論文の概要: A comprehensive framework to simulate real-time chemical dynamics on a fault-tolerant quantum computer

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.06348v1
• Date: Tue, 08 Apr 2025 18:00:11 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-04-10 13:05:32.830934
• Title: A comprehensive framework to simulate real-time chemical dynamics on a fault-tolerant quantum computer
• Title（参考訳）: フォールトトレラント量子コンピュータにおけるリアルタイム化学力学をシミュレートするための包括的枠組み
• Authors: Felipe H. da Jornada, Matteo Lostaglio, Sam Pallister, Burak Şahinoğlu, Karthik I. Seetharam,
• Abstract要約: 本稿では,量子コンピュータ上での化学系のリアルタイムダイナミクスをシミュレーションするためのエンドツーエンドフレームワークを提案する。 擬似イオンを用いる第1量子化平面波アルゴリズムは、化学的に不活性な電子と核を単一のイオン性物質に集約する。 本稿では, 故障耐性量子コンピュータ上で, 化学的に興味深い複数のシステムに対して, アルゴリズムの実行コストを広範囲に解析する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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• Abstract: We present a comprehensive end-to-end framework for simulating the real-time dynamics of chemical systems on a fault-tolerant quantum computer, incorporating both electronic and nuclear quantum degrees of freedom. An all-particle simulation is nominally efficient on a quantum computer, but practically infeasible. Hence, central to our approach is the construction of a first-quantized plane-wave algorithm making use of pseudoions. The latter consolidate chemically inactive electrons and the nucleus into a single effective dynamical ionic entity, extending the well-established concept of pseudopotentials in quantum chemistry to a two-body interaction. We explicitly describe efficient quantum circuits for initial state preparation across all degrees of freedom, as well as for block-encoding the Hamiltonian describing interacting pseudoions and chemically active electrons, by leveraging recent advances in quantum rejection sampling to optimize the implementations. To extract useful chemical information, we first design molecular fingerprints by combining density-functional calculations with machine learning techniques, and subsequently validate them through surrogate classical molecular dynamics simulations. These fingerprints are then coherently encoded on a quantum computer for efficient molecular identification via amplitude estimation. We provide an extensive analysis of the cost of running the algorithm on a fault-tolerant quantum computer for several chemically interesting systems. As an illustration, simulating the interaction between $\mathrm{NH_3}$ and $\mathrm{BF_3}$ (a 40-particle system) requires 808 logical qubits to encode the problem, and approximately $10^{11}$ Toffoli gates per femtosecond of time evolution. Our results establish a foundation for further quantum algorithm development targeting chemical and material dynamics.
• Abstract（参考訳）: 本稿では, 耐故障性量子コンピュータ上での化学系のリアルタイム力学をシミュレーションし, 電子的および核的量子自由度の両方を取り入れた包括的エンドツーエンドフレームワークを提案する。 全粒子シミュレーションは、量子コンピュータでは名目上効率的であるが、事実上不可能である。 したがって、我々のアプローチの中心は擬似性を利用した第1量子平面波アルゴリズムの構築である。 後者は化学的に不活性な電子と核を単一の効果的な動的イオン性物質に集約し、量子化学における擬ポテンシャルの概念を2体相互作用へと拡張する。 我々は、全ての自由度における初期状態準備のための効率的な量子回路と、相互作用する擬似体と化学活性電子を記述したブロックエンコードについて、量子拒絶サンプリングの最近の進歩を活用して実装を最適化する。 有用な化学情報を抽出するために,まず密度関数計算と機械学習技術を組み合わせて分子指紋を設計し,次に古典分子動力学シミュレーションを用いて検証する。 これらの指紋は、振幅推定による効率的な分子識別のために、量子コンピュータにコヒーレントに符号化される。 本稿では, 故障耐性量子コンピュータ上で, 化学的に興味深い複数のシステムに対して, アルゴリズムの実行コストを広範囲に解析する。 例示として、$\mathrm{NH_3}$と$\mathrm{BF_3}$(40粒子系)の間の相互作用をシミュレートするには、問題をエンコードするには808の論理量子ビットが必要である。 本研究は, 化学・物質力学を対象とするさらなる量子アルゴリズム開発の基礎を築いた。

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