論文の概要: Enhancing quantum computations with the synergy of auxiliary field quantum Monte Carlo and computational basis tomography

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.20066v2
• Date: Mon, 28 Apr 2025 16:52:57 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-05-02 19:15:52.298365
• Title: Enhancing quantum computations with the synergy of auxiliary field quantum Monte Carlo and computational basis tomography
• Title（参考訳）: 補助場量子モンテカルロの相乗による量子計算の強化と計算基礎トモグラフィー
• Authors: Viktor Khinevich, Wataru Mizukami,
• Abstract要約: 本稿では,計算基底トモグラフィー(CBT)を量子古典的補助場量子モンテカルロ法(QC-AFQMC)に組み込むハイブリッドアルゴリズムであるQC-CBT-AFQMCを紹介する。
• 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: We introduce QC-CBT-AFQMC, a hybrid algorithm that incorporates computational basis tomography (CBT) into the quantum-classical auxiliary-field quantum Monte Carlo (QC-AFQMC) method proposed by Huggins et al. [Nature 603, 416-420 (2022)], replacing the use of classical shadows. While the original QC-AFQMC showed high accuracy for quantum chemistry calculations, it required exponentially costly post-processing. Subsequent work using Matchgate shadows [Commun. Math. Phys. 404, 629 (2023)] improved scalability, but still suffers from prohibitive computational requirements that limit practical applications. Our QC-CBT-AFQMC approach uses shallow Clifford circuits with a quadratic reduction of two-qubit gates over the original algorithm, significantly reducing computational requirements and enabling accurate calculations under limited measurement budgets. We demonstrate its effectiveness on the hydroxyl radical, ethylene, and nitrogen molecule, producing potential energy curves that closely match established benchmarks. We also examine the influence of CBT measurement counts on accuracy, showing that subtracting the active space AFQMC energy mitigates measurement-induced errors. Furthermore, we apply QC-CBT-AFQMC to estimate reaction barriers in [3+2]-cycloaddition reactions, achieving agreement with high-level references and successfully incorporating complete basis set extrapolation techniques. These results highlight QC-CBT-AFQMC as a practical quantum-classical hybrid method that bridges the capabilities of quantum devices and accurate chemical simulations.
• Abstract（参考訳）: 本稿では,量子古典的補助場量子モンテカルロ法(QC-AFQMC)に計算基底トモグラフィー(CBT)を組み込んだハイブリッドアルゴリズムであるQC-CBT-AFQMCを紹介する。 元々のQC-AFQMCは量子化学計算の精度が高かったが、指数関数的にコストのかかる後処理を必要とした。 その後、Matchgateのシャドウ (Commun. Math. Phys. 404, 629 (2023)) を使った作業によりスケーラビリティが向上したが、実用的アプリケーションを制限する計算の禁断的な要求に悩まされている。 我々のQC-CBT-AFQMCアプローチは、元のアルゴリズムよりも2ビットゲートを2倍に減らした浅いクリフォード回路を使用し、計算要求を大幅に削減し、限られた測定予算の下で正確な計算を可能にする。 本研究では, ヒドロキシルラジカル, エチレン, 窒素分子に対して有効性を示し, 確立したベンチマークと密に一致したポテンシャルエネルギー曲線を創出する。 また, CBT測定回数が精度に与える影響についても検討し, 活性空間AFQMCエネルギーの減算が測定による誤差を軽減することを示した。 さらに, [3+2]-シクロ付加反応における反応障壁の推定にQC-CBT-AFQMCを適用し, 高レベル参照との一致を実現し, 完全基底集合外挿法の導入に成功した。 これらの結果からQC-CBT-AFQMCは量子デバイスの能力と正確な化学シミュレーションを橋渡しする実用的な量子古典ハイブリッド手法として注目されている。

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