論文の概要: Quantum simulation of battery materials using ionic pseudopotentials
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2302.07981v2
- Date: Tue, 4 Jul 2023 22:06:39 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-07-06 23:05:54.308426
- Title: Quantum simulation of battery materials using ionic pseudopotentials
- Title（参考訳）: イオン擬ポテンシャルを用いた電池材料の量子シミュレーション
- Authors: Modjtaba Shokrian Zini, Alain Delgado, Roberto dos Reis, Pablo A. M.
Casares, Jonathan E. Mueller, Arne-Christian Voigt, Juan Miguel Arrazola
- Abstract要約: 疑似ポテンシャルを用いた量子アルゴリズムを導入し、量子コンピュータ上で周期材料をシミュレートするコストを削減する。
平面波に基づくハミルトニアンの第1量子化表現を用いた量子化に基づく量子位相推定アルゴリズムを用いる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Ionic pseudopotentials are widely used in classical simulations of materials
to model the effective potential due to the nucleus and the core electrons.
Modeling fewer electrons explicitly results in a reduction in the number of
plane waves needed to accurately represent the states of a system. In this
work, we introduce a quantum algorithm that uses pseudopotentials to reduce the
cost of simulating periodic materials on a quantum computer. We use a
qubitization-based quantum phase estimation algorithm that employs a
first-quantization representation of the Hamiltonian in a plane-wave basis. We
address the challenge of incorporating the complexity of pseudopotentials into
quantum simulations by developing highly-optimized compilation strategies for
the qubitization of the Hamiltonian. This includes a linear combination of
unitaries decomposition that leverages the form of separable pseudopotentials.
Our strategies make use of quantum read-only memory subroutines as a more
efficient alternative to quantum arithmetic. We estimate the computational cost
of applying our algorithm to simulating lithium-excess cathode materials for
batteries, where more accurate simulations are needed to inform strategies for
gaining reversible access to the excess capacity they offer. We estimate the
number of qubits and Toffoli gates required to perform sufficiently accurate
simulations with our algorithm for three materials: lithium manganese oxide,
lithium nickel-manganese oxide, and lithium manganese oxyfluoride. Our
optimized compilation strategies result in a pseudopotential-based quantum
algorithm with a total Toffoli cost four orders of magnitude lower than the
previous state of the art for a fixed target accuracy.
- Abstract（参考訳）: イオン擬ポテンシャルは、核と核電子による有効ポテンシャルをモデル化するために、材料の古典的シミュレーションで広く使われている。
電子の少ないモデリングは、システムの状態を正確に表すのに必要な平面波の数を明示的に減少させる。
本研究では,疑似ポテンシャルを用いた量子コンピュータ上での周期的物質シミュレーションのコストを削減する量子アルゴリズムを提案する。
平面波に基づくハミルトニアンの第一量子化表現を用いた量子化に基づく量子位相推定アルゴリズムを用いる。
我々は、ハミルトニアンの量子化のための高度に最適化されたコンパイル戦略を開発することにより、擬ポテンシャルの複雑さを量子シミュレーションに組み込むという課題に対処する。
これは分離可能な擬ポテンシャルの形式を利用するユニタリ分解の線形結合を含んでいる。
我々の戦略は、量子読み取り専用メモリサブルーチンを量子算術のより効率的な代替手段として利用する。
我々は, リチウム含有カソード材料をシミュレートするための計算コストを推定し, より正確なシミュレーションを行い, 余剰容量に対する可逆アクセスを得るための戦略を提示する必要がある。
我々は,酸化マンガンリチウム,酸化マンガンリチウム,フッ化マンガンリチウムの3つの材料について,十分な精度のシミュレーションを行うために必要なキュービット数とトフォリゲート数を推定した。
最適化されたコンパイル戦略により,Toffoliの総コストは,固定目標精度のため,従来よりも4桁も低い擬ポテンシャル型量子アルゴリズムが実現した。
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