論文の概要: Analog Quantum Simulation of Coupled Electron-Nuclear Dynamics in Molecules

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2409.04427v1
• Date: Fri, 6 Sep 2024 17:42:34 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-09-09 15:05:01.210524
• Title: Analog Quantum Simulation of Coupled Electron-Nuclear Dynamics in Molecules
• Title（参考訳）: 分子内電子核ダイナミクスのアナログ量子シミュレーション
• Authors: Jong-Kwon Ha, Ryan J. MacDonell,
• Abstract要約: プレBOフレームワークにおける分子ビブロニックダイナミクスに対する最初のアナログ量子シミュレーション手法を提案する。 提案手法は,等価な古典的アルゴリズムと比較して資源と計算コストが指数関数的に削減されていることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Understanding the coupled electron-nuclear dynamics in molecules induced by light-matter interactions is crucial for potential applications of photochemical processes, but it is challenging due to the high computational costs of exact quantum dynamics simulations. Quantum computing has the potential to reduce the computational cost required for exact quantum dynamics simulations by exploiting the quantum nature of the computational device. However, existing quantum algorithms for coupled electron-nuclear dynamics simulation either require fault-tolerant devices, or use the Born-Oppenheimer (BO) approximation and a truncation of the electronic basis. In this work, we present the first analog quantum simulation approach for molecular vibronic dynamics in a pre-BO framework, i.e. without the separation of electrons and nuclei, by mapping the molecular Hamiltonian to a device with coupled qubits and bosonic modes. We show that our approach has exponential savings in resource and computational costs compared to the equivalent classical algorithms. The computational cost of our approach is also exponentially lower than existing BO-based quantum algorithms. Furthermore, our approach has a much smaller resource scaling than the existing pre-BO quantum algorithms for chemical dynamics. The low cost of our approach will enable an exact treatment of electron-nuclear dynamics on near-term quantum devices.
• Abstract（参考訳）: 光-物質相互作用によって誘導される分子の電子核動力学の結合を理解することは光化学プロセスの潜在的な応用には不可欠であるが、正確な量子力学シミュレーションの計算コストが高いため、これは難しい。 量子コンピューティングは、計算装置の量子特性を利用して、正確な量子力学シミュレーションに必要な計算コストを削減する可能性がある。 しかし、結合電子核力学シミュレーションのための既存の量子アルゴリズムは、フォールトトレラントデバイスを必要とするか、ボルン・オッペンハイマー近似と電子基底の切り離しを用いる。 本研究では、分子ハミルトニアンを量子ビットとボソニックモードを結合したデバイスにマッピングすることで、電子と核の分離なしに、プレBOフレームワークにおける分子ビブロニックダイナミクスに対する最初のアナログ量子シミュレーション手法を提案する。 提案手法は,等価な古典的アルゴリズムと比較して資源と計算コストが指数関数的に削減されていることを示す。 提案手法の計算コストは既存のBOベースの量子アルゴリズムよりも指数関数的に低い。 さらに,本手法は,既存のケミカルダイナミクスのためのプリBO量子アルゴリズムよりもはるかに小さなリソーススケーリングを持つ。 このアプローチの低コストにより、短期量子デバイス上での電子核力学の正確な処理が可能となる。

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