論文の概要: Quantum simulation of exact electron dynamics can be more efficient than classical mean-field methods

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2301.01203v1
• Date: Tue, 3 Jan 2023 17:00:40 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-01-08 21:59:02.513882
• Title: Quantum simulation of exact electron dynamics can be more efficient than classical mean-field methods
• Title（参考訳）: 精密電子力学の量子シミュレーションは古典的平均場法よりも効率的である
• Authors: Ryan Babbush, William J. Huggins, Dominic W. Berry, Shu Fay Ung, Andrew Zhao, David R. Reichman, Hartmut Neven, Andrew D. Baczewski and Joonho Lee
• Abstract要約: 電子基底状態のシミュレーションのための量子アルゴリズムは、ハートリー・フォックや密度汎関数理論のような一般的な平均場アルゴリズムよりも遅い。 量子化量子アルゴリズムによって、指数的に少ない空間と、基底セットサイズでの関数演算の少ない電子系の正確な時間発展が可能となることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.4215938932388722
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Quantum algorithms for simulating electronic ground states are slower than popular classical mean-field algorithms such as Hartree-Fock and density functional theory, but offer higher accuracy. Accordingly, quantum computers have been predominantly regarded as competitors to only the most accurate and costly classical methods for treating electron correlation. However, here we tighten bounds showing that certain first quantized quantum algorithms enable exact time evolution of electronic systems with exponentially less space and polynomially fewer operations in basis set size than conventional real-time time-dependent Hartree-Fock and density functional theory. Although the need to sample observables in the quantum algorithm reduces the speedup, we show that one can estimate all elements of the $k$-particle reduced density matrix with a number of samples scaling only polylogarithmically in basis set size. We also introduce a more efficient quantum algorithm for first quantized mean-field state preparation that is likely cheaper than the cost of time evolution. We conclude that quantum speedup is most pronounced for finite temperature simulations and suggest several practically important electron dynamics problems with potential quantum advantage.
• Abstract（参考訳）: 電子基底状態のシミュレーションのための量子アルゴリズムは、hartree-fockや密度汎関数理論のような一般的な平均場アルゴリズムよりも遅いが、精度は高い。 したがって、量子コンピュータは電子相関を扱うための最も正確でコストのかかる古典的手法の競合であると見なされている。 しかし、ある第一量子化量子アルゴリズムが指数関数的に少ない空間と、従来の実時間に依存したハートリーフォックや密度汎関数理論よりも基底集合サイズでの演算を多項式的に少なくした電子系の正確な時間発展を可能にすることを示す境界を締めくくった。 量子アルゴリズムにおける観測値のサンプリングはスピードアップを減少させるが、多くのサンプルがベースセットサイズで多対数的にしかスケーリングしないため、$k$粒子還元密度行列のすべての要素を推定できることを示す。 また,最初の量子化平均場状態生成のためのより効率的な量子アルゴリズムも導入し,時間発展のコストよりも安価であると考えられる。 量子スピードアップは有限温度シミュレーションにおいて最も顕著であり、潜在的な量子長所を持つ電子動力学問題のいくつかを示唆する。

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