一种过渡态的确定方法及装置与流程

1.本发明属于量子计算技术领域，特别是一种过渡态的确定方法及装置。


背景技术：

2.量子计算模拟是一个借助数值计算和计算机科学来仿真遵循量子力学规律的模拟计算，作为一个仿真程序，它依据量子力学的量子比特的基本定律，利用计算机的高速计算能力，刻画量子态的时空演化。
3.随着量子化学理论的不断完善，计算化学已经成了化学工作者解释实验现象、预测实验结果、指导实验设计的重要工具。但是，面对计算化学所涉及的巨大计算量，经典计算机在计算精度、计算尺寸等方面显得能力有限，这就在一定程度上限制了计算化学的发展，由此导致用户对目标分子体系进行模拟计算的应用不强，影响量子化学模拟应用的进一步发展。
4.过渡态对于研究化学反应机理具有重要的作用，过渡态确定后可以推断反应路径，进而计算各步基元反应的活化能和反应速率常数。但通常过渡态是很难找到的，涉及到体系基态能量的计算、基态能量二阶导数的计算以及搜索策略。目前，基于经典计算机已经发展了许多方法来搜索过渡态，但是在经典计算机上模拟时，体系基态能量的计算量随体系电子数目的增加呈指数级增长，经典计算机在计算精度和计算范围上都面临巨大困难；其次，过渡态搜索是一个高维空间的搜索，经典计算在搜索精度和范围上都面临巨大困难。
5.因此，提出一种新的过渡态搜索和确定的方法，以克服上述现有技术中的缺陷，是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种过渡态的确定方法及装置，以解决现有技术中的不足，它通过提出一种新的过渡态的确定方法，利用量子的相关特性，加速搜索过渡态的进程，优化了搜索过渡态的方式并提高速度。
7.本技术的一个实施例提供了一种过渡态的确定方法，所述方法包括：
8.确定分子的试验态，并计算所述分子基态能量相关的参数值；
9.基于所述分子基态能量相关的参数值，确定所述分子的过渡态。
10.可选的，所述确定分子的试验态，并计算所述分子基态能量相关的参数值，包括：
11.根据所述分子的试验态，计算当前所述试验态对应的能量期望；
12.判断所述试验态对应的能量期望是否满足所述分子基态能量的计算终止条件，其中，所述计算终止条件为当前能量期望与前次确定的能量期望的差值符合精度；
13.若是，则将当前所述能量期望作为所述分子的基态能量，并计算所述分子基态能量的梯度、海森矩阵以及所述分子的力常数矩阵，否则，更新所述试验态，计算更新后的试验态对应的能量期望，继续执行所述判断所述试验态对应的能量期望是否满足所述分子基态能量的计算终止条件的步骤，直至获取满足所述计算终止条件的所述分子的基态能量。
14.可选的，所述计算当前所述试验态对应的能量期望，包括：
15.通过以下算式计算试验态对应的能量期望：
[0016][0017]
其中，n表示计算试验态对应能量期望的循环次数，e(n)为当前试验态|ψ(n)》对应的能量期望，为分子的哈密顿量，h
α
为电子积分相关系数，为泡利字符串形式的算符。
[0018]
可选的，所述参数值包括所述分子基态能量的梯度、海森矩阵以及所述分子的力常数矩阵，所述计算所述分子基态能量相关的参数值，包括：
[0019]
根据所述分子的基态能量，计算所述分子基态能量的梯度、所述分子基态能量对应的海森矩阵；
[0020]
利用所述分子基态能量对应的海森矩阵，确定所述分子的力常数矩阵。
[0021]
可选的，所述基于所述分子基态能量相关的参数值，确定所述分子的过渡态，包括：
[0022]
获得所述力常数矩阵的特征值；
[0023]
根据所述力常数矩阵的特征值，确定所述分子的振动频率；
[0024]
利用所述分子的振动频率，确定所述分子的过渡态。
[0025]
可选的，所述利用所述分子的振动频率，确定所述分子的过渡态，包括：
[0026]
若所述分子的振动频率满足第一预设条件，则判断所述分子基态能量的梯度是否满足第二预设条件，所述第一预设条件包括所述分子的振动频率中虚频的个数为1，所述第二预设条件包括所述梯度中每一个分量的绝对值均小于预设梯度闸值；
[0027]
若否，更新所述分子的坐标，并基于更新后的坐标，重新计算所述分子基态能量的梯度、海森矩阵以及所述分子的力常数矩阵，直至获取满足所述第二预设条件的分子基态能量的梯度，并确定所述分子的过渡态。
[0028]
可选的，所述更新所述分子的坐标，包括：
[0029]
通过以下方式更新所述分子的坐标：
[0030][0031]
其中，r
k 1
为更新后的分子坐标，rk为当前分子坐标，为海森矩阵的逆矩阵,为当前分子基态能量的梯度。
[0032]
本技术的又一实施例提供了一种过渡态的确定装置，所述装置包括：
[0033]
第一确定模块，用于确定分子的试验态，并计算所述分子基态能量相关的参数值；
[0034]
第二确定模块，用于基于所述分子基态能量相关的参数值，确定所述分子的过渡态。
[0035]
可选的，所述第一确定模块，包括：
[0036]
第一计算单元，用于根据所述分子的试验态，计算当前所述试验态对应的能量期望；
[0037]
判断单元，用于判断所述试验态对应的能量期望是否满足所述分子基态能量的计算终止条件，其中，所述计算终止条件为当前能量期望与前次确定的能量期望的差值符合精度；
[0038]
更新单元，用于若是，则将当前所述能量期望作为所述分子的基态能量，并计算所述分子基态能量的梯度、海森矩阵以及所述分子的力常数矩阵，否则，更新所述试验态，计算更新后的试验态对应的能量期望，继续执行所述判断所述试验态对应的能量期望是否满足所述分子基态能量的计算终止条件的步骤，直至获取满足所述计算终止条件的所述分子的基态能量。
[0039]
可选的，所述第一确定模块，包括：
[0040]
第二计算单元，用于根据所述分子的基态能量，计算所述分子基态能量的梯度、所述分子基态能量对应的海森矩阵；
[0041]
第一确定单元，用于利用所述分子基态能量对应的海森矩阵，确定所述分子的力常数矩阵。
[0042]
可选的，所述第二确定模块，包括：
[0043]
获得单元，用于获得所述力常数矩阵的特征值；
[0044]
第二确定单元，用于根据所述力常数矩阵的特征值，确定所述分子的振动频率；
[0045]
第三确定单元，用于利用所述分子的振动频率，确定所述分子的过渡态。
[0046]
可选的，所述第三确定单元，包括：
[0047]
判断子单元，用于若所述分子的振动频率满足第一预设条件，则判断所述分子基态能量的梯度是否满足第二预设条件，所述第一预设条件包括所述分子的振动频率中虚频的个数为1，所述第二预设条件包括所述梯度中每一个分量的绝对值均小于预设梯度闸值；
[0048]
更新子单元，用于若否，更新所述分子的坐标，并基于更新后的坐标，重新计算所述分子基态能量的梯度、海森矩阵以及所述分子的力常数矩阵，直至获取满足所述第二预设条件的分子基态能量的梯度，并确定所述分子的过渡态。
[0049]
本技术的又一实施例提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时实现上述任一项中所述的方法。
[0050]
本技术的又一实施例提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以实现上述任一项中所述的方法。
[0051]
与现有技术相比，本发明首先确定分子的试验态，并计算分子基态能量相关的参数值，基于分子基态能量相关的参数值，确定分子的过渡态，它通过提出一种新的过渡态的确定方法，利用量子的相关特性，加速搜索过渡态的进程，优化了搜索过渡态的方式并提高速度。
附图说明
[0052]
图1是本发明实施例提供的一种过渡态的确定方法的计算机终端的硬件结构框图；
[0053]
图2是本发明实施例提供的一种过渡态的确定方法的流程示意图；
[0054]
图3是本发明实施例提供的一种过渡态的确定装置的结构示意图。
具体实施方式
[0055]
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0056]
本发明实施例首先提供了一种过渡态的确定方法，该方法可以应用于电子设备，如计算机终端，具体如普通电脑、量子计算机等。
[0057]
下面以运行在计算机终端上为例对其进行详细说明。图1为本发明实施例提供的一种过渡态的确定方法的计算机终端的硬件结构框图。如图1所示，计算机终端可以包括一个或多个(图1中仅示出一个)处理器102(处理器102可以包括但不限于微处理器mcu或可编程逻辑器件fpga等的处理装置)和用于存储数据的存储器104，可选地，上述计算机终端还可以包括用于通信功能的传输装置106以及输入输出设备108。本领域普通技术人员可以理解，图1所示的结构仅为示意，其并不对上述计算机终端的结构造成限定。例如，计算机终端还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。
[0058]
存储器104可用于存储应用软件的软件程序以及模块，如本技术实施例中的过渡态的确定方法对应的程序指令/模块，处理器102通过运行存储在存储器104内的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的方法。存储器104可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器104可进一步包括相对于处理器102远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至计算机终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0059]
传输装置106用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括计算机终端的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输装置106包括一个网络适配器(network interface controller，nic)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输装置106可以为射频(radio frequency，rf)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。
[0060]
需要说明的是，真正的量子计算机是混合结构的，它包含两大部分：一部分是经典计算机，负责执行经典计算与控制；另一部分是量子设备，负责运行量子程序进而实现量子计算。而量子程序是由量子语言如qrunes语言编写的一串能够在量子计算机上运行的指令序列，实现了对量子逻辑门操作的支持，并最终实现量子计算。具体的说，量子程序就是一系列按照一定时序操作量子逻辑门的指令序列。
[0061]
在实际应用中，因受限于量子设备硬件的发展，通常需要进行量子计算模拟以验证量子算法、量子应用等等。量子计算模拟即借助普通计算机的资源搭建的虚拟架构(即量子虚拟机)实现特定问题对应的量子程序的模拟运行的过程。通常，需要构建特定问题对应的量子程序。本发明实施例所指量子程序，即是经典语言编写的表征量子比特及其演化的程序，其中与量子计算相关的量子比特、量子逻辑门等等均有相应的经典代码表示。
[0062]
量子线路作为量子程序的一种体现方式，也称量子逻辑电路，是最常用的通用量子计算模型，表示在抽象概念下对于量子比特进行操作的线路，其组成包括量子比特、线路
(时间线)，以及各种量子逻辑门，最后常需要通过量子测量操作将结果读取出来。
[0063]
不同于传统电路是用金属线所连接以传递电压信号或电流信号，在量子线路中，线路可看成是由时间所连接，亦即量子比特的状态随着时间自然演化，在这过程中按照哈密顿运算符的指示，一直到遇上逻辑门而被操作。
[0064]
一个量子程序整体上对应有一条总的量子线路，本发明所述量子程序即指该条总的量子线路，其中，该总的量子线路中的量子比特总数与量子程序的量子比特总数相同。可以理解为：一个量子程序可以由量子线路、针对量子线路中量子比特的测量操作、保存测量结果的寄存器及控制流节点(跳转指令)组成，一条量子线路可以包含几十上百个甚至千上万个量子逻辑门操作。量子程序的执行过程，就是对所有的量子逻辑门按照一定时序执行的过程。需要说明的是，时序即单个量子逻辑门被执行的时间顺序。
[0065]
还需要说明的是，本发明涉及量子计算机，在基于硅芯片的普通计算设备中，处理芯片的单元是cmos管，这种计算单元不受时间和想干性的限制，即，这种计算单元是不受使用时长限制，随时可用。此外，目前，在硅芯片中，这种计算单元的数量是充足的，即，目前一个芯片中的计算单元的数量是成千上万的。计算单元数量的充足且cmos管可选择的计算逻辑是固定的，例如：与逻辑。借助cmos管运算时，通过大量的cmos管结合有限的逻辑功能，以实现运算效果。
[0066]
与普通计算设备中的这种逻辑单元不同，目前量子计算机中，基本的计算单元是量子比特，量子比特的输入受相干性的限制，也受相干时间的限制，即，量子比特是受使用时长限制的，并不是随时可用的。在量子比特的可用使用时长内充分使用量子比特是量子计算的关键性难题。此外，量子计算机中量子比特的数量是量子计算的关键性难题。此外，量子计算机中量子比特的数量是量子计算机性能的代表指标之一，每个量子比特通过按需配置的逻辑功能实现计算功能，鉴于量子比特数量受限，而量子计算领域的逻辑功能是多样化的，例如：哈德玛门(hadamard门，h门)、泡利-x门(x门)、泡利-y门(y门)、泡利-z门(z门)、rx门、ry门、rz门、cnot门、cr门、iswap门、toffoli门等等。量子逻辑门一般使用酉矩阵表示，而酉矩阵不仅是矩阵形式，也是一种操作和变换。一般量子逻辑门在量子态上的作用是通过酉矩阵左乘以量子态右矢对应的矩阵进行计算的。量子计算时，借助有限的量子比特结合多样的逻辑功能组合实现运算效果。
[0067]
基于量子计算机的这些不同，逻辑功能作用在量子比特的设计(包括量子比特使用与否的设计以及每个量子比特使用效率的设计)是提升量子计算机的运算性能的关键，且需要进行特殊的设计。而上述针对量子比特的设计是普通计算设备所不需要考虑的、也不需要面对的技术问题。
[0068]
本领域技术人员可以理解的是，在经典计算机中，信息的基本单元是比特，一个比特有0和1两种状态，最常见的物理实现方式是通过电平的高低来表示这两种状态。在量子计算中，信息的基本单元是量子比特，一个量子比特也有0和1两种状态，记为|0》和|1》，但它可以处于0和1两种状态的叠加态，可表示为其中，a、b为表示|0》态、|1》态振幅(概率幅)的复数，这是经典比特不具备的。测量后，量子比特的状态会塌缩至一个确定的状态(本征态，此处为|0》态、|1》态)，其中，塌缩至|0》的概率是|a|2，塌缩至|1》的概率是|b|2，|a|2 |b|2＝1，|》为狄拉克符号。
[0069]
量子态，即指量子比特的状态，一般需要使用一组正交完备的基向量描述，其通常
使用的计算基在量子算法(或称量子程序)中用二进制表示。例如，一组量子比特为q0、q1、q2，表示第0位、第1位、第2位量子比特，从高位到低位排序为q2q1q0，该组量子比特的量子态为23个计算基的叠加态，8个计算基是指：|000》、|001》、|010》、|011》、|100》、|101》、|110》、|111》，每个计算基与量子比特位对应一致，如|000》态，000从高位到低位对应q2q1q0。简言之，量子态是各基向量组成的叠加态，当其他基的概率幅为0时，即处于其中一个确定的基向量。
[0070]
在量子力学中，所有的可测量的力学量都可以用一个厄密矩阵来描述，厄密矩阵的定义是，该矩阵的转置共轭即是该矩阵本身，即有：这样的矩阵通常称之为测量算符，非零算符都会有至少一个不为0的本征值λ以及与之对应的本征态|ψ》，满足h|ψ》＝λ|ψ》，如果算符h的本征值对应的是某一个体系的能级分布，那么这样的算符也可以称其为哈密顿量(hamiltonian)。
[0071]
根据含时薛定谔方程，从一个态|ψ(t＝0)》开始演化到另一个态|ψ(t＝t)》是利用酉算符完成的，即u(0,t)|ψ(t＝0)》＝|ψ(t＝t)》，其中，哈密顿量和酉算符的关系是，如果一个量子态在某个系统下自然演化，描述该系统的能量即哈密顿量，则酉算符可以由哈密顿量写出：
[0072]
当系统从时间0开始，且哈密顿量不随时间变化时，酉算符即u＝exp(-iht)。在封闭系统的量子计算中，除测量外，所有的量子操作都可以用一个酉矩阵来描述，酉矩阵的定义是，该矩阵的转置共轭即是该矩阵的逆，即有：一般来说，酉算符在量子计算中也称之为量子逻辑门。
[0073]
参见图2，图2为本发明实施例提供的一种过渡态的确定方法的流程示意图，可以包括如下步骤：
[0074]
s201：确定分子的试验态，并计算所述分子基态能量相关的参数值。
[0075]
具体的，所述参数值包括分子基态能量的梯度、海森矩阵以及所述分子的力常数矩阵。确定分子的试验态，并计算所述分子基态能量相关的参数值，可以包括：
[0076]
步骤1：根据所述分子的试验态，计算当前所述试验态对应的能量期望。
[0077]
首先，获得待确定分子，待确定分子可以认为是用户想要进行分子性质模拟并确定过渡态的分子结构模型，例如包括组成该待确定分子的原子类型、原子个数、原子坐标、电荷及自旋多重度等。其次，获得待确定分子的试验态，例如可以根据预先选择的拟设方式和所确定的待确定分子的hartree fock态，获得待确定分子的试验态。
[0078]
示例性的，根据待确定分子体系的电子数和轨道信息，获取待确定分子的hartree fock态。即对于待确定分子体系，电子数，就是待确定分子体系包含的电子数量，一般是指待确定分子体系的核外电子的数目；轨道信息，是以数学的方法描述待确定分子体系在原子核外的特定空间中，找到电子的几率，并指出电子在三维空间中的可能位置。
[0079]
例如，对于待确定分子体系，其含有四个单电子自旋分子轨道和两个电子，根据电子数和轨道信息，若用一个量子比特代表一个自旋分子轨道，即0表示空轨道，1表示占据轨道，因此待确定分子体系的hartree fock(哈特里-福克)态可以用量子态|0011》来表示。
[0080]
在一种可选的实施方式中，根据预先选择的拟设方式，对待确定分子体系的hartree fock态进行演化，得到演化后的量子态作为待确定分子体系的试验态，首先需要
根据预先选择的拟设方式，计算待确定分子体系费米子形式的簇算符；其次选择映射方式并将待确定分子体系费米子形式的簇算符变换为泡利算子形式的簇算符，其中，映射方式可为jordan-wigner变换、parity变换、bravyi-kitaev变换和segmentparity变换中的一种；最后将泡利算子形式的簇算符分解为对应酉算子形式并进行演化，得到演化后的量子态作为待确定分子体系的试验态。
[0081]
需要说明的是，根据待确定分子的试验态，可以利用变分量子特征值求解算法计算待确定分子能量期望。
[0082]
其中，变分量子特征值求解算法的原理为：
[0083][0084]
|ψ》为试验态(假设|ψ》是归一化的)，e为待确定分子体系的能量期望，为待确定分子体系的哈密顿量，且满足：
[0085][0086]
上式中的每一项分别为待确定分子中电子的动能项，电子间的排斥能项，电子与原子核间的势能项，原子核间的排斥能项(原子单位制)，其中ri，ri，zi分别表示电子的位置，原子核的位置和原子核的电荷。假设体系含有n个原子，则可以用列向量r＝[r1,r2,r3,...,ri...,r
3n-2
,r
3n-1
,r
3n
]
t
表示分子的坐标。
[0087]
在波恩-奥本海默近似下，可以将待确定分子的哈密顿量转化为二次量子化的形式，并利用映射方法(如jordan-wigner变换、parity变换等)将二次量子化形式的哈密顿量转化为泡利字符串的形式，即：
[0088][0089]
其中，为泡利字符串形式的算符，i为单位矩阵，为泡利算符，h
α
(r)为电子积分相关的系数，一般在经典计算机上计算获得。
[0090]
示例性的，计算当前试验态对应的能量期望，可以包括：
[0091]
通过以下算式计算试验态对应的能量期望：
[0092][0093]
其中，n表示计算试验态对应能量期望的循环次数，e(n)为当前试验态|ψ(n)》对应的能量期望，为分子的哈密顿量，h
α
为电子积分相关系数，为泡利字符串形式的算符。
[0094]
步骤2：判断所述试验态对应的能量期望是否满足所述分子基态能量的计算终止条件，其中，所述计算终止条件为当前能量期望与前次确定的能量期望的差值符合精度。
[0095]
具体的，如果所获取的试验态|ψ(n)》正好就是体系的基态，可以直接得到待确定分子体系的基态能量e
min
；但往往更多的情况是，获取的试验态|ψ(n)》与待确定分子体系的基态相比有一定差距，导致计算得到的e(n)大于e
min
很多，这时就需要引入一组参数通过不断调节来更新试验态，使根据更新后的试验态最终求解的能量期望非常接近待确定分子体系的基态能量。
[0096]
具体的，通过获取待确定分子体系的试验态并测量试验态的能量期望e(n)，判断当前能量期望与前次确定的能量期望的差值是否符合精度，其中，精度可以由用户根据计算需求自行设定。或者通过判断实际迭代次数是否达到预设最大迭代次数作为计算终止条件均可，在此不再赘述。
[0097]
步骤3：若是，则将当前所述能量期望作为所述分子的基态能量，并计算所述分子基态能量的梯度、海森矩阵以及所述分子的力常数矩阵，否则，更新所述试验态，计算更新后的试验态对应的能量期望，继续执行所述判断所述试验态对应的能量期望是否满足所述分子基态能量的计算终止条件的步骤，直至获取满足所述计算终止条件的所述分子的基态能量。
[0098]
具体的，若待确定分子体系的试验态对应的能量期望满足计算终止条件，则所获取的试验态正好就是待确定分子体系的基态，直接得到了待确定分子体系的基态能量e
min
，并计算分子基态能量的梯度、海森矩阵以及分子的力常数矩阵；否则利用优化方法，如nelder-mead算法或梯度下降法优化参数然后传给量子处理器，继续演化和测量，通过不断迭代参数来更新试验态，使其最终获取满足计算终止条件的待确定分子体系的基态能量。
[0099]
例如，当获取待确定分子体系的试验态为第一次演化时，则前次演化不存在，可以默认前次演化后测量的试验态的能量期望为0，直接进入下一次迭代；在当前能量期望与前次测量后的能量期望的差值不符合精度时，利用优化方法，对拟设中量子线路的可调参数进行优化，更新优化后试验态，测量更新后的当前试验态的能量期望，返回执行上述步骤2，直到某次演化后的能量差值符合精度，并将该次演化后的试验态下的能量期望确定为满足计算终止条件的分子的基态能量。
[0100]
需要说明的是，所述计算所述分子基态能量相关的参数值，可以包括：
[0101]
根据所述分子的基态能量，计算所述分子基态能量的梯度、所述分子基态能量对应的海森矩阵；利用所述分子基态能量对应的海森矩阵，确定所述分子的力常数矩阵。
[0102]
首先，分子的基态能量关于坐标ri的一阶导数：
[0103][0104]
即：
[0105][0106]
利用hellmann-feynman定理，并应用中心有限差分法得：
[0107][0108]
基态能量关于坐标ri、rj的二阶导数，得：
[0109][0110]
即：
[0111][0112]
然后，忽略波函数的影响
[0113][0114]
令：
[0115][0116]
应用中心有限差分法，可得：
[0117]sj,i
≈《ψ(r)|x
j,i
|ψ(r)》
[0118]
其中：
[0119][0120]
又由于所以可得：
[0121][0122]
其中，δd为差分步长，ei、ej分别为沿i、j方向的单位向量。
[0123]
利用分子基态能量对应的海森矩阵，确定所述分子的力常数矩阵及力常数矩阵的特征值，在一种可选的实施方式中，对于包含n个原子的待确定分子体系，基态能量关于坐标的海森矩阵s大小为3n
×
3n，其中每一个元素为基态能量关于坐标的二阶导数,由于海森常数矩阵为对称阵,可得：
[0124]si,j
＝s
j,i
[0125]
所以需要计算个s
j,i
，但每个s
j,i
均使用相同的基态波函数|ψ(r)》，即整个海森矩阵s的计算基于相同的基态波函数，这表明待确定分子体系海森矩阵的量子计算量和待确定分子体系基态能量的量子计算量相同。将海森矩阵s转化为质量权重的海森矩阵，即通过以下算式计算待确定分子的力常数矩阵：
[0126]
f＝m
×s×m[0127]
其中，f为分子的力常数矩阵，m为质量权重矩阵，满足n为分子所包含的原子体系个数，mq为第q个原子的质量，q∈n。
[0128]
s202：基于所述分子基态能量相关的参数值，确定所述分子的过渡态。
[0129]
具体的，基于所述分子基态能量相关的参数值，确定所述分子的过渡态，可以包括：
[0130]
s2021：获得所述力常数矩阵的特征值。
[0131]
s2022：根据所述力常数矩阵的特征值，确定所述分子的振动频率。
[0132]
具体的，通过分子的力常数矩阵，求解分子的力常数矩阵的特征值。例如假设力常数矩阵f是n阶方阵，如果存在f和非零n维列向量x，使得fx＝fx成立，则称f是f的一个特征值(characteristic value)或本征值(eigenvalue)。
[0133]
根据力常数矩阵的特征值，确定分子的振动频率，例如可以通过判断分子的空间结构来获得分子的振动频率，若分子是线性结构或平面结构，则力常数矩阵f非零的特征值个数为3n-5个，否则为3n-6个；如果特征值为负，则可以先取绝对值、后开根号、然后再乘以-1，得到的分子振动频率称为虚频；如果特征值为正，则直接开根号得到分子的振动频率。
[0134]
s2023：利用所述分子的振动频率，确定所述分子的过渡态。
[0135]
具体的，所述利用所述分子的振动频率，确定所述分子的过渡态，可以包括：
[0136]
若所述分子的振动频率满足第一预设条件，则判断所述分子基态能量的梯度是否满足第二预设条件，所述第一预设条件包括所述分子的振动频率中虚频的个数为1，所述第二预设条件包括所述梯度中每一个分量的绝对值均小于预设梯度闸值；
[0137]
若否，更新所述分子的坐标，并基于更新后的坐标，重新计算所述分子基态能量的梯度、海森矩阵以及所述分子的力常数矩阵，直至获取满足所述第二预设条件的分子基态能量的梯度，并确定所述分子的过渡态。
[0138]
需要说明的是，过渡态是基元反应坐标中能量最高的一点所对应的分子构型。过渡态也是指反应物体系转变成产物体系过程中,经过的能量最高状态(或称活化络合物)，
且处于过渡态的分子也称为活化络合物。
[0139]
在一种可选的实施方式中，确定分子的过渡态，首先初猜分子构型(坐标)，并预设步长减少系数b、梯度闸值p、最大迭代次数m、实际迭代次数l和有效迭代次数k，并且满足l＝0、k＝0、0《b《1和m》1，随后计算分子基态能量的梯度、海森矩阵以及分子的力常数矩阵，根据力常数矩阵的特征值，确定分子的振动频率，并判断分子的振动频率中虚频的个数是否为1个，若否，则初猜分子构型错误，可以结束计算也可以重新初猜分子构型。若是，则进一步判断梯度中每一个分量的绝对值是否均小于预设梯度闸值p，若是，则确定过渡态，并结束计算。否则，判断实际迭代次数l是否达到最大迭代次数m，如果实际迭代次数l达到最大迭代次数m，则结束计算。否则，更新分子的坐标，并基于更新后的坐标，重新计算分子基态能量的梯度、海森矩阵以及分子的力常数矩阵，需要说明的是，可以通过以下方式更新分子的坐标：其中，r
k 1
为更新后的分子坐标，rk为当前分子坐标，为海森矩阵的逆矩阵,为当前分子基态能量的梯度。继续判断更新坐标后的分子的振动频率中虚频的个数是否为1个，若是，则进一步判断更新坐标后的分子基态能量的梯度中每一个分量的绝对值是否均小于预设梯度闸值p，若是，则确定过渡态，并结束计算；否则，利用第一赋值规则更新实际迭代次数l和有效迭代次数k，即：l＝l 1，k＝k 1，并返回判断实际迭代次数l是否达到最大迭代次数m的步骤继续迭代。上述继续判断更新坐标后的分子的振动频率中虚频的个数不为1个时，则利用第二赋值规则更新海森矩阵的逆矩阵、实际迭代次数l和有效迭代次数k，即：l＝l 1，k＝k，返回判断实际迭代次数l是否达到最大迭代次数m的步骤继续迭代，直至获取满足第二预设条件的分子基态能量的梯度，并确定所述分子的过渡态。
[0140]
可见，本发明首先确定分子的试验态，并计算分子基态能量相关的参数值，基于分子基态能量相关的参数值，确定分子的过渡态，它通过提出一种新的过渡态的确定方法，利用量子的相关特性，加速搜索过渡态的进程，优化了搜索过渡态的方式并提高速度。
[0141]
参见图3，图3为本发明实施例提供的一种过渡态的确定装置的结构示意图，与图2所示的流程相对应，可以包括：
[0142]
第一确定模块301，用于确定分子的试验态，并计算所述分子基态能量相关的参数值；
[0143]
第二确定模块302，用于基于所述分子基态能量相关的参数值，确定所述分子的过渡态。
[0144]
具体的，所述第一确定模块，包括：
[0145]
第一计算单元，用于根据所述分子的试验态，计算当前所述试验态对应的能量期望；
[0146]
判断单元，用于判断所述试验态对应的能量期望是否满足所述分子基态能量的计算终止条件，其中，所述计算终止条件为当前能量期望与前次确定的能量期望的差值符合精度；
[0147]
更新单元，用于若是，则将当前所述能量期望作为所述分子的基态能量，并计算所述分子基态能量的梯度、海森矩阵以及所述分子的力常数矩阵，否则，更新所述试验态，计算更新后的试验态对应的能量期望，继续执行所述判断所述试验态对应的能量期望是否满
足所述分子基态能量的计算终止条件的步骤，直至获取满足所述计算终止条件的所述分子的基态能量。
[0148]
具体的，所述第一确定模块，包括：
[0149]
第二计算单元，用于根据所述分子的基态能量，计算所述分子基态能量的梯度、所述分子基态能量对应的海森矩阵；
[0150]
第一确定单元，用于利用所述分子基态能量对应的海森矩阵，确定所述分子的力常数矩阵。
[0151]
具体的，所述第二确定模块，包括：
[0152]
获得单元，用于获得所述力常数矩阵的特征值；
[0153]
第二确定单元，用于根据所述力常数矩阵的特征值，确定所述分子的振动频率；
[0154]
第三确定单元，用于利用所述分子的振动频率，确定所述分子的过渡态。
[0155]
具体的，所述第三确定单元，包括：
[0156]
判断子单元，用于若所述分子的振动频率满足第一预设条件，则判断所述分子基态能量的梯度是否满足第二预设条件，所述第一预设条件包括所述分子的振动频率中虚频的个数为1，所述第二预设条件包括所述梯度中每一个分量的绝对值均小于预设梯度闸值；
[0157]
更新子单元，用于若否，更新所述分子的坐标，并基于更新后的坐标，重新计算所述分子基态能量的梯度、海森矩阵以及所述分子的力常数矩阵，直至获取满足所述第二预设条件的分子基态能量的梯度，并确定所述分子的过渡态。
[0158]
与现有技术相比，本发明首先确定分子的试验态，并计算分子基态能量相关的参数值，基于分子基态能量相关的参数值，确定分子的过渡态，它通过提出一种新的过渡态的确定方法，利用量子的相关特性，加速搜索过渡态的进程，优化了搜索过渡态的方式并提高速度。
[0159]
本发明实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时实现上述任一项中方法实施例中的步骤。
[0160]
具体的，在本实施例中，上述存储介质可以被设置为存储用于实现以下步骤的计算机程序：
[0161]
s201：确定分子的试验态，并计算所述分子基态能量相关的参数值；
[0162]
s202：基于所述分子基态能量相关的参数值，确定所述分子的过渡态。
[0163]
具体的，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：u盘、只读存储器(read-only memory，简称为rom)、随机存取存储器(random access memory，简称为ram)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。
[0164]
本发明实施例还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以实现上述任一项中方法实施例中的步骤。
[0165]
具体的，上述电子装置还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。
[0166]
具体的，在本实施例中，上述处理器可以被设置为通过计算机程序实现以下步骤：
[0167]
s201：确定分子的试验态，并计算所述分子基态能量相关的参数值；
[0168]
s202：基于所述分子基态能量相关的参数值，确定所述分子的过渡态。
[0169]
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。