論文の概要: Optimizing Quantum Chemistry Simulations with a Hybrid Quantization Scheme

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.04253v1
• Date: Sun, 06 Jul 2025 06:06:48 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-08 15:46:35.091395
• Title: Optimizing Quantum Chemistry Simulations with a Hybrid Quantization Scheme
• Title（参考訳）: ハイブリッド量子化スキームによる量子化学シミュレーションの最適化
• Authors: Calvin Ku, Yu-Cheng Chen, Alice Hu, Min-Hsiu Hsieh,
• Abstract要約: 本稿では、2つの量子化を効率よく切り替える変換回路を用いた電子シミュレーションのためのハイブリッド量子化手法を提案する。 このように、平面波ハミルトニアンシミュレーションは、第2量子化に変換する前に、第1量子化において効率的に行うことができる。 本稿では, このハイブリッド量子化手法の適用により, 基底状態特性と励起状態特性のキャラクタリゼーションが向上することを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 11.915190522925199
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Unlike classical algorithms, where second quantization is ubiquitous, the nature of quantum computers enables both the first- and second-quantized representations to be on somewhat equal footing. While quantum algorithms of both quantizations provide advantages over classical algorithms for ground state calculation and time-evolution, they face distinct limitations and inefficiencies in addressing real-world molecular and material simulation problems. As an example, the first-quantized representation is unsuitable for calculating electron non-conserving properties, such as dynamic correlations. Conversely, the ground-state molecular orbital wavefunction efficiently prepared in the second quantization may benefit from efficient first-quantized measurement circuits. In light of this, we propose a hybrid quantization scheme for electronic simulations that employs a conversion circuit to switch efficiently between the two quantizations, achieving a gate cost of $\mathcal{O}(N\log N \log M)$ and requiring $\mathcal{O}(N \log M)$ qubits for a system of $N$ electrons and $M$ orbitals. This way, plane-wave Hamiltonian simulations can be done efficiently in the first-quantization before converting to the second quantization to apply electron non-conserving operations. Similarly, second-quantized Hamiltonian simulation algorithms can take advantage of efficient measurement circuits originally designed for the first-quantized representation. We discuss applications of this hybrid quantization scheme to bring polynomial circuit improvements in the characterization of ground-state and excited-state properties, and in performing ab-initio molecular dynamics (AIMD) calculations.
• Abstract（参考訳）: 第2量子化がユビキタスな古典的アルゴリズムとは異なり、量子コンピュータの性質は、第1量子化表現と第2量子化表現の両方をある程度同じ足場にすることができる。 量子化の量子アルゴリズムは基底状態計算や時間進化の古典的アルゴリズムよりも優れているが、実世界の分子・物質シミュレーション問題に対処する際、異なる制限と非効率性に直面している。 一例として、第一量子化表現は、動的相関のような電子非保存特性の計算には適さない。 逆に、第2量子化で効率的に調製された基底状態分子軌道波動関数は、効率的な第1量子化測定回路の恩恵を受けることができる。 そこで本研究では,変換回路を用いて2つの量子化を効率よく切り替え,ゲートコストが$\mathcal{O}(N\log N \log M)$,および$\mathcal{O}(N \log M)$ qubitsが要求される電子シミュレーションのハイブリッド量子化手法を提案する。 このように、平面波ハミルトニアンシミュレーションは第1量子化で効率的に行うことができ、第2量子化に変換して電子非保存演算を適用する。 同様に、第2量子化ハミルトンシミュレーションアルゴリズムは、もともと第1量子化表現のために設計された効率的な測定回路を利用することができる。 本稿では, このハイブリッド量子化手法の適用により, 基底状態特性と励起状態特性のキャラクタリゼーションに多項式回路を改良し, Ab-initio molecular dynamics (AIMD) 計算を行う。

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