論文の概要: Shortcut to Chemically Accurate Quantum Computing via Density-based Basis-set Correction
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2405.11567v1
- Date: Sun, 19 May 2024 14:31:01 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-05-21 15:12:36.336750
- Title: Shortcut to Chemically Accurate Quantum Computing via Density-based Basis-set Correction
- Title（参考訳）: 密度ベース基底集合補正による化学計算の高精度化
- Authors: Diata Traore, Olivier Adjoua, César Feniou, Ioanna-Maria Lygatsika, Yvon Maday, Evgeny Posenitskiy, Kerstin Hammernik, Alberto Peruzzo, Julien Toulouse, Emmanuel Giner, Jean-Philip Piquemal,
- Abstract要約: 量子コンピューティングは、電子構造計算における古典的手法よりも計算上の優位性を約束する。
量子ビット数などの量子資源を最小化しながら、化学系の定量的記述にアクセスすることは重要な課題である。
完全基底集合の極限に近づき、化学的精度で量子計算に近づいた。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.4909687476363595
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Quantum computing promises a computational advantage over classical methods in electronic-structure calculations, with expected applications in drug design and materials science. Accessing a quantitative description of chemical systems while minimizing quantum resources, such as the number of qubits, is an essential challenge given the limited capabilities of current quantum processors. We provide a shortcut towards quantum computations at chemical accuracy by approaching the complete-basis-set limit (CBS) through integrating density-functional theory into quantum algorithms via density-based basis-set corrections coupled to basis-sets crafted on-the-fly and specifically adapted to a given system/user-defined qubit budget. The approach self-consistently accelerates the basis-set convergence, improving electronic densities, ground-state energies, and first-order properties such as dipole moments. It can also serve as a classical, \textit{a posteriori}, energy correction to quantum hardware calculations. The strategy is assessed using GPU-accelerated state-vector emulation up to 32 qubits. We converge the ground-state energies of four systems (He, Be, H$_2$, LiH) within chemical accuracy of the CBS full-configuration-interaction reference, while offering a systematic increase of accuracy beyond a double-zeta quality for various molecules up to the H$_8$ hydrogen chain. We also obtain dissociation curves for H$_2$ and LiH that reach the CBS limit whereas for the challenging simulation of the N$_2$ triple-bond breaking, we achieve a near-triple-zeta quality at the cost of a minimal basis-set. This hybrid strategy allows us to obtain quantitative results that would otherwise require brute-force quantum simulations using far more than 100 logical qubits, thereby opening up opportunities to explore real-world chemistry with reasonable computational resources.
- Abstract（参考訳）: 量子コンピューティングは、電子構造計算における古典的手法よりも計算上の優位性を約束する。
量子ビット数などの量子資源を最小化しながら化学系の定量的記述にアクセスすることは、現在の量子プロセッサの限られた能力を考えると、重要な課題である。
本稿では, 密度汎関数理論を量子アルゴリズムに統合することにより, 量子計算を化学精度で行うためのショートカットを提案し, 与えられたシステム/ユーザ定義量子ビット予算に特異的に適応する。
このアプローチはベースセット収束を自己整合的に加速し、電子密度、基底状態エネルギー、双極子モーメントのような一階特性を改善する。
古典的な「textit{a reari}」、量子ハードウェアの計算に対するエネルギー補正としても機能する。
この戦略は、GPUアクセラレーションされた状態ベクトルエミュレーションを使用して32キュービットまで評価される。
我々はCBSフルコンフィグレーション-相互作用参照の化学的精度に4つの系(He, Be, H$_2$, LiH)の基底状態エネルギーを収束させ, H$_8$水素鎖までの様々な分子の二重ゼータ品質を超える精度を体系的に向上させる。
また、CBS限界に達するH$_2$とLiHの解離曲線も得られるが、N$_2$三重結合破壊の挑戦的なシミュレーションでは、最小基底セットのコストでほぼ三重ゼータ品質が得られる。
このハイブリッド戦略により、100以上の論理量子ビットを用いたブルートフォース量子シミュレーションを必要とする定量的な結果が得られるので、合理的な計算資源で現実世界の化学を探索する機会が開ける。
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