論文の概要: Hamiltonian simulation-based quantum-selected configuration interaction for large-scale electronic structure calculations with a quantum computer

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.07218v1
• Date: Tue, 10 Dec 2024 06:16:26 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-12-11 22:09:45.246486
• Title: Hamiltonian simulation-based quantum-selected configuration interaction for large-scale electronic structure calculations with a quantum computer
• Title（参考訳）: 量子コンピュータを用いた大規模電子構造計算のためのハミルトンシミュレーションに基づく量子選択構成相互作用
• Authors: Kenji Sugisaki, Shu Kanno, Toshinari Itoko, Rei Sakuma, Naoki Yamamoto,
• Abstract要約: 量子化学計算のためのハミルトニアンシミュレーションに基づくQSCI(HSB-QSCI)を提案する。 我々は, オリゴアセン (ベンゼン, ナフタレン, アントラセン) , フェニレン-1, 4-ジニトリエン, ヘキサ-1,2,3,4,5-ペンタエン分子のスピンシンクレット基底状態と最初の励起スピントリップ状態の数値シミュレーションを行った。 HSB-QSCIエネルギーとCAS-CIの値は0.15 kcal mol$-1$である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.33363717210853483
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Quantum-selected configuration interaction (QSCI) is one of the most promising approaches for quantum chemical calculations with the current pre-fault tolerant quantum computers. In the conventional QSCI, the Slater determinants used for the wave function expansion are sampled by iteratively performing approximate wave function preparation and subsequent measurement in the computational basis, and then the subspace Hamiltonian matrix is diagonalized on a classical computer. In this approach, the preparation of a high-quality approximate wave function is necessary to compute total energies accurately. In this work, we propose a Hamiltonian simulation-based QSCI (HSB-QSCI) to avoid this difficulty. In the HSB-QSCI, the Slater determinants are sampled from quantum states generated by the real-time evolution of approximate wave functions. We provide numerical simulations for the spin-singlet ground state and the first excited spin-triplet state of oligoacenes (benzene, naphthalene, and anthracene), phenylene-1,4-dinitrene, and hexa-1,2,3,4,5-pentaene molecules; these results reveal that the HSB-QSCI is applicable not only to molecules where the Hartree--Fock provides a good approximation of the ground state, but also to strongly correlated systems with multiconfigurational characteristics (i.e., the case where preparing a high-quality approximate wave function is hard). We have also numerically confirmed that the HSB-QSCI is robust to approximation errors of the Hamiltonian simulation, such as Trotter errors and the truncation errors of Hamiltonian term by maximum locality in the localized molecular orbital basis. Hardware demonstrations of the HSB-QSCI are also reported for the hexa-1,2,3,4,5-pentaene molecule using 20 qubits IBM superconducting device. The differences between the HSB-QSCI energy and the CAS-CI value are at most 0.15 kcal mol$^{-1}$, achieving chemical precision.
• Abstract（参考訳）: 量子選択構成相互作用(QSCI)は、量子化学計算における最も有望なアプローチの1つである。 従来のQSCIでは、近似波動関数の準備およびその後の計算ベースでの計測を繰り返して、波動関数展開に使用されるスレーター行列をサンプリングし、古典的コンピュータ上でサブスペースハミルトン行列を対角化する。 提案手法では,全エネルギーを正確に計算するために,高品質な近似波動関数の調製が必要である。 本研究では,ハミルトニアンシミュレーションに基づくQSCI(HSB-QSCI)を提案する。 HSB-QSCIでは、スレーター行列式は近似波動関数のリアルタイム進化によって生成される量子状態からサンプリングされる。 これらの結果から, HSB-QSCIは, 基底状態の近似が良好である分子のみならず, マルチコンフィグレーション特性(例えば, 高品質な近似波動関数の作成が困難である場合)の強い相関系にも適用可能であることが明らかとなった。 また, HSB-QSCIは, トロッター誤差やハミルトン項のトランケーション誤差などのハミルトンシミュレーションの近似誤差に対して, 局在化分子軌道基底の最大局所性によって頑健であることが数値的に確認された。 HSB-QSCIのハードウェア実証は、20キュービットのIBM超伝導デバイスを用いたヘキサ-1,2,3,4,5ペンタエン分子にも報告されている。 HSB-QSCIエネルギーとCAS-CIの値の違いは、少なくとも0.15 kcal mol$^{-1}$であり、化学的精度を達成する。

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