論文の概要: Exploring the scaling limitations of the variational quantum eigensolver with the bond dissociation of hydride diatomic molecules

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2208.07411v2
• Date: Tue, 24 Jan 2023 18:59:34 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-01-31 01:19:28.740301
• Title: Exploring the scaling limitations of the variational quantum eigensolver with the bond dissociation of hydride diatomic molecules
• Title（参考訳）: 水素化物二原子分子の結合解離による変分量子固有解法のスケーリング限界の探求
• Authors: Jacob M. Clary, Eric B. Jones, Derek Vigil-Fowler, Christopher Chang, Peter Graf
• Abstract要約: 強い相関電子を含む材料シミュレーションは、最先端の電子構造法に根本的な課題をもたらす。 変分量子固有解法アルゴリズムが化学的に正確な総エネルギーを予測できるという事実にもかかわらず、現実世界の応用に関連する大きさと複雑さの分子をシミュレーションした量子コンピュータは存在しない。 本稿では, 適切なTiH物理を捉えるために必要となるd軌道とUCCSDアンサッツの使用が, この問題のコストを劇的に高めることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Materials simulations involving strongly correlated electrons pose fundamental challenges to state-of-the-art electronic structure methods but are hypothesized to be the ideal use case for quantum computing. To date, no quantum computer has simulated a molecule of a size and complexity relevant to real-world applications, despite the fact that the variational quantum eigensolver (VQE) algorithm can predict chemically accurate total energies. Nevertheless, because of the many applications of moderately-sized, strongly correlated systems, such as molecular catalysts, the successful use of the VQE stands as an important waypoint in the advancement toward useful chemical modeling on near-term quantum processors. In this paper, we take a significant step in this direction. We lay out the steps, write, and run parallel code for an (emulated) quantum computer to compute the bond dissociation curves of the TiH, LiH, NaH, and KH diatomic hydride molecules using VQE. TiH was chosen as a relatively simple chemical system that incorporates d orbitals and strong electron correlation. Because current VQE implementations on existing quantum hardware are limited by qubit error rates, the number of qubits available, and the allowable gate depth, recent studies have focused on chemical systems involving s and p block elements. Through VQE + UCCSD calculations of TiH, we evaluate the near-term feasibility of modeling a molecule with d-orbitals on real quantum hardware. We demonstrate that the inclusion of d-orbitals and the use of the UCCSD ansatz, which are both necessary to capture the correct TiH physics, dramatically increase the cost of this problem. We estimate the approximate error rates necessary to model TiH on current quantum computing hardware using VQE+UCCSD and show them to likely be prohibitive until significant improvements in hardware and error correction algorithms are available.
• Abstract（参考訳）: 強い相関電子を含む材料シミュレーションは、最先端の電子構造法に根本的な課題をもたらすが、量子コンピューティングの理想的なユースケースであると仮定される。 これまで、変動量子固有解法(VQE)アルゴリズムが化学的に正確な総エネルギーを予測できるにもかかわらず、量子コンピュータは現実世界の応用に関連する大きさと複雑さの分子をシミュレートしていない。 しかしながら、分子触媒のような中等度サイズの強い相関系の多くの応用により、VQEの成功は、短期量子プロセッサにおける有用な化学モデリングに向けた重要な道のりである。 本稿では,この方向への大きな一歩を踏み出します。 VQEを用いて、TiH、LiH、NaH、KH二原子水和物分子の結合解離曲線を計算するために、(エミュレートされた)量子コンピュータのステップ、書き込み、並列コードを実行する。 TiHはd軌道と強い電子相関を持つ比較的単純な化学系として選ばれた。 既存の量子ハードウェアにおける現在のvqeの実装は、量子ビット誤り率、利用可能な量子ビット数、許容ゲート深さによって制限されているため、最近の研究は、sおよびpブロック要素を含む化学系に焦点を当てている。 我々は,TiHのVQE + UCCSD計算を通じて,実量子ハードウェア上でのd軌道を持つ分子のモデリングの可能性を評価する。 我々は、d軌道の包含と、正しいTiH物理を捉えるために必要となるUCCSDアンサッツの使用により、この問題のコストが劇的に増加することを実証した。 我々は、vqe+uccsdを用いて現在の量子コンピューティングハードウェア上でtihをモデル化するために必要な近似誤差率を推定し、ハードウェアとエラー訂正アルゴリズムが大幅に改善されるまで禁止される可能性が高いことを示す。

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