元然后操纵费米子操作部分和玻色子操作部分来执行这些操作。此外，因为控制单元提供针对问题的第二部分专门确定的控制信号，这些控制信号专用于操纵费米子操作部分的量子元素的状态；和/或进一步提供针对问题的第一部分确定的控制信号，这些控制信号专用于操纵玻色子场的耦合和可选地玻色子场本身的耦合，因此由相应的控制信号控制的硬件部分可以相应地被视为费米子操作部分和/或玻色子操作部分的一部分。因此，如上所定义的，对量子计算机的相应硬件部件的控制可以定义量子计算机的哪些部分属于费米子操作部分以及量子计算机的哪些部分属于玻色子操作部分。在该上下文中，应注意，量子计算机的一些部分甚至可以被视为既属于费米子操作部分也属于玻色子操作部分。

17、在实施例中，玻色子场与量子元素的玻色子耦合被配置为可适配成在量子计算期间表示问题的第一部分的量的特定耦合，其中，操纵部分进一步被配置为适配该耦合。在该上下文中，对玻色子场与量子元素的耦合的操纵被视为是指提供和控制这种耦合的一般可能性，例如，通过利用量子操作来确定哪些玻色子场应当耦合到哪些量子元素的可能性，以及对玻色子场的耦合以及可选地对玻色子场本身执行操作的可能性。对玻色子场与量子元素的耦合的适配是指以下可能性：在量子力学计算之前或期间，例如，通过执行相应的操作或通过适配硬件设置(例如，利用开关)来专门适配玻色子场对其耦合到的至少一个量子元素的影响。如何确定玻色子场对量子元素的影响通常基于量子计算机的相应实现方式。例如，在离子阱量子计算机的情况下，其中玻色子场由离子的振动模式表示，由离子的电子态表示的对量子元素的影响可以通过控制离子的环境进行控制，例如，通过利用激光器，使得可以适配从振动模式到电子态的能量转移。然而，在量子计算机的其他实现方式中，可以以其他方式控制玻色子场对其所耦合的量子元素的影响。

18、在实施例中，玻色子操作部分被配置为将至少一个玻色子场耦合到形成量子比特的每个量子元素。在优选实施例中，玻色子操作部分被配置为将一个以上玻色子场耦合到形成量子比特的每个量子元素，优选地，将四个玻色子场耦合到每个量子元素。进一步优选地，操作部分被配置为将玻色子场耦合到形成量子比特的仅一个量子元素。因此，每个量子元素可以耦合到仅耦合到一个量子元素的一个或多个专用玻色子场。这具有以下优点：可以更准确地控制玻色子场与量子元素之间的相互作用，使得可以避免无意的相互作用。由于无意的相互作用可能导致量子力学计算中的不准确性或误差，因此这允许提高量子力学计算的结果的准确性。

19、在下文中，将描述如上定义的量子计算机和量子计算机的各个定义部分的优选替代实施例。在第一优选替代方案中，量子计算机是指超导量子计算机，其中，量子元素被实现为超导电路，并且通过提供电磁谐振器来将玻色子场耦合到这些量子元素，这些电磁谐振器优选地也基于超导技术，并经由电磁场耦合到这些超导电路。优选地，在该实施例中，玻色子操作部分包括作为玻色子元素的谐振器，其中，谐振器的电磁场表示量子力学计算期间的玻色子场。特别地，耦合到超导电路的电磁谐振器是指专门提供用于表示玻色子场的附加电磁谐振器。在该上下文中，应注意，在超导量子计算机中用于测量超导量子元素的状态(即，用于读出量子比特)的电磁谐振器(例如，被视为读出单元的一部分)通常不能被用于表示玻色子场。在读出谐振器上执行的各个读出操作将破坏该谐振器所表示的玻色子场的状态以及在读出期间玻色子场与量子元素的耦合，从而使读出结果不可靠。因此，提供与超导电路的耦合以将玻色子场耦合到量子元素的电磁谐振器不是指用于读出超导电路的电磁谐振器，因此是附加的电磁谐振器。在该实施例中，玻色子耦合部分可以包括或利用微波源来操纵由谐振器生成的电磁场，从而用于表示玻色子场。此外，微波源还可以用于操纵由谐振器生成的电磁场与形成量子元素的超导电路之间的耦合。

20、在第二替代优选实施例中，量子计算机是指离子阱量子计算机，其中，量子元素被实现为陷俘在离子阱中的离子，并且玻色子场与这些量子元素的耦合被实现为这些陷俘离子的振动模式与形成量子比特的这些陷俘离子的电子态的耦合。在该实施例中，玻色子操作部分可以包括或利用激光器来操纵离子的电子态(即，模式)与振动模式之间的耦合。例如，利用具有与模式处于谐振或接近谐振的相应波长(即，频率)和振幅的激光，可以打开或关闭耦合，或者可以操纵耦合的强度。特别地，电子模式和振动模式的耦合是指这些模式之间的能量转移。因此，如果不存在耦合，则在模式之间基本上没有能量转移，而如果存在耦合，则所转移的能量的量决定该耦合的强度。优选地，激光器被适配成是可调的，特别地，该激光器可以被调谐到量子力学问题描述的谐振频率，即，离子阱的量子元素的谐振频率。在该上下文中使用的谐振优选地是指载流子跃迁谐振、红边带谐振和蓝边带谐振。载流子跃迁谐振是指陷俘离子在量子计算机计算中使用的电子态之间的跃迁频率，而无需启动离子的振动模式之间的能量转移。红边带跃迁谐振是指允许能量从离子的电子态转移到离子阱中的离子的振动模式(反之亦然)的频率。蓝边带跃迁谐振是指这样的频率：允许同时从离子的较低能量电子态激发到离子的较高能量电子态并增加振动模式下的激发，或者允许同时从离子的较高能量电子态跃迁到离子的较低能量电子态并减少振动模式下的激发，使得可以同时对两者进行操纵。

21、在第三替代优选实施例中，量子计算机可以指任何一种类型的量子计算机，并且在这种情况下，通过对形成量子比特且用于表示玻色子场的量子元素执行附加耦合操作以及将玻色子场耦合到量子元素来实现玻色子耦合。在这个实施例中，优选地，用于表示玻色子场的量子元素彼此耦合，使得可以应用双量子比特操作，并且表示相应玻色子场的量子元素中的至少一个量子元素耦合到表示相互作用的费米子的量子元素，即，费米子与相应玻色子场相互作用，使得可以表示第一部分。与例如没有玻色子场的全相互作用费米子计算相比，利用这种耦合配置允许降低对量子计算机的硬件的控制和操纵要求。此外，与用其他耦合配置模拟问题相比，在这种配置中可以减少用于执行问题的量子力学计算的电路深度，即，可以减少必须应用于模拟玻色子场的量子操作的数量。

22、在本发明的另一方面，提出了一种用于提供控制信号来控制量子计算机以优选地使用如上所述的量子计算机在量子计算中确定问题的解的装置，该问题包括第一部分和第二部分，其中，该第一部分包括描述该问题的彼此相互作用的量，并且该第二部分包括描述该问题的彼此不相互作用的量，其中，该装置包括i)问题提供单元，该问题提供单元用于提供指示要求解的包括该第一部分和该第二部分的问题的问题描述，ii)转换单元，该转换单元用于将该问题描述转换成指示操作序列的代表性操作描述，该操作序列包括a)要应用于该量子计算机的费米子操作部分的第二操作以及b)要应用于该量子计算机的玻色子操作部分的第一操作，其中，这些第一操作是基于该问题的第一部分确定的，并且这些第二操作是基于该问题的第二部分确定的，iii)控制单元，该控制单元用于生成控制信号来控制该量子计算机的操纵部分以操纵a)该费米子操作部分，使得基于这些第二操作来操纵这些量子元素的状态，以及b)该玻色子操作部分，使得基于这些第一操作来操纵这些玻色子场与这些量子元素的耦合，从而执行该问题的量子力学计算，其中，该控制单元进一步被适配成提供控制信号来控制该量子计算机的读出部分，以在执行该量子力学计算之后读出指示该问题的解的一个或多个可观测值，以及可选地iv)结果确定单元，该结果确定单元用于基于一个或多个读出的可观测值来确定该问题的解。

23、通常，该装置可以以软件或硬件或其组合的形式实现，其中，硬件可以指任何已知的专用或通用的经典计算机硬件。例如，该装置可以被实现为任何已知的计算设备，如pc。然而，该装置还可以被实现为云环境、计算网络等，使得该装置的至少一部分也可以被实现为网络解决方案，从而可以分布在多个计算设备上。该装置被适配成优选地使用关于上述任一实施例的量子计算机来执行量子计算以确定问题的解。然而，量子计算机不是装置本身的一部分。

24、问题提供单元适于提供指示要求解的包括该第一部分和该第二部分的问题的问题描述。特别地，问题提供单元可以指其上已经存储了问题描述的存储单元。然而，问题提供单元还可以包括输入单元，例如，用户可以利用该输入单元向问题提供单元指示问题的问题描述。问题描述可以指任何形式的问题描述，其允许确定描述问题的量以及这些量之间相互作用的形式。优选地，问题描述是指问题的数学描述。然而，问题描述还可以指问题的任何其他明确的符号形式。在优选实施例中，问题描述是问题的量子力学描述。量子力学描述允许用遵循量子力学规则的量来表示问题，即，在量子力学世界中表示问题。

25、转换单元被适配成将问题描述转换成代表性操作描述。特别地，转换单元被适配成根据问题描述确定代表性操作描述，使得该代表性操作描述包括量子计算机为执行量子计算而要执行的操作序列。特别地，该操作序列包括a)要应用于量子计算机的费米子操作部分的量子元素的第二操作，以及b)第一操作，这些第一操作要应用于玻色子场与量子元素的耦合以及可选地要应用于由量子计算机的玻色子操作部分提供的玻色子场本身的表示。因此，通过将操作序列划分到量子计算机的不同部分来划分问题。遵循以上已经描述的量子计算机的思想，特别地，第一操作是基于问题的第一部分来确定的，并且第二操作是基于问题的第二部分来确定的。因此，量子计算机的费米子操作部分用于执行与问题的非相互作用的量相关的操作，并且玻色子操作部分用于执行与问题的相互作用的部分相关的操作。在该问题进一步包括第三部分的情况下(该第三部分涉及描述问题的静态地相互作用的量)，转换单元可以进一步被适配成将问题描述转换成包括操作序列的代表性操作描述，该操作序列包括进一步的第三操作，这些第三操作是基于问题的第三部分来确定的并且也将应用于费米子操作部分的量子元素。

26、在问题描述不是以量子力学描述的形式提供的情况下，转换单元优选地进一步被适配成相应地转换该问题描述，例如，以将该问题描述映射到通常可以由相应选择的量子计算机模拟的量子力学系统的描述，例如，通过将该问题描述映射到量子力学系统的哈密顿量，该哈密顿量定义了与该问题类似的量之间的关系和对这些量的影响。因此，例如，涉及优化用于生产产品的生产参数(如温度、压力、流速等)的领域的优化问题可以被转换成表示量子计算机的量子力学世界中的问题的量子力学描述。在这种情况下，例如，可以将ising模型用于该转换。然而，如果该问题已经涉及量子力学问题，例如，电子结构问题，则可以省略将该问题转换成量子力学描述的这个具体步骤。通常，转换单元可以被适配成基于针对特定问题类别的预定规则或预定模型来转换问题描述，或者可以被适配成基于用户输入在交互过程中转换问题描述。在交互过程的情况下，例如，可以向用户提供用户界面，该用户界面允许用户选择不同的问题类别(如优化问题、电子结构问题等)以确定所提供的问题的类别，并且可以进一步选择将被应用于转换所提供的问题的相应规则集或模型。然而，用户界面还可以促进其他交互以对问题进行转换。此外，为了转换所提供的问题，转换单元还可以被适配成访问其上已经存储了针对特定问题的转换的存储装置，例如，针对之前例如针对不同的参数已经求解过的问题。

27、控制单元被配置为根据所确定的操作序列生成控制信号以用于控制量子计算机的操纵部分。通常，如果量子计算机本身已经提供了控制单元，该控制单元被适配成控制操纵部分，使得基于第二操作来操纵量子元素的状态并且基于第一操作来操纵玻色子场的耦合，则可以省略该装置的控制单元。在这种情况下，转换单元仅向已经是量子计算机的一部分(例如，以专用硬件的形式)的控制单元提供所确定的操作序列。然而，控制单元还可以被适配成与量子计算机的控制单元一起工作。例如，该装置的控制单元可以被适配成以通常已知的形式提供控制信号，而量子计算机的控制单元可以被适配成将通用控制信号转换成特定于相应量子计算机的硬件的专用控制信号。因此，控制单元可以被视为是指量子计算机(特别是量子计算机的硬件)与在通常已知的经典计算机上运行的用于求解相应问题的软件之间的接口。进一步地，控制单元被适配成控制量子计算机的读出部分，使得在执行量子力学计算之后测量(即，读出)一个或多个可观测值。特别地，控制单元被适配成接收读出部分的读数并且将该读数提供给例如结果确定单元，该结果确定单元可以是经典计算环境的一部分。因此，同样对于读出来说，控制单元与读出部分一起可以充当经典电子计算机环境与量子计算机之间的接口。

28、结果确定单元被适配成基于一个或多个读出的可观测值来确定问题的解。例如，结果确定单元可以被适配成将指示问题的代表性量子力学描述的解的一个或多个读出的可观测值转换成问题描述中的相应解，例如，利用将问题描述转换成代表性量子力学描述所使用的相同转换方式。附加地或可替代地，结果确定单元可以被适配成基于一个或多个读出的可观测值来执行进一步的计算或操纵，以确定问题的解。例如，可以基于一个或多个读出的可观测值来应用平均过程、纠错过程、进一步地优化过程等以确定问题的解。通常，问题的解然后可以例如经由输出单元(如显示器)提供给用户，或者可以被进一步用于例如通过相应的经优化的生产参数直接控制产品的生产。

29、在实施例中，问题提供单元被适配成提供指示问题的问题描述，该问题描述包括具有描述该问题的相互作用的量的部分，其中，该系统进一步包括变换单元，该变换单元被适配成将该问题描述的相互作用的部分变换成包括第一部分和第二部分的问题描述。取决于相应的问题描述，变换单元可以利用例如数学方法和/或近似或逻辑函数来确定问题的描述，从而允许将相互作用分割成第一部分和第二部分。例如，问题的相互作用的量可以被变换成新的量，其中一些是相互作用的，而另一些是非相互作用的。附加地或可替代地，可以对问题描述应用近似，从而将相互作用的量中的至少一些近似为非相互作用的量。通常，将问题从纯相互作用的问题变换成可以以第一部分和第二部分的形式描述的问题允许以最佳方式利用量子计算机的上述硬件，从而减少对量子计算机本身的量子元素执行的操作。与尝试在不进行变换的情况下通过模拟相互作用的量来直接求解问题的情况相比，这可以提高准确性并简化技术。

30、在优选实施例中，问题描述可通过包括费米子-费米子相互作用的量子力学描述来表示，并且变换单元被适配成将该问题描述变换成可通过包括玻色子-费米子相互作用作为该问题的第一部分且包括非相互作用的费米子作为该问题的第二部分的量子力学描述来表示的问题描述。此外，非相互作用的玻色子场的表示也可以被视为问题的第一部分的一部分。通常，该变换优选地被适配成将问题的量子力学描述的费米子-费米子相互作用变换成费米子-玻色子相互作用，从而限定费米子-费米子相互作用、玻色子场谐振频率和费米子-玻色子场耦合强度之间的联系。可选地，经变换的量子力学描述可以进一步包括静态地相互作用的费米子作为第三部分。例如，问题描述可以直接被提供为与费米子-费米子相互作用问题相关的量子力学描述，或者，问题描述通常可以用与费米子-费米子相互作用问题相关的量子力学描述来表示。在变换单元变换问题之前，优选地，变换单元被适配成将问题描述转换成量子力学描述，使得变换单元可以被适配成利用相应的量子力学规则和算法来变换问题。然而，变换单元还可以被适配成以明确描述问题的任何其他形式或符号来变换问题描述，其中，在这种情况下，所利用的相应变换可以基于已经从量子力学描述中的问题的量子力学变换中推导出的规则。在优选实施例中，变换单元被适配成通过利用hubbard-stratonovich变换来对涉及包括费米子-费米子相互作用的量子力学描述的问题描述进行变换。然而，也可以利用其他已知的变换算法。

31、在实施例中，问题描述至少包括可通过包括静态费米子-费米子相互作用作为第三部分的量子力学描述表示的部分，并且变换单元被适配成通过将约束随机相位近似(crpa)应用于问题的量子力学描述来近似问题的这些部分。这允许减少在问题的量子力学计算期间必须模拟的费米子态的数量，从而还允许减少在计算中使用的操作数量和量子元素的数量。因此，可以在量子计算机上计算甚至更复杂且更大的问题，即，由更多数量的费米子态表示的问题。通常，crpa允许对积极参与问题求解的费米子与可以被视为积极参与的费米子的一般背景的费米子进行区分。例如，如果要在问题中模拟不同分子之间的反应，则只有外轨道(即，价轨道)中的电子可以被视为积极参与问题求解，而原子的内轨道中的电子则可以被视为仅为外轨道中的电子提供背景。另一个示例是过渡金属氧化物材料，其中只有接近费米能级的窄d态参与计算的活跃部分，而其他电子态则被crpa视为有效的屏蔽背景。在这样的上下文中，应用约束随机相位近似允许将背景费米子(而非单个费米子)描述为与活跃费米子相互作用(特别地，为活跃费米子提供屏蔽效应)的电荷云。

32、在实施例中，问题描述是指量子力学描述，并且转换单元被适配成在转换成代表性操作描述之前将问题的量子力学描述变换成旋转参考系，特别是通过应用旋转波近似。优选地，转换单元被适配成进一步将旋转波近似应用于旋转参考系中的量子力学描述。利用旋转参考系和旋转波近似进行量子力学描述，允许简化由于硬件的不同部分在不同时间尺度上起作用而产生的这些不同时间尺度。例如，根据量子计算机的实际实现方式，费米子操作部分可以在与玻色子操作部分不同的时间尺度上起作用。旋转参考系和旋转波近似允许在问题的量子力学计算期间更容易地同步这些不同的时间尺度。

33、在实施例中，问题描述是指量子力学描述，并且转换单元被适配成在转换成代表性量子描述之前对问题的量子力学描述应用低秩分解。将低秩分解应用于量子力学描述允许减少玻色子场的必要表示的数量，从而使问题的量子力学计算更容易控制和更高效。

34、在实施例中，问题描述至少包括可通过包括具有静态局部费米子相互作用的相互作用簇作为问题的第三部分的量子力学描述表示的部分，这些静态局部费米子相互作用嵌入在到达该簇之外的静态非局部远程相互作用中，并且其中，变换单元被适配成通过利用hubbard-stratonovich变换来近似问题的这些非局部远程部分。通常，可以基于将非局部相互作用与局部相互作用区分开的预定范围参数来确定非局部远程相互作用。然而，问题的相应部分也可以预先确定，例如由用户定义哪些相互作用是指非局部相互作用以及哪些相互作用是指局部相互作用。此外，可以定义，相互作用簇之外的所有相互作用都被称为远程相互作用，使得簇的定义也直接定义了哪些相互作用是远程相互作用。进一步优选地，通过利用量子计算机来计算由所使用的hubbard-stratonovich变换得到的问题的部分，特别是由此得到的传播子项，并且然后将相应的计算结果用于动力学平均场理论(dmft)自一致性循环(即，迭代过程)，以计算完整问题的解。

35、在实施例中，转换单元被适配成将问题描述转换成代表性操作描述，该代表性操作描述通过将操作包括到操作序列中来包括引起玻色子峰展宽的操作，该操作序列利用被配置为操纵玻色子场与量子元素的耦合的辅助量子比特和/或附加的外部电磁场。通常，玻色子场与费米子之间的相互作用是频率相关的，其中，频率依赖性包括相互作用强的范围和相互作用弱的频率范围。相互作用强的频率范围在频率依赖图中形成峰，在本文中被称为玻色子峰。各个峰具有一定的宽度，即，品质因数，该宽度是由问题的量子力学描述的相应公式确定的，并且量子计算机上的表示取决于例如量子计算机的构造和类型。然而，可以通过利用例如被配置为操纵玻色子场与量子元素的耦合的辅助量子比特和/或附加的外部电磁场来操纵(特别是增宽)玻色子峰的宽度，从而操纵品质因数。展宽玻色子峰的优点是，在技术上更容易配置量子计算机，使得可以在量子计算机上实现相应的频率依赖性，例如，如果相互作用的频率范围(即，玻色子峰)更宽，则可以降低对谐振器的技术要求。因此，实现玻色子峰展宽允许降低计算特定问题对量子计算机硬件的技术要求，从而有可能在特定量子计算机上计算更多且不同的问题。

36、在本发明的另一方面，提出了一种用于在量子计算中确定问题的解的系统，其中，该系统包括i)如上所述的量子计算机，以及ii)如上所述的装置，其中，该装置进一步包括结果确定单元，该结果确定单元用于基于一个或多个读出的可观测值来确定该问题的解。

37、在本发明的另一方面，提出了一种用于提供控制信号来控制量子计算机以使用如上所述的量子计算机在量子计算中确定问题的解的方法，该问题包括第一部分和第二部分，其中，该第一部分包括描述该问题的彼此相互作用的量，并且该第二部分包括描述该问题的彼此不相互作用的量，其中，该方法包括i)提供指示要求解的包括该第一部分和该第二部分的问题的问题描述，ii)将该问题描述转换成指示操作序列的代表性操作描述，该操作序列包括a)要应用于该量子计算机的费米子操作部分的第二操作以及b)要应用于该量子计算机的玻色子操作部分的第一操作，其中，这些第一操作是基于该问题的第一部分确定的，并且这些第二操作是基于该问题的第二部分确定的，iii)生成控制信号来控制该量子计算机的操纵部分以操纵a)该费米子操作部分，使得基于这些第二操作来操纵这些量子元素的状态，以及b)该玻色子操作部分，使得基于这些第一操作来操纵这些玻色子场与这些量子元素的耦合，从而执行该问题的量子力学计算，iv)提供控制信号来控制该量子计算机的读出部分，以在执行该量子力学计算之后读出指示该问题的解的一个或多个可观测值，以及可选地v)基于一个或多个读出的可观测值来确定该问题的解。

38、在本发明的另一方面，提出了一种用于提供控制信号来控制量子计算机以确定问题的解的计算机程序产品，其中，该计算机程序产品包括用于使如上所述的装置执行如上所述的方法的程序代码装置。

39、在本发明的另一方面，提出了如上所述的量子计算机、如上所述的装置、如上所述的系统、如上所述的方法、以及如上所述的计算机程序产品用于求解涉及电子结构问题的问题的用途。特别地，电子结构问题可以指分子问题和凝聚态问题。优选地，这些分子问题包括涉及以下中的至少一项的问题：含有过渡金属(包括镧系元素和锕系元素)的金属有机化合物、与金属相互作用的螯合剂、催化剂、具有活性中心的生物分子、大分子体系以及溶液中或嵌入环境中的过渡金属化合物。优选地，凝聚态问题包括涉及以下中的至少一项的问题：过渡金属氧化物和稀土元素(例如，钙钛矿，例如，用于固体氧化物燃料电池)、基于氧化物的电池阴极、用于电动发动机的硬磁体、用于燃料电池的催化剂、用于传感器的过渡金属异质结构、用于自旋电子的磁半导体夹层结构以及高温超导体。

40、应当理解，如上所述的装置、如上所述的系统和如上所述的计算机程序产品具有相似和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所定义的。

41、应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求或上述实施例与相应独立权利要求的任意组合。

42、本发明的这些和其他方面将参考下文描述的实施例变得显而易见并且得以阐明。