論文の概要: Computing band gaps of periodic materials via sample-based quantum diagonalization

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2503.10901v1
• Date: Thu, 13 Mar 2025 21:34:02 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-03-17 13:06:52.295536
• Title: Computing band gaps of periodic materials via sample-based quantum diagonalization
• Title（参考訳）: サンプルベース量子対角化による周期材料のバンドギャップ計算
• Authors: Alan Duriez, Pamela C. Carvalho, Marco Antonio Barroca, Federico Zipoli, Ben Jaderberg, Rodrigo Neumann Barros Ferreira, Kunal Sharma, Antonio Mezzacapo, Benjamin Wunsch, Mathias Steiner,
• Abstract要約: 本稿では,周期材料の電子基底状態をシミュレーションするための量子対角化(SQD)ワークフローを提案する。 量子回路をサンプリングし、結果として生じる構成部分空間でハミルトンを古典的に対角化することにより、代表材料のバンドギャップエネルギーを予測する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.046813104368264594
• License:
• Abstract: State-of-the-art techniques in computational materials science often fail to capture many-body interactions in periodic systems. One particular application is the electronic structure problem, where established approaches such as Density Functional Theory are applied to predict experimental results. In this contribution, we present a sample-based quantum diagonalization (SQD) workflow for simulating the electronic ground state of periodic materials, and for predicting their band gaps. We obtain a fermionic Hamiltonian for crystalline solids by first projecting the electronic density obtained by density functional theory onto a localized basis set and then adding interaction parameters obtained by a self-consistent field theory. We then build an approximation of the system's ground-state wavefunction with the local unitary cluster Jastrow (LUCJ) ansatz. By sampling the quantum circuit and classically diagonalizing the Hamiltonian in the resulting configuration subspace, we predict the band gap energy of representative materials and obtain agreement with experimental results. The predicted bandgaps were obtained from calculations using 38 and 46 qubits, performed on a superconducting quantum processor, with minimal error-mitigation overhead. Our self-consistent approach offers a scalable pathway for utility-scale quantum simulation of materials.
• Abstract（参考訳）: 計算材料科学における最先端技術は、周期系の多体相互作用を捉えるのに失敗することが多い。 電子構造問題(Electronic structure problem)は、密度汎関数理論のような確立された手法を用いて実験結果を予測するものである。 本稿では,周期材料の電子的基底状態をシミュレーションし,そのギャップを予測するためのサンプルベース量子対角化(SQD)ワークフローを提案する。 結晶性固体に対するフェルミオンハミルトニアンは、まず密度汎関数理論によって得られた電子密度を局所基底集合に投影し、それから自己整合場理論によって得られる相互作用パラメータを付加することによって得られる。 次に,局所ユニタリクラスタJastrow(LUCJ)アンサッツを用いて,系の基底状態波動関数の近似を構築する。 量子回路をサンプリングし、結果として生じる構成部分空間でハミルトンを古典的に対角化することにより、代表材料のバンドギャップエネルギーを予測し、実験結果との一致を得る。 予測バンドギャップは、超伝導量子プロセッサ上で実行される38量子ビットと46量子ビットの計算から得られた。 我々の自己整合性アプローチは、材料の実用規模量子シミュレーションのためのスケーラブルな経路を提供する。

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