論文の概要: Fast simulations of X-ray absorption spectroscopy for battery materials on a quantum computer
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.15784v1
- Date: Wed, 18 Jun 2025 18:00:29 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-06-23 19:00:04.78341
- Title: Fast simulations of X-ray absorption spectroscopy for battery materials on a quantum computer
- Title（参考訳）: 量子コンピュータを用いた電池材料のX線吸収分光の高速シミュレーション
- Authors: Stepan Fomichev, Pablo A. M. Casares, Jay Soni, Utkarsh Azad, Alexander Kunitsa, Arne-Christian Voigt, Jonathan E. Mueller, Juan Miguel Arrazola,
- Abstract要約: 本研究は,X線吸収のための時間領域アルゴリズムの高度に最適化された実装を提案する。
提案アルゴリズムの低コスト化により,耐故障性量子デバイスを用いた高容量電池陰極の開発・商業化が促進される。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 36.21999915593711
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: X-ray absorption spectroscopy (XAS) is a leading technique for understanding structural changes in advanced battery materials such as lithium-excess cathodes. However, extracting critical information like oxidation states from the experimental spectra requires expensive and time-consuming simulations. Building upon a recent proposal to simulate XAS using quantum computers, this work proposes a highly-optimized implementation of the time-domain algorithm for X-ray absorption. Among a host of improvements to Hamiltonian representation, circuit implementation, and measurement strategies, three optimizations are key to the efficiency of the algorithm. The first is the use of product formulas with the compressed double factorized form of the Hamiltonian. The second is recognizing that for spectroscopy applications, it is sufficient to control the error in the eigenvalues of the (approximate) Hamiltonian being implemented by the product formula, rather than the generic error on the full time evolution operator. Using perturbation theory to estimate this eigenvalue error, we find that significantly fewer Trotter steps are needed than expected from the time evolution error bound. The third is the choice of an optimized distribution of samples that takes advantage of the exponentially decaying Lorentzian kernel. Through constant factor resource estimates, we show that a challenging model Li$_4$Mn$_2$O cluster system with 18 spatial orbitals and 22 electrons in the active space can be simulated with 100 logical qubits and less than $4 \times 10^8$ T gates per circuit. Finally, the algorithm is implemented on a simulator, and the reconstructed spectrum is verified against a classical computational reference. The low cost of our algorithm makes it attractive to use on fault-tolerant quantum devices to accelerate the development and commercialization of high-capacity battery cathodes.
- Abstract（参考訳）: X線吸収分光法(XAS)は、リチウム過剰陰極などの先進電池材料の構造変化を理解するための主要な手法である。
しかし、実験スペクトルから酸化状態などの臨界情報を抽出するには、高価で時間を要するシミュレーションが必要である。
量子コンピュータを用いてXASをシミュレートする最近の提案に基づいて、X線吸収のための時間領域アルゴリズムの高度に最適化された実装を提案する。
ハミルトニアン表現、回路実装、測定戦略の改善点のうち、3つの最適化がアルゴリズムの効率の鍵となる。
1つ目は、ハミルトン多様体の圧縮二重分解形式による積公式の使用である。
第二に、分光法の適用においては、フルタイム進化作用素上の一般的な誤差ではなく、積公式によって実装されている(近似)ハミルトニアンの固有値の誤差を制御するのに十分である。
この固有値誤差を推定するために摂動理論を用いると、時間発展誤差境界から予想されるよりもはるかに少ないトロッターステップが必要であることが分かる。
3つ目は指数関数的に崩壊するローレンツ核を利用するサンプルの最適化分布の選択である。
定数係数資源推定により、18個の空間軌道と22個の電子を持つ挑戦モデルLi$_4$Mn$_2$Oが100個の論理量子ビットと4個の10^8$Tゲートでシミュレート可能であることを示す。
最後に、このアルゴリズムをシミュレーターに実装し、古典的な計算基準に対して再構成スペクトルを検証する。
提案アルゴリズムの低コスト化により,耐故障性量子デバイスを用いた高容量電池陰極の開発・商業化が促進される。
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