論文の概要: Beyond real: Alternative unitary cluster Jastrow models for molecular electronic structure calculations on near-term quantum computers
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.10963v1
- Date: Fri, 16 May 2025 07:59:37 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-05-19 14:36:14.289013
- Title: Beyond real: Alternative unitary cluster Jastrow models for molecular electronic structure calculations on near-term quantum computers
- Title（参考訳）: Beyond real: Alternative Unitary cluster Jastrow model for molecular electronic structure calculations on near-term quantum computer
- Authors: Nikolay V. Tkachenko, Hang Ren, Wendy M. Billings, Rebecca Tomann, K. Birgitta Whaley, Martin Head-Gordon,
- Abstract要約: 短期量子デバイスは、浅い回路深度でも表現可能な波動関数アンスアゼを必要とする。
K-fold Unitary cluster Jastrow (uCJ) ans"atze は$O(kN2) のトロッター回路のスケーリングと線形深度回路の実装を提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.0115700348026253
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
- Abstract: Near-term quantum devices require wavefunction ans\"atze that are expressive while also of shallow circuit depth in order to both accurately and efficiently simulate molecular electronic structure. While unitary coupled cluster (e.g., UCCSD) has become a standard, the high gate count associated with the implementation of this limits its feasibility on noisy intermediate-scale quantum (NISQ) hardware. K-fold unitary cluster Jastrow (uCJ) ans\"atze mitigate this challenge by providing $O(kN^2)$ circuit scaling and favorable linear depth circuit implementation. Previous work has focused on the real orbital-rotation (Re-uCJ) variant of uCJ, which allows an exact (Trotter-free) implementation. Here we extend and generalize the $k$-fold uCJ framework by introducing two new variants, Im-uCJ and g-uCJ, which incorporate imaginary and fully complex orbital rotation operators, respectively. Similar to Re-uCJ, both of the new variants achieve quadratic gate-count scaling. Our results focus on the simplest $k=1$ model, and show that the uCJ models frequently maintain energy errors within chemical accuracy. Both g-uCJ and Im-uCJ are more expressive in terms of capturing electron correlation and are also more accurate than the earlier Re-uCJ ansatz. We further show that Im-uCJ and g-uCJ circuits can also be implemented exactly, without any Trotter decomposition. Numerical tests using $k=1$ on $H_2$, $H_3^+$, $Be_2$, $C_2H_4$, $C_2H_6$ and $C_6H_6$ in various basis sets confirm the practical feasibility of these shallow Jastrow-based ans\"atze for applications on near-term quantum hardware.
- Abstract（参考訳）: 短期量子デバイスは、分子電子構造を正確にかつ効率的にシミュレートするために、浅い回路深さでも表現可能な波動関数 ans\atze を必要とする。
ユニタリ結合クラスタ(例えばUCCSD)は標準となっているが、この実装に関連する高ゲート数は、ノイズの多い中間スケール量子(NISQ)ハードウェアへの実現可能性を制限する。
K-fold Unitary cluster Jastrow (uCJ) ans\"atzeは、$O(kN^2)$の回路スケーリングと好ましい線形深度回路の実装を提供することで、この問題を軽減する。
これまでの研究は、uCJの実際の軌道回転(Re-uCJ)の変種に焦点を当てていた。
ここでは、Im-uCJ と g-uCJ という2つの新しい変種を導入することで、$k$-fold uCJ フレームワークを拡張し、一般化する。
Re-uCJと同様に、どちらの変種も2次ゲート数スケーリングを実現している。
本結果は,最も単純な$k=1$モデルに焦点をあて,UCJモデルが化学精度でエネルギー誤差を頻繁に維持していることを示す。
g-uCJとIm-uCJはどちらも電子相関を捉える点でより表現力が高く、以前のRe-uCJアンザッツよりも正確である。
また,Im-uCJ回路とg-uCJ回路もトロッター分解なしで正確に実装可能であることを示す。
K=1$ on $H_2$, $H_3^+$, $Be_2$, $C_2H_4$, $C_2H_6$ and $C_6H_6$ の数値実験により、短期量子ハードウェア上でのこれらの浅いJastrowベースのAns\atzeの実現可能性が確認された。
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