論文の概要: More quantum chemistry with fewer qubits
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2308.16873v4
- Date: Sun, 03 Nov 2024 21:22:29 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2024-11-05 21:25:39.203171
- Title: More quantum chemistry with fewer qubits
- Title（参考訳）: より少ない量子ビットの量子化学
- Authors: Jakob Günther, Alberto Baiardi, Markus Reiher, Matthias Christandl,
- Abstract要約: 本稿では,2次摂動理論を用いて物理問題の表現を改善する量子アルゴリズムを提案する。
特に、我々の量子アルゴリズムは、未摂動ハミルトニアンの下での一連の時間進化ステップを通じて、二階エネルギー補正を評価する。
我々の摂動理論量子アルゴリズムは対称性適応摂動理論にも適用できる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.9903198600681908
- License:
- Abstract: Quantum computation is one of the most promising new paradigms for the simulation of physical systems composed of electrons and atomic nuclei, with applications in chemistry, solid-state physics, materials science, and molecular biology. This requires a truncated representation of the electronic structure Hamiltonian using a finite number of orbitals. While it is, in principle, obvious how to improve on the representation by including more orbitals, this is usually unfeasible in practice (e.g., because of the limited number of qubits available) and severely compromises the accuracy of the obtained results. Here, we propose a quantum algorithm that improves on the representation of the physical problem by virtue of second-order perturbation theory. In particular, our quantum algorithm evaluates the second-order energy correction through a series of time-evolution steps under the unperturbed Hamiltonian. An important application is to go beyond the active-space approximation, allowing to include corrections of virtual orbitals, known as multireference perturbation theory. Here, we exploit that the unperturbed Hamiltonian is diagonal for virtual orbitals and show that the number of qubits is independent of the number of virtual orbitals. This gives rise to more accurate energy estimates without increasing the number of qubits. Moreover, we demonstrate numerically for realistic chemical systems that the total runtime has highly favorable scaling in the number of virtual orbitals compared to previous work. Numerical calculations confirm the necessity of the multireference perturbation theory energy corrections to reach accurate ground state energy estimates. Our perturbation theory quantum algorithm can also be applied to symmetry-adapted perturbation theory. As such, we demonstrate that perturbation theory can help to reduce the quantum hardware requirements for quantum chemistry.
- Abstract（参考訳）: 量子計算は、化学、固体物理学、材料科学、分子生物学など、電子と原子核からなる物理系のシミュレーションのための最も有望な新しいパラダイムの1つである。
これは有限個の軌道を用いて、電子構造ハミルトニアンの切り離された表現を必要とする。
原理的には、より多くの軌道を含むことによって表現を改善する方法が明確であるが、実際には(例えば、利用可能な量子ビットの数が限られているため)実現不可能であり、得られた結果の精度を著しく損なう。
本稿では,2次摂動理論を用いて物理問題の表現を改善する量子アルゴリズムを提案する。
特に、我々の量子アルゴリズムは、未摂動ハミルトニアンの下での一連の時間進化ステップを通じて、二階エネルギー補正を評価する。
重要な応用は、多参照摂動理論(英語版)として知られる仮想軌道の補正を含むことができるような活動空間近似を超えることである。
ここでは、未摂動ハミルトニアンが仮想軌道の対角線であり、量子ビットの数は仮想軌道の数とは独立であることを示す。
これにより、量子ビットの数を増やすことなく、より正確なエネルギー推定が生まれる。
さらに, 実際の化学系において, 従来の研究と比較して, 仮想軌道の個数に対して, 総ランタイムのスケーリングが極めて好ましいことを数値的に示す。
数値計算により、正確な基底状態エネルギー推定に到達するためには、多重参照摂動理論のエネルギー補正が必要であることが確認される。
我々の摂動理論量子アルゴリズムは対称性適応摂動理論にも適用できる。
このように、摂動理論は量子化学における量子ハードウェアの要求を減らすのに有効であることを示す。
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