論文の概要: Gradient-Based Excitation Filter for Molecular Ground-State Simulation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.20398v1
• Date: Wed, 25 Jun 2025 13:12:45 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-26 21:00:42.742119
• Title: Gradient-Based Excitation Filter for Molecular Ground-State Simulation
• Title（参考訳）: 分子基底状態シミュレーションのための勾配型励起フィルタ
• Authors: Runhong He, Qiaozhen Chai, Xin Hong, Ji Guan, Guolong Cui, Shengbin Wang, Shenggang Ying,
• Abstract要約: 変量量子固有解法(VQE)は、分子エネルギーレベルを研究するための主要なアルゴリズムである。 本稿では,従来のコンピュータにおける単一励起と二重励起(UCCSD)アンサッツを用いたユニタリ結合クラスタを効率的に単純化する手法を提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 6.627541720714792
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Molecular system simulation is one of the most promising areas for demonstrating practical quantum advantage with near-term quantum computers. The Variational Quantum Eigensolver (VQE) is a leading algorithm for studying molecular energy levels, yet it still faces significant challenges due to excessive circuit depth. This paper introduces a method to efficiently simplify the Unitary Coupled-Cluster with Single and Double Excitations (UCCSD) ansatz in classical computer. We propose to estimate the correlation energy contributions of excitations using their gradients at Hartree-Fock state, supported by theoretical proof. By projecting the system's full Hamiltonian and Hartree-Fock state onto the subspace of excitation operators, these gradients can be computed efficiently and parallelly on classical computers with complexity only equivalent to $16\times16$ matrix multiplication. Leveling these gradients, the simplified ansatz can be readily constructed through the ordering and truncation of the corresponding excitations. Furthermore, we introduce a strategy that utilizes free parameters to indirectly identify critical excitations, reducing gradient computations by $\thicksim$60\% by exploiting the constraints of spin adaptation. Numerical experiments on prototype molecular systems (H\textsubscript{4}, HF, H\textsubscript{2}O, BeH\textsubscript{2} and NH\textsubscript{3}) demonstrate that our primary results and ablative studies achieve parameter reductions up to 46\% and 69\%, respectively, compared to state-of-the-art benchmarks (ADAPT-VQE and SymUCCSD), enabling significantly more compact quantum circuits with enhanced near-term feasibility.
• Abstract（参考訳）: 分子系シミュレーションは、短期量子コンピュータで実用的な量子優位性を示す最も有望な分野の1つである。 変分量子固有解法(VQE)は分子エネルギー準位を研究するための主要なアルゴリズムであるが、過度の回路深さのために依然として大きな課題に直面している。 本稿では,従来のコンピュータにおける単一励起と二重励起(UCCSD)アンサッツを用いたユニタリ結合クラスタを効率的に単純化する手法を提案する。 本稿では,Hartree-Fock状態における励起の相関エネルギー寄与を,理論的証明によって裏付けられる勾配を用いて推定する。 システムの全ハミルトニアン状態とハートリーフォック状態が励起演算子の部分空間に投影されることで、これらの勾配は16\times16$行列乗法と同等の複雑さを持つ古典的コンピュータ上で効率的に並列に計算できる。 これらの勾配を測ると、単純化されたアンザッツは対応する励起の順序付けと切り離しによって容易に構築できる。 さらに、スピン適応の制約を利用して、自由パラメータを用いて間接的に臨界励起を識別し、勾配計算を$\thicksim$60\%削減する戦略を導入する。 プロトタイプ分子系(H\textsubscript{4}, HF, H\textsubscript{2}O, BeH\textsubscript{2}, NH\textsubscript{3})の数値実験により, 近距離実現性を高めたよりコンパクトな量子回路を実現するための最先端ベンチマーク(ADAPT-VQE, SymUCCSD)と比較して, それぞれ46\%, 69\%のパラメータ削減を達成した。

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