論文の概要: Approximate quantum circuit compilation for proton-transfer kinetics on quantum processors
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.08996v1
- Date: Fri, 11 Jul 2025 19:56:43 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-07-15 18:48:22.067973
- Title: Approximate quantum circuit compilation for proton-transfer kinetics on quantum processors
- Title（参考訳）: 量子プロセッサ上のプロトン-トランスファー運動学のための近似量子回路コンパイル
- Authors: Arseny Kovyrshin, Dilhan Manawadu, Edoardo Altamura, George Pennington, Benjamin Jaderberg, Sebastian Brandhofer, Anton Nykänen, Aaron Miller, Walter Talarico, Stefan Knecht, Fabijan Pavošević, Alberto Baiardi, Francesco Tacchino, Ivano Tavernelli, Stefano Mensa, Jason Crain, Lars Tornberg, Anders Broo,
- Abstract要約: 我々は,Nuclear-Electronic Orbitalフレームワークに基づく量子コンピューティングアルゴリズムを開発し,実演する。
プロトン移動速度を高精度にシミュレーションするための現在の量子デバイスの可能性を評価する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.7147139889072891
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Proton transfer reactions are fundamental to many chemical and biological systems, where quantum effects such as tunneling, delocalization, and zero-point motion play key kinetic control roles. However, classical methods capable of accurately capturing these phenomena scale prohibitively with system size. Here, we develop and demonstrate quantum computing algorithms based on the Nuclear-Electronic Orbital framework, treating the transferring proton quantum mechanically. We assess the potential of current quantum devices for simulating proton transfer kinetics with high accuracy. We first construct a deep initial ans\"atze within a truncated orbital space by employing the frozen natural orbital approximation. Then, to balance circuit depth against state fidelity, we implement an adaptive form of approximate quantum compiling. Using resulting circuits at varying compression levels transpiled for the ibm_fez device, we compute barrier heights and delocalised proton densities along the proton transfer pathway using a realistic hardware noise model. We find that, although current quantum hardware introduces significant noise relative to the demanding energy tolerances involved, our approach allows substantial circuit simplification while maintaining energy barrier estimates within 13% of the reference value. Despite present hardware limitations, these results offer a practical means of approximating key circuit segments in near-term devices and early fault-tolerant quantum computing systems.
- Abstract（参考訳）: 陽子転移反応は、トンネル、非局在化、ゼロ点運動といった量子効果が重要な運動制御の役割を担っている多くの化学・生物学的システムに基本的である。
しかし、これらの現象を正確に捉えることのできる古典的手法は、システムサイズとともに違法にスケールする。
そこで,我々は,量子化プロトンを機械的に処理する,原子-電子軌道フレームワークに基づく量子計算アルゴリズムを開発し,実演する。
プロトン移動速度を高精度にシミュレーションするための現在の量子デバイスの可能性を評価する。
まず、凍結した自然軌道近似を用いて、切り離された軌道空間内で深い初期 ans\atze を構築する。
そして,回路深度と状態忠実度とのバランスをとるために,近似量子コンパイルの適応形式を実装した。
ibm_fez デバイスにトランスパイルされた様々な圧縮レベルの回路を用いて、現実的なハードウェアノイズモデルを用いて、プロトン伝達経路に沿って障壁高さとプロトン密度を非局在化する。
現在の量子ハードウェアは、エネルギー耐性の要求に対して大きなノイズをもたらすが、我々の手法は、基準値の13%以内のエネルギー障壁推定を維持しながら、相当な回路の単純化を可能にする。
現在のハードウェアの限界にもかかわらず、これらの結果は、短期デバイスや初期のフォールトトレラント量子コンピューティングシステムにおいて、キー回路セグメントを近似する実用的な手段を提供する。
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