論文の概要: Variational Quantum Simulation of Chemical Dynamics with Quantum
Computers
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2110.06143v1
- Date: Tue, 12 Oct 2021 16:28:52 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-03-11 16:42:21.932043
- Title: Variational Quantum Simulation of Chemical Dynamics with Quantum
Computers
- Title（参考訳）: 量子コンピュータを用いた化学動力学の変分量子シミュレーション
- Authors: Chee-Kong Lee, Chang-Yu Hsieh, Shengyu Zhang, Liang Shi
- Abstract要約: 本稿では,ノイズ中間規模量子(NISQ)デバイスの実装に適した実空間量子力学の変分シミュレーションを提案する。
低エネルギー部分空間においてほとんどの化学力学が生じるという知見に触発され、我々は部分空間展開法を提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 23.13347792805101
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Classical simulation of real-space quantum dynamics is challenging due to the
exponential scaling of computational cost with system dimensions. Quantum
computer offers the potential to simulate quantum dynamics with polynomial
complexity; however, existing quantum algorithms based on the split-operator
techniques require large-scale fault-tolerant quantum computers that remain
elusive in the near future. Here we present variational simulations of
real-space quantum dynamics suitable for implementation in Noisy
Intermediate-Scale Quantum (NISQ) devices. The Hamiltonian is first encoded
onto qubits using a discrete variable representation (DVR) and binary encoding
scheme. We show that direct application of real-time variational quantum
algorithm based on the McLachlan's principle is inefficient as the measurement
cost grows exponentially with the qubit number for general potential energy and
extremely small time-step size is required to achieve accurate results.
Motivated by the insights that most chemical dynamics occur in the low energy
subspace, we propose a subspace expansion method by projecting the total
Hamiltonian, including the time-dependent driving field, onto the system
low-energy eigenstate subspace using quantum computers, the exact quantum
dynamics within the subspace can then be solved classically. We show that the
measurement cost of the subspace approach grows polynomially with
dimensionality for general potential energy. Our numerical examples demonstrate
the capability of our approach, even under intense laser fields. Our work opens
the possibility of simulating chemical dynamics with NISQ hardware.
- Abstract（参考訳）: 実空間量子力学の古典的シミュレーションは、計算コストとシステム次元の指数的スケーリングのために困難である。
量子コンピュータは、多項式の複雑さで量子力学をシミュレートする能力を提供するが、スプリット操作技術に基づく既存の量子アルゴリズムは、近い将来に解明される大規模なフォールトトレラント量子コンピュータを必要とする。
本稿では,ノイズ中間スケール量子(NISQ)デバイスの実装に適した実空間量子力学の変動シミュレーションを提案する。
ハミルトニアンは最初に離散変数表現(dvr)とバイナリエンコーディングスキームを用いてキュービットにエンコードされる。
マクラクランの原理に基づくリアルタイム変分量子アルゴリズムの直接適用は、一般的なポテンシャルエネルギーの量子ビット数と指数関数的に増大し、正確な結果を得るためには極めて小さな時間ステップサイズが必要となるため、非効率であることを示す。
低エネルギー部分空間で起こるほとんどの化学動力学の知見に動機づけられ、時間依存の駆動場を含むハミルトニアンの全体を量子コンピュータを用いて低エネルギー固有状態部分空間に投影することで、部分空間内の正確な量子力学を古典的に解くことができる部分空間拡大法を提案する。
部分空間アプローチの測定コストは一般ポテンシャルエネルギーの次元で多項式的に増大することを示す。
我々の数値的な例は、強いレーザー場の下でも、我々のアプローチの能力を示している。
我々の研究は、NISQハードウェアで化学力学をシミュレートする可能性を開く。
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