論文の概要: Limitations of Quantum Hardware for Molecular Energy Estimation Using VQE

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.03995v1
• Date: Wed, 04 Jun 2025 14:19:18 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-05 21:20:14.377491
• Title: Limitations of Quantum Hardware for Molecular Energy Estimation Using VQE
• Title（参考訳）: VQEを用いた分子エネルギー推定のための量子ハードウェアの限界
• Authors: Abel Carreras, David Casanova, Román Orús,
• Abstract要約: 変分量子固有解法(VQEs)は、量子化学における電子構造問題を解くための最も有望な量子アルゴリズムの一つである。 本研究では,現在の量子ハードウェアに実装されているVQEアルゴリズムの性能と限界について検討する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Variational quantum eigensolvers (VQEs) are among the most promising quantum algorithms for solving electronic structure problems in quantum chemistry, particularly during the Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) era. In this study, we investigate the capabilities and limitations of VQE algorithms implemented on current quantum hardware for determining molecular ground-state energies, focusing on the adaptive derivative-assembled pseudo-Trotter ansatz VQE (ADAPT-VQE). To address the significant computational challenges posed by molecular Hamiltonians, we explore various strategies to simplify the Hamiltonian, optimize the ansatz, and improve classical parameter optimization through modifications of the COBYLA optimizer. These enhancements are integrated into a tailored quantum computing implementation designed to minimize the circuit depth and computational cost. Using benzene as a benchmark system, we demonstrate the application of these optimizations on an IBM quantum computer. Despite these improvements, our results highlight the limitations imposed by current quantum hardware, particularly the impact of quantum noise on state preparation and energy measurement. The noise levels in today's devices prevent meaningful evaluations of molecular Hamiltonians with sufficient accuracy to produce reliable quantum chemical insights. Finally, we extrapolate the requirements for future quantum hardware to enable practical and scalable quantum chemistry calculations using VQE algorithms. This work provides a roadmap for advancing quantum algorithms and hardware toward achieving quantum advantage in molecular modeling.
• Abstract（参考訳）: 変分量子固有解法(VQEs)は、特にノイズ中間スケール量子(NISQ)時代に、量子化学における電子構造問題を解く最も有望な量子アルゴリズムの一つである。 本研究では,分子基底エネルギーを決定するために,現在の量子ハードウェア上で実装されているVQEアルゴリズムの性能と限界について検討し,適応型微分合成擬似トロッターアンサッツVQE(ADAPT-VQE)に着目した。 分子ハミルトニアンによって引き起こされる重要な計算課題に対処するため、ハミルトニアンを単純化し、アンザッツを最適化し、COBYLAオプティマイザの修正によって古典的パラメータ最適化を改善するための様々な戦略を探求する。 これらの拡張は、回路深さと計算コストを最小限に抑えるために設計された、調整された量子コンピューティング実装に統合される。 ベンチマークシステムとしてベンゼンを用いて,IBM量子コンピュータにおけるこれらの最適化の応用を実証する。 これらの改善にもかかわらず、現在の量子ハードウェアの制約、特に量子ノイズが状態準備とエネルギー測定に与える影響を強調した。 今日の装置のノイズレベルは、信頼できる量子化学的な洞察を生み出すのに十分な精度で分子ハミルトニアンの有意義な評価を妨げている。 最後に、VQEアルゴリズムを用いて実用的でスケーラブルな量子化学計算を可能にするために、将来の量子ハードウェアの要件を概説する。 この研究は、量子アルゴリズムとハードウェアを進化させ、分子モデリングにおける量子優位性を達成するためのロードマップを提供する。

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