論文の概要: Quantum Algorithm for Vibronic Dynamics: Case Study on Singlet Fission Solar Cell Design
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2411.13669v1
- Date: Wed, 20 Nov 2024 19:22:10 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2024-11-22 15:18:52.367989
- Title: Quantum Algorithm for Vibronic Dynamics: Case Study on Singlet Fission Solar Cell Design
- Title（参考訳）: ビブロニックダイナミクスのための量子アルゴリズム:単一フィッション太陽電池設計の事例研究
- Authors: Danial Motlagh, Robert A. Lang, Jorge A. Campos-Gonzalez-Angulo, Tao Zeng, Alan Aspuru-Guzik, Juan Miguel Arrazola,
- Abstract要約: 実空間における一般的なビブロンハミルトニアンの下での時間発展をシミュレーションするための量子アルゴリズムを提案する。
そこで本研究では,より効率的な一重項核分裂型有機太陽電池の設計のための材料発見パイプラインへのアルゴリズムの初歩的な統合の証明について概説する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.6254376833928295
- License:
- Abstract: Vibronic interactions between nuclear motion and electronic states are critical for the accurate modeling of photochemistry. However, accurate simulations of fully quantum non-adiabatic dynamics are often prohibitively expensive for classical methods beyond small systems. In this work, we present a quantum algorithm based on product formulas for simulating time evolution under a general vibronic Hamiltonian in real space, capable of handling an arbitrary number of electronic states and vibrational modes. We develop the first trotterization scheme for vibronic Hamiltonians beyond two electronic states and introduce an array of optimization techniques for the exponentiation of each fragment in the product formula, resulting in a remarkably low cost of implementation. To demonstrate practical relevance, we outline a proof-of-principle integration of our algorithm into a materials discovery pipeline for designing more efficient singlet fission-based organic solar cells. Based on commutator bounds, we estimate that a $100$ femtosecond evolution using a second-order Trotter product formula of a $4$-state model of an anthracene-fullerene interface requires $117$ qubits and $1.5 \times 10^7$ Toffoli gates in a reduced dimensionality of $11$ modes. In its full dimensionality of $246$ modes, it requires $1065$ qubits and $2.7 \times 10^9$ Toffoli gates.
- Abstract（参考訳）: 原子核運動と電子状態の相互作用は光化学の正確なモデリングに重要である。
しかし、完全量子非断熱力学の正確なシミュレーションは、しばしば、小さなシステムを超えた古典的な手法では違法に高価である。
本研究では、実空間における一般的な振動ハミルトニアンの下での時間発展をシミュレーションする積公式に基づく量子アルゴリズムを提案する。
2つの電子状態を超えるビブロニックハミルトニアンに対する最初のトロタライズ手法を開発し、積公式における各フラグメントの指数化のための一連の最適化手法を導入し、実装コストを著しく低くする。
そこで本研究では,より効率的な一重項核分裂型有機太陽電池の設計のための材料発見パイプラインへのアルゴリズムの初歩的な統合の証明について概説する。
通勤者境界から、アントラセン-フルレン界面の4ドル状態モデルの2次トロッター積公式を用いた100ドルフェムト秒の進化は、117ドルキュービットと1.5ドルキュービット10^7ドルトフォリゲートを111ドルモードで削減する必要があると推定する。
フル次元の246$モードでは、1065$ qubitsと2.7 \times 10^9$ Toffoli gatesが必要である。
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