論文の概要: Scaling active spaces in simulations of surface reactions through sample-based quantum diagonalization

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2503.10923v2
• Date: Wed, 29 Oct 2025 18:18:04 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-31 16:05:09.261417
• Title: Scaling active spaces in simulations of surface reactions through sample-based quantum diagonalization
• Title（参考訳）: サンプルベース量子対角化による表面反応シミュレーションにおける活性空間のスケーリング
• 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: 量子コンピューティングは、局所的な相互作用を持つ相関電子系のエネルギーを予測するための経路を提供する。 本稿では,リチウム電池の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。 量子アルゴリズムとして、サンプルベースの量子対角化、SQD、および拡張バージョンのExt-SQDを使用し、電子励起を量子選択された電子構成サブ空間に統合する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.027087606206363222
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum-chemical simulations are essential for predicting energies of chemical reactions. Accurately solving the many-body Schr\"odinger equation for reagent and product states of most relevant chemical process is, however, unfeasible. Quantum computing offers a pathway for predicting energies of correlated electronic systems with localized interactions. Here, we apply a quantum embedding approach for investigating oxygen reduction reactions at the electrode surface in Lithium batteries, a representative example of energetic analysis in localized chemical reactions. We employ an Active Space Selection method based on Density Difference Analysis for identifying the orbitals involved in the reaction. Leveraging the Local Unitary Cluster Jastrow ansatz for state preparation, the active-space orbitals are then processed on a quantum computer. As quantum algorithms, we use Sample-based Quantum Diagonalization, SQD, and its extended version, Ext-SQD, which integrates electronic excitations into the quantum-selected electronic configuration subspace. The largest configurations are represented by quantum circuits mapped onto 80 qubits of an IBM Heron R2 quantum processing unit. For up to 12 orbitals, we are able to benchmark the quantum-computed reaction energies against results obtained with Complete Active Space Configuration Interaction. For benchmarking results in active spaces as large as 32 orbitals, we resort to Heat-Bath Configuration Interaction and Coupled Cluster Singles and Doubles calculations, respectively. At 27 orbitals, the Ext-SQD results exhibit prediction accuracy improvements with regard to the standard, quantum-chemical reference methods that remain computationally feasible at that scale. The results indicate the potential of sample-based quantum diagonalization for performing high-accuracy reaction modeling in chemistry and materials science.
• Abstract（参考訳）: 量子化学シミュレーションは化学反応のエネルギーを予測するのに不可欠である。 しかし、最も関連する化学プロセスの試薬および生成物状態に対する多体Schr\"odinger方程式を正確に解くことは不可能である。 量子コンピューティングは、局所的な相互作用を持つ相関電子系のエネルギーを予測するための経路を提供する。 本稿では, リチウム電池の電極表面における酸素還元反応の量子埋め込み法を適用し, 局所化化学反応におけるエネルギー分析の代表的な例を示す。 本研究では, 密度差解析に基づくアクティブな空間選択法を用いて, 反応に関与する軌道を同定する。 状態準備のためにローカル・ユニタリ・クラスタ・ジャストロウ・アンサッツを利用すると、アクティブ・スペース・オービタルは量子コンピュータで処理される。 量子アルゴリズムとして、サンプルベースの量子対角化、SQD、および拡張バージョンのExt-SQDを使用し、電子励起を量子選択された電子構成サブ空間に統合する。 最大の構成は、IBM Heron R2量子処理ユニットの80キュービットにマッピングされた量子回路で表される。 最大12軌道では、完全能動空間構成相互作用で得られた結果に対して量子計算された反応エネルギーをベンチマークすることができる。 最大32オービタルのアクティブな空間でのベンチマークでは,それぞれヒート・ボス・コンフィグレーション・インタラクション(Heat-Bath Configuration Interaction)と結合クラスタ・シングルス(Coupled Cluster Singles)とダブルス(Doubles)の計算に頼っている。 27の軌道において、Ext-SQDの結果は、その規模で計算可能な標準的な量子化学参照法に関して、予測精度の向上を示す。 その結果, 試料を用いた量子対角化の可能性を示し, 化学および材料科学における高精度な反応モデリングを行った。

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