量子化学における励起状態のための完全な回路ベースの量子アルゴリズム

量子化学における励起状態のための完全な回路ベースの量子アルゴリズム

タイムスタンプ：4年2024月9日午前05時XNUMX分

ジンウェイ・ウェン1,2、王振安3、チェン・チートン4,5、シャオ・ジュンシャン1、ハン・リー3、リン・チェン2、黄志国2、ヘン・ファン3,4、魏詩傑3、ギル・ロング1,3,6,7

1低次元量子物理学の国家重点実験室および清華大学物理学科、北京100084、中国
2China Mobile (Suzhou) Software Technology Company Limited、蘇州 215163、中国
3北京量子情報科学アカデミー、北京 100193、中国
4中国科学院物理学研究所、北京100190、中国
5中国科学院大学物理科学院、北京100190、中国
6量子情報フロンティア科学センター、北京 100084、中国
7北京国立情報科学技術研究センター、北京 100084、中国

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抽象

量子コンピュータを利用して量子化学を研究することは、今日重要な研究分野です。広く研究されている基底状態の問題に加えて、励起状態の決定は、化学反応やその他の物理プロセスの予測とモデル化において重要な役割を果たします。ここでは、量子化学ハミルトニアンの励起状態スペクトルを取得するための非変分全回路ベースの量子アルゴリズムを提案します。以前の古典-量子ハイブリッド変分アルゴリズムと比較して、私たちの方法は古典的な最適化プロセスを排除し、異なるシステム間の相互作用によって引き起こされるリソースコストを削減し、不毛なプラトーなしでより速い収束速度とノイズに対するより強力なロバスト性を実現します。次のエネルギーレベルを決定するためのパラメータ更新は、当然、前のエネルギーレベルのエネルギー測定出力に依存し、補助システムの状態準備プロセスを変更するだけで実現でき、追加のリソースオーバーヘッドはほとんど導入されません。水素、LiH、H2O、NH3 分子を使用したアルゴリズムの数値シミュレーションが示されています。さらに、超伝導量子コンピューティングプラットフォーム上でアルゴリズムの実験的デモンストレーションを提供し、結果は理論的期待とよく一致していることを示しています。このアルゴリズムは、フォールトトレラント量子コンピューター上のさまざまなハミルトンスペクトル決定問題に広く適用できます。

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アイキャッチ画像：FQESSアルゴリズムを実現する量子回路。

人気の要約

我々は、将来のフォールトトレラントな量子計算のために化学ハミルトニアンのスペクトルを効率的かつ安定的に決定するための完全量子励起状態ソルバー (FQESS) アルゴリズムを提案します。古典量子ハイブリッド変分アルゴリズムと比較して、私たちの方法は古典コンピュータの最適化プロセスを削除し、異なるエネルギーレベルのパラメータ更新は、以前のエネルギーのエネルギー測定に基づいて補助システムの状態準備プロセスを変更することによって簡単に実現できます。実験的に使いやすいレベルです。さらに、非変分的な性質により、アルゴリズムが最速の勾配降下の方向に沿ってターゲット状態に収束し、不毛なプラトー現象を回避できます。私たちの研究は、さまざまなアルゴリズム フレームに基づいて量子化学の問題を解決する最後のステップを埋めます。

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