論文の概要: Quantum-Centric Alchemical Free Energy Calculations

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.20825v1
• Date: Wed, 25 Jun 2025 20:50:40 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-27 19:53:09.885236
• Title: Quantum-Centric Alchemical Free Energy Calculations
• Title（参考訳）: 量子中心アルケミカル自由エネルギー計算
• Authors: Milana Bazayeva, Zhen Li, Danil Kaliakin, Fangchun Liang, Akhil Shajan, Susanta Das, Kenneth M. Merz Jr,
• Abstract要約: 本研究は,本法を用いて構成相互作用(CI)シミュレーションを組み込むことで,アルケミカルフリーエネルギ(AFE)予測の精度を向上させることを目的とする。 A) PySCFバックエンドを経由して、従来のコンピューティングリソースを使用したフル構成インタラクション(FCI)、B)量子中心のサンプルベース量子対角化(SQD)ワークフローをQiskit経由で実行する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.6741394365746018
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: In the present work, we present a hybrid quantum-classical workflow aimed at improving the accuracy of alchemical free energy (AFE) predictions by incorporating configuration interaction (CI) simulations using the book-ending correction method. This approach applies the Multistate Bennett Acceptance Ratio (MBAR) over a coupling parameter {\lambda} to smoothly transition the system from molecular mechanics (MM) ({\lambda} = 0) to a quantum mechanics (QM) ({\lambda} = 1) description. The resulting correction is then applied to the classically (MM) computed AFE to account for the more accurate QM treatment. The standard book-ending procedure uses AMBER to simulate the MM region, and QUICK, AMBER's default QM engine, to handle the QM region with either the Hartree-Fock (HF) method or density functional theory (DFT). In this work, we introduce a novel interface to QUICK, via sander, that enables CI simulations, and can operate in two ways: A) via PySCF backend to perform full configuration interaction (FCI) using conventional computing resources, B) quantum-centric sample-based quantum diagonalization (SQD) workflow via Qiskit which leverages both quantum hardware and post-processing on conventional computing resources for CI simulations. In this workflow QUICK performs most steps of the calculations, but at user-defined intervals, it redirects the computation to either FCI or SQD backend to get the CI result. We computed the book-end corrections for the hydration free energy (HFE) of three small organic molecules (ammonia, methane, and water) to benchmark the proposed approach and demonstrate how quantum-computers can be used in AFE calculations. We believe that this approach can be scaled to more complex systems like drug-receptor interactions in future studies.
• Abstract（参考訳）: 本報告では,本手法を用いて構成相互作用(CI)シミュレーションを組み込むことにより,アルケミカルフリーエネルギ(AFE)予測の精度向上を目的としたハイブリッド量子古典ワークフローを提案する。 このアプローチでは、結合パラメータ {\lambda} 上の多状態ベネット受容比 (MBAR) を適用して、分子力学 (MM) ({\lambda} = 0) から量子力学 (QM) ({\lambda} = 1) へのスムーズな遷移を行う。 結果として得られた補正は、より正確なQM処理のために古典的に計算されたAFEに適用される。 標準書記法では、AMBERを用いてMM領域をシミュレートし、QUICK(AMBERのデフォルトQMエンジン)はハーツリー・フォック法(HF)または密度汎関数理論(DFT)を用いてQM領域を処理する。 本研究では,従来の計算資源を用いたフル構成インタラクション(FCI)を実現するためにPySCFバックエンドを経由するA)Qiskitによる量子中心型サンプルベース量子対角化(SQD)ワークフローを,CIシミュレーションのための従来の計算リソース上で,量子ハードウェアと後処理の両方を活用するQQD(Quantum-centric sample-based quantum diagonalization, SQD)ワークフローを提案する。 このワークフローではQUICKは計算のほとんどのステップを実行するが、ユーザ定義のインターバルでは、計算結果をFCIまたはSQDバックエンドにリダイレクトしてCI結果を取得する。 本研究では, 有機分子3分子(アンモニア, メタン, 水)の水和自由エネルギー(HFE)のブックエンド補正を行い, 提案手法のベンチマークを行い, AFE計算における量子コンピュータの利用方法を示した。 このアプローチは、将来の研究において、薬物と受容体の相互作用のようなより複雑なシステムにスケールできると考えている。

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