Fugu-MT 論文翻訳(概要): Gradient-Based Excitation Filter for Molecular Ground-State Simulation

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

arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.20398v2
Date: Mon, 07 Jul 2025 01:20:02 GMT
ステータス: 翻訳完了
システム内更新日: 2025-07-08 15:46:34.431632
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: 本稿では,従来のコンピュータ上での単一および二重励起(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。提案手法は,最大46%のパラメータ減少,60%の回路深さ減少,678タイムのランタイムを実現する。
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 ground-state simulation is one of the most promising fields for demonstrating practical quantum advantage on near-term quantum computers. However, the Variational Quantum Eigensolver (VQE), a leading algorithm for this task, 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 on classical computers. We propose to estimate the correlation energy contributions of excitations using their gradients at Hartree-Fock state, supported by a theoretical proof. For molecular systems with $K$ orbitals, these gradients can be obtained with complexity only $O(K^8)$, which can be efficiently implemented on classical computers, especially in parallel. By sorting and truncating the excitations based on these gradients, the simplified ansatz can be obtained immediately, avoiding the challenging task of optimizing ansatz structure on a quantum computer. Furthermore, we introduce a strategy to indirectly identify critical excitations through spin-adapted constraints, reducing gradient computations by $60\%$. Numerical experiments on prototype molecular systems (H${_4}$, HF, H${_2}$O, BeH${_2}$ and NH$_3$) demonstrate that our approach achieves up to $46\%$ parameter decrease, $60\%$ circuit depth reduction and $678\times$ runtime speedup compared to the state-of-the-art ADAPT-VQE algorithm, enabling significantly more compact quantum circuits with enhanced near-term feasibility.
Abstract（参考訳）: 分子基底状態シミュレーションは、短期量子コンピュータにおける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。しかしながら、このタスクの主要なアルゴリズムである変分量子固有解法(VQE)は、過度の回路深さのため、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上での単一および二重励起(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,理論的な証明によって裏付けられる勾配を用いて推定する。 K$軌道を持つ分子系では、これらの勾配はO(K^8)$のみの複雑さで得られるが、これは古典的コンピュータ、特に並列に効率的に実装できる。これらの勾配に基づいて励起をソート・切り離すことにより、単純化されたアンザッツを直ちに得ることができ、量子コンピュータ上のアンザッツ構造を最適化する難題を回避することができる。さらに、スピン適応制約による臨界励起を間接的に同定し、勾配計算を$60\%$に削減する戦略を導入する。プロトタイプ分子系の数値実験 (H${_4}$, HF, H${_2}$O, BeH${_2}$, NH$_3$) により、我々の手法は、近未来の実現可能性を高めたよりはるかにコンパクトな量子回路を実現することができる。

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