論文の概要: Surface Reaction Simulations for Battery Materials through Sample-Based Quantum Diagonalization and Local Embedding

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2503.10923v1
• Date: Thu, 13 Mar 2025 22:17:29 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-03-17 13:05:52.239819
• Title: Surface Reaction Simulations for Battery Materials through Sample-Based Quantum Diagonalization and Local Embedding
• Title（参考訳）: サンプルベース量子対角化と局所埋め込みによる電池材料の表面反応シミュレーション
• Authors: Marco Antonio Barroca, Tanvi Gujarati, Vidushi Sharma, Rodrigo Neumann Barros Ferreira, Young-Hye Na, Maxwell Giammona, Antonio Mezzacapo, Benjamin Wunsch, Mathias Steiner,
• Abstract要約: リチウム電池電極表面における酸素還元反応の研究に量子埋め込み法を適用した。 連成クラスタシングルと二重の計算を基底状態エネルギー上で精度良く行う。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.04837072536850576
• License:
• Abstract: Accurate quantum chemistry calculations are essential for understanding electronic structures, yet exactly solving the many-body Schr\"odinger equation remains impractical due to electron correlation effects. While Density Functional Theory (DFT) is widely used, its inherent approximations limit its ability to capture strong correlation effects, particularly in surface reactions. Quantum computing offers a promising alternative, especially for localized electron interactions. In this work, we apply a quantum embedding approach to study the Oxygen Reduction Reaction at Lithium battery electrode surfaces. We employ an active space selection strategy, using Density Difference Analysis to identify key orbitals, which are subsequently refined with coupled-cluster natural orbitals. These are treated using Sample-Based Quantum Diagonalization (SQD) and its extended version (Ext-SQD), leveraging the Local Unitary Cluster Jastrow (LUCJ) ansatz for efficient state preparation on quantum hardware. Ext-SQD significantly improves upon standard SQD by incorporating excitation operators into the quantum-computed electron configurations used in classical Quantum Selected Configuration Interaction. Our approach demonstrates improved accuracy over Coupled Cluster Singles and Doubles (CCSD) calculations over ground state energies. The results, validated against Complete Active Space Configuration Interaction (CASCI), whenever computationally feasible, and Heat-Bath Configuration Interaction (HCI), provide new insights into $\mathrm{Li}$-$\mathrm{O_2}$ surface reactions, underscoring the potential of quantum computing in materials discovery and reaction modeling.
• Abstract（参考訳）: 正確な量子化学計算は電子構造を理解するのに不可欠であるが、電子相関効果のため、多体シュリンガー方程式を正確に解くことは不可能である。 密度汎関数理論(DFT)は広く用いられているが、その固有近似は、特に表面反応において強い相関効果を捉える能力を制限する。 量子コンピューティングは、特に局所電子相互作用に対して有望な代替手段を提供する。 本研究では,リチウム電池電極表面における酸素還元反応の研究に量子埋め込み法を適用した。 我々は、密度差解析を用いて鍵軌道を同定し、その後、結合クラスタ自然軌道で精製する活発な空間選択戦略を用いる。 これらはSQD(Sample-Based Quantum Diagonalization)とExt-SQD(Ext-SQD)を使用して処理される。 Ext-SQDは、古典的量子選択構成相互作用で使用される量子計算電子構成に励起演算子を組み込むことにより、標準SQDを大幅に改善する。 提案手法は, クラスタ・シングル・アンド・ダブルス(CCSD)計算による基底状態エネルギーの精度向上を実証する。 その結果、計算可能であればCASCI(Complete Active Space Configuration Interaction)とHCI(Heat-Bath Configuration Interaction)に対して検証され、$\mathrm{Li}$-$\mathrm{O_2}$表面反応に対する新たな洞察を与え、材料発見と反応モデリングにおける量子コンピューティングの可能性を示す。

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