用于量子计算使能的分子从头算模拟的方法和系统与流程

技术特征：
1.一种用于执行化学系统的量子机械能或电子结构计算的方法，所述方法由混合计算单元来实现，所述混合计算单元包括至少一个经典计算机和包括多个非经典计算机的分布式计算系统，所述方法包括：(a)将所述化学系统的构象集合内的至少一种构象分解成多个分子片段；(b)使用所述混合计算单元确定所述多个分子片段的至少一个子集的量子机械能或电子结构；(c)组合(b)中确定的所述量子机械能或电子结构；以及(d)电子形式地输出指示在(c)中组合的所述量子机械能或电子结构的报告。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个非经典计算机包括至少一个量子计算机。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个量子计算机包括选自以下的一个或多个组件：量子硬件设备和量子电路的经典模拟器。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个非经典计算机包括不同类型的非经典计算机。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述量子机械能中的量子机械能包括核-核排斥能。6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括向所述混合计算单元提供输入，所述输入包括用于所述化学系统的一组原子坐标。7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括对所述化学系统的构象的所述集合内的两个或更多个构象执行(a)-(c)。8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括对所述多个分子片段的所述至少子集的所述组合的量子机械能或电子结构进行分类。9.根据权利要求1所述的方法，其中(a)包括应用选自以下的一个或多个组件：碎片分子轨道理论(fmo)方法、分治算法(dc)方法、密度矩阵嵌入理论(dmet)方法、密度矩阵重整化群(dmrg)方法、张量网络和增量方法。10.根据权利要求1所述的方法，其中(b)包括：确定所述多个分子片段的所述至少子集的分子片段的费米哈密顿量；将所述费米哈密顿量转换为等效的量子位哈密顿量；将所述量子位哈密顿量转换为量子电路；并且使用所述量子电路确定所述分子片段的量子机械能或电子结构。11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括使用分子哈密顿量确定所述量子机械能或电子结构。12.根据权利要求10所述的方法，进一步包括使用电子哈密顿量确定所述量子机械能或电子结构。13.根据权利要求10所述的方法，其中将所述费米哈密顿量转换为等效的量子位哈密顿量包括将哈密顿量的费米运算符转换为量子位运算符。14.根据权利要求1所述的方法，进一步包括执行所述化学系统的从头算分子动力学(aimd)模拟。15.根据权利要求14所述的方法，其中所述aimd模拟包括：在(a)之前，获得化学系统的指示，所述指示包括所述化学系统中多个粒子的每个粒子
的坐标和所述化学系统中每个粒子的速度；并且在(c)之后：(i)从所述组合的能量或电子结构确定所述化学系统中每个粒子上的力；(ii)更新所述化学系统中所述每个粒子的所述坐标和所述化学系统中所述每个粒子的所述速度；并且(iii)电子形式地输出指示所述坐标或所述速度的报告。16.根据权利要求15所述的方法，其中(i)包括将用于数值梯度估计的jordan量子算法应用于所述量子机械能或电子结构。17.根据权利要求15所述的方法，其中(ii)包括应用选自以下的一个或多个组件：verlet程序、velocity verlet程序、辛积分、runge-kutta积分和beeman积分。18.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述多个片段中的一个或多个分派到一个或多个远程端点，并从所述一个或多个远程端点接收所述量子机械能或电子结构。19.根据权利要求18所述的方法，其中所述一个或多个远程端点中的至少一个包括非经典计算机。20.根据权利要求18所述的方法，其中所述一个或多个远程端点包括云计算系统的部分。21.根据权利要求1所述的方法，还包括，在(a)之前，从客户端库接收所述至少一个构象并且将所述至少一个构象分派到第一远程端点。22.根据权利要求21所述的方法，其中(a)和(c)中的至少一个发生在所述第一远程端点处。23.根据权利要求22所述的方法，还包括将所述多个片段中的一个或多个分派到一个或多个远程第二端点，并从所述第二一个或多个远程端点接收所述量子机械能或电子结构。24.根据权利要求23所述的方法，还包括将所述报告传送到所述客户端库。25.根据权利要求23所述的方法，其中所述第二远程端点中的至少一个包括非经典计算机。26.根据权利要求23所述的方法，其中所述一个或多个远程端点包括云计算系统的部分。27.根据权利要求1所述的方法，其中(a)中的所述分解是使用所述至少一个经典计算机执行的。28.根据权利要求1所述的方法，其中(b)中的所述确定是使用所述多个非经典计算机中的至少一个非经典计算机执行的。29.根据权利要求1所述的方法，其中(c)中的所述组合是使用所述至少一个经典计算机执行的。30.一种用于执行化学系统的量子机械能或电子结构计算的系统，包括：可操作地耦合至所述存储器的混合计算单元，其中所述混合计算单元包括至少一个经典计算机和包括多个非经典计算机的分布式计算系统，其中所述混合计算单元被配置为至少：(a)将所述化学系统的构象集合内的至少一种构象分解成多个分子片段；
(b)确定所述多个分子片段的至少一个子集的量子机械能或电子结构；(c)组合(b)中确定的所述量子机械能或电子结构；以及(d)电子形式地输出指示在(c)中组合的所述量子机械能或电子结构的报告。31.根据权利要求30所述的系统，还包括计算机存储器，所述计算机存储器包括用于为所述化学系统执行所述量子机械能或电子结构计算的指令，其中所述混合计算单元被配置为实现所述指令以执行至少(a)-(d)。32.一种包括机器可执行代码的非暂时性计算机可读介质，所述机器可执行代码在由混合计算单元执行时，实现一种用于执行化学系统的量子机械能或电子结构计算的方法，所述混合计算单元包括至少一个经典计算机和包括多个非经典计算机的分布式计算系统，所述方法包括：(a)将所述化学系统的构象集合内的至少一种构象分解成多个分子片段；(b)确定所述多个分子片段的至少一个子集的量子机械能或电子结构；(c)组合(b)中确定的所述量子机械能或电子结构；以及(d)电子形式地输出指示在(c)中组合的所述量子机械能或电子结构的报告。33.一种用于执行化学系统的量子机械能或电子结构计算的方法，所述方法由混合计算单元实现，所述混合计算单元包括分布式计算系统，所述分布式计算系统包括多个经典计算机和至少一个非经典计算机，所述方法包括：(a)将所述化学系统的构象集合内的至少一种构象分解成多个分子片段；(b)使用所述混合计算单元确定所述多个分子片段的至少一个子集的量子机械能或电子结构；(c)组合(b)中确定的所述量子机械能或电子结构；以及(d)电子形式地输出指示在(c)中组合的所述量子机械能或电子结构的报告。34.根据权利要求33所述的方法，其中所述多个非经典计算机包括至少一个量子计算机。35.根据权利要求34所述的方法，其中所述至少一个量子计算机包括选自以下的一个或多个组件：量子硬件设备和量子电路的经典模拟器。36.根据权利要求33所述的方法，其中所述多个非经典计算机包括不同类型的非经典计算机。37.根据权利要求33所述的方法，其中所述量子机械能中的量子机械能包括核-核排斥能。38.根据权利要求33所述的方法，进一步包括向所述混合计算单元提供输入，所述输入包括用于所述化学系统的一组原子坐标。39.根据权利要求33所述的方法，进一步包括对所述化学系统的构象的所述集合内的两个或更多个构象执行(a)-(c)。40.根据权利要求39所述的方法，进一步包括对所述多个分子片段的所述至少子集的所述组合的量子机械能或电子结构进行分类。41.根据权利要求33所述的方法，其中(a)包括应用选自以下的一个或多个组件：碎片分子轨道理论(fmo)方法、分治算法(dc)方法、密度矩阵嵌入理论(dmet)方法、密度矩阵重整化群(dmrg)方法、张量网络和增量方法。
42.根据权利要求33所述的方法，其中(b)包括：(a)确定所述多个分子片段的所述至少子集的分子片段的费米哈密顿量；(b)将所述费米哈密顿量转换为等效的量子位哈密顿量；(c)将所述量子位哈密顿量转换为量子电路；以及(d)使用所述量子电路确定所述分子片段的量子机械能或电子结构。43.根据权利要求42所述的方法，进一步包括使用分子哈密顿量确定所述量子机械能或电子结构。44.根据权利要求42所述的方法，进一步包括使用电子哈密顿量确定所述量子机械能或电子结构。45.根据权利要求42所述的方法，其中将所述费米哈密顿量转换为等效的量子位哈密顿量包括将哈密顿量的费米运算符转换为量子位运算符。46.根据权利要求33所述的方法，进一步包括执行所述化学系统的从头算分子动力学(aimd)模拟。47.根据权利要求46所述的方法，其中所述aimd模拟包括：在(a)之前，获得化学系统的指示，所述指示包括所述化学系统中多个粒子的每个粒子的坐标和所述化学系统中每个粒子的速度；并且在(c)之后：(i)从所述组合的能量或电子结构确定所述化学系统中每个粒子上的力；(ii)更新所述化学系统中所述每个粒子的所述坐标和所述化学系统中所述每个粒子的所述速度；以及(iii)电子形式地输出指示所述坐标或所述速度的报告。48.根据权利要求47所述的方法，其中(i)包括将用于数值梯度估计的jordan量子算法应用于所述量子机械能或电子结构。49.根据权利要求47所述的方法，其中(ii)包括应用选自以下的一个或多个组件：verlet程序、velocity verlet程序、辛积分、runge-kutta积分和beeman积分。50.根据权利要求33所述的方法，还包括将所述多个片段中的一个或多个分派到一个或多个远程端点，并从所述一个或多个远程端点接收所述量子机械能或电子结构。51.根据权利要求50所述的方法，其中所述一个或多个远程端点中的至少一个包括非经典计算机。52.根据权利要求50所述的方法，其中所述一个或多个远程端点包括云计算系统的部分。53.根据权利要求33所述的方法，还包括，在(a)之前，从客户端库接收所述至少一个构象，并且将所述至少一个构象分派到第一远程端点。54.根据权利要求53所述的方法，其中(a)和(c)中的至少一个发生在所述第一远程端点处。55.根据权利要求54所述的方法，还包括将所述多个片段中的一个或多个分派到一个或多个远程第二端点，并从所述第二一个或多个远程端点接收所述量子机械能或电子结构。56.根据权利要求55所述的方法，还包括将所述报告传送到所述客户端库。
57.根据权利要求55所述的方法，其中所述第二远程端点中的至少一个包括非经典计算机。58.根据权利要求55所述的方法，其中所述一个或多个远程端点包括云计算系统的部分。59.根据权利要求33所述的方法，其中(a)中的所述分解是使用所述多个经典计算机中的至少一个经典计算机执行的。60.根据权利要求33所述的方法，其中(b)中的所述确定是使用所述至少一个非经典计算机执行的。61.根据权利要求33所述的方法，其中(c)中的所述组合是使用所述多个经典计算机中的至少一个经典计算机执行的。62.一种用于执行化学系统的量子机械能或电子结构计算的系统，包括：可操作地耦合至所述存储器的混合计算单元，其中所述混合计算单元包括分布式计算系统，所述分布式计算系统包括多个经典计算机和至少一个非经典计算机其中所述混合计算单元被配置为至少：(a)将所述化学系统的构象集合内的至少一种构象分解成多个分子片段；(b)确定所述多个分子片段的至少一个子集的量子机械能或电子结构；(c)组合(b)中确定的所述量子机械能或电子结构；以及(d)电子形式地输出指示在(c)中组合的所述量子机械能或电子结构的报告。63.根据权利要求62所述的系统，还包括计算机存储器，所述计算机存储器包括用于为所述化学系统执行所述量子机械能或电子结构计算的指令，其中所述混合计算单元被配置为实现所述指令以执行至少(a)-(d)。64.一种包括机器可执行代码的非暂时性计算机可读介质，所述机器可执行代码在由混合计算单元执行时，实现一种用于执行化学系统的量子机械能或电子结构计算的方法，所述混合计算单元包括分布式计算系统，所述分布式计算系统包括多个经典计算机和至少一个非经典计算机，所述方法包括：(a)将所述化学系统的构象集合内的至少一种构象分解成多个分子片段；(b)确定所述多个分子片段的至少一个子集的量子机械能或电子结构；(c)组合(b)中确定的所述量子机械能或电子结构；以及(d)电子形式地输出指示在(c)中组合的所述量子机械能或电子结构的报告。65.一种用于执行化学系统的量子机械能或电子结构计算的方法，所述方法由混合计算单元实现，所述混合计算单元包括至少一个经典计算机以及包括多个非经典计算机的分布式计算系统，所述方法包括：(a)将所述化学系统的构象集合内的至少一种构象分解成多个分子片段；(b)将所述多个分子片段的子集分派给多个求解器；(c)使用所述多个求解器确定所述多个分子片段的所述子集的多个分子片段的量子机械能或电子结构；以及(d)电子形式地输出指示在(c)中确定的所述量子机械能或电子结构的报告。66.根据权利要求65所述的方法，其中所述多个非经典计算机包括至少一个量子计算机。
67.根据权利要求66所述的方法，其中所述至少一个量子计算机包括选自以下的一个或多个组件：量子硬件设备和量子电路的经典模拟器。68.根据权利要求65所述的方法，其中所述多个非经典计算机包括不同类型的非经典计算机。69.根据权利要求65所述的方法，其中所述量子机械能中的量子机械能包括核-核排斥能。70.根据权利要求65所述的方法，进一步包括向所述混合计算单元提供输入，所述输入包括用于所述化学系统的一组原子坐标。71.根据权利要求65所述的方法，进一步包括对所述化学系统的构象的所述集合内的两个或更多个构象执行(a)-(c)。72.根据权利要求71所述的方法，进一步包括对所述多个分子片段的所述至少子集的所述组合的量子机械能或电子结构进行分类。73.根据权利要求65所述的方法，其中(a)包括应用选自以下的一个或多个组件：碎片分子轨道理论(fmo)方法、分治算法(dc)方法、密度矩阵嵌入理论(dmet)方法、密度矩阵重整化群(dmrg)方法、张量网络和增量方法。74.根据权利要求65所述的方法，其中(c)包括：确定所述多个分子片段的分子片段的费米哈密顿量；将所述费米哈密顿量转换为等效的量子位哈密顿量；将所述量子位哈密顿量转换为量子电路；和使用所述量子电路确定所述分子片段的量子机械能或电子结构。75.根据权利要求74所述的方法，进一步包括使用分子哈密顿量确定所述量子机械能或电子结构。76.根据权利要求74所述的方法，进一步包括使用电子哈密顿量确定所述量子机械能或电子结构。77.根据权利要求74所述的方法，其中将所述费米哈密顿量转换为等效的量子位哈密顿量包括将哈密顿量的费米运算符转换为量子位运算符。78.根据权利要求65所述的方法，进一步包括执行所述化学系统的从头算分子动力学(aimd)模拟。79.根据权利要求78所述的方法，其中所述aimd模拟包括：在(a)之前，获得化学系统的指示，所述指示包括所述化学系统中多个粒子的每个粒子的坐标和所述化学系统中每个粒子的速度；并且在(c)之后：(i)从所述组合的能量或电子结构确定所述化学系统中每个粒子上的力；(ii)更新所述化学系统中所述每个粒子的所述坐标和所述化学系统中所述每个粒子的所述速度；并且(iii)电子形式地输出指示所述坐标或所述速度的报告。80.根据权利要求79所述的方法，其中(i)包括将用于数值梯度估计的jordan量子算法应用于所述量子机械能或电子结构。81.根据权利要求79所述的方法，其中(ii)包括应用选自以下的一个或多个组件：
verlet程序、velocity verlet程序、辛积分、runge-kutta积分和beeman积分。82.根据权利要求65所述的方法，其中所述多个求解器包括一个或多个远程端点。83.根据权利要求82所述的方法，还包括从所述一个或多个远程端点接收所述量子机械能或电子结构。84.根据权利要求82所述的方法，其中所述一个或多个远程端点中的至少一个包括非经典计算机。85.根据权利要求82所述的方法，其中所述一个或多个远程端点包括云计算系统的部分。86.根据权利要求65所述的方法，还包括，在(a)之前，从客户端库接收所述至少一个构象并且将所述至少一个构象分派到第一远程端点。87.根据权利要求86所述的方法，其中(a)和(c)中的至少一个发生在所述第一远程端点处。88.根据权利要求87所述的方法，还包括将所述多个片段中的一个或多个分派到一个或多个远程第二端点，并从所述第二一个或多个远程端点接收所述量子机械能或电子结构。89.根据权利要求88所述的方法，还包括将所述报告传送到所述客户端库。90.根据权利要求88所述的方法，其中所述第二远程端点中的至少一个包括非经典计算机。91.根据权利要求88所述的方法，其中所述一个或多个远程端点包括云计算系统的部分。92.根据权利要求65所述的方法，其中(a)中的所述分解是使用所述至少一个经典计算机执行的。93.根据权利要求65所述的方法，其中(b)中的所述分派是使用所述至少一个经典计算机执行的。94.根据权利要求65所述的方法，其中(b)中的所述分派是使用远离所述至少一个经典计算机的经典计算机执行的。95.根据权利要求65所述的方法，其中(c)中的所述确定是使用所述多个非经典计算机中的至少一个非经典计算机执行的。96.根据权利要求65所述的方法，其中(d)中的所述输出是使用所述至少一个经典计算机执行的。97.一种用于执行化学系统的量子机械能或电子结构计算的系统，包括：可操作地耦合至所述存储器的混合计算单元，其中所述混合计算单元包括分布式计算系统，所述分布式计算系统包括多个经典计算机和至少一个非经典计算机，其中所述混合计算单元被配置为至少：(a)将所述化学系统的构象集合内的至少一种构象分解成多个分子片段；(b)将所述多个分子片段的子集分派给多个求解器；(c)使用所述多个求解器确定所述多个分子片段的所述子集的多个分子片段的量子机械能或电子结构；以及(d)电子形式地输出指示在(c)中确定的所述量子机械能或电子结构的报告。
98.根据权利要求97所述的系统，还包括计算机存储器，所述计算机存储器包括用于为所述化学系统执行所述量子机械能或电子结构计算的指令，其中所述混合计算单元被配置为实现所述指令以执行至少(a)-(d)。99.一种包括机器可执行代码的非暂时性计算机可读介质，所述机器可执行代码在由混合计算单元执行时，实现一种用于执行化学系统的量子机械能或电子结构计算的方法，所述混合计算单元包括分布式计算系统，所述分布式计算系统包括多个经典计算机和至少一个非经典计算机，所述方法包括：(a)将所述化学系统的构象集合内的至少一种构象分解成多个分子片段；(b)确定所述多个分子片段的至少一个子集的量子机械能或电子结构；(c)组合(b)中确定的所述量子机械能或电子结构；以及(d)电子形式地输出指示在(c)中组合的所述量子机械能或电子结构的报告。

技术总结
本公开提供了用于使用经典和非经典(例如，量子)计算的混合架构来计算化学系统的量子机械能和/或电子结构，以及识别化学系统(例如，分子)的稳定构象和/或对化学系统执行从头算分子动力学计算或模拟的方法和系统。算分子动力学计算或模拟的方法和系统。算分子动力学计算或模拟的方法和系统。


技术研发人员：山崎健 阿尔曼
受保护的技术使用者：1QB信息技术公司
技术研发日：2020.05.12
技术公布日：2022/2/28