論文の概要: Molecular Properties in Quantum-Classical Auxiliary-Field Quantum Monte Carlo: Correlated Sampling with Application to Accurate Nuclear Forces
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.17992v1
- Date: Wed, 23 Jul 2025 23:51:10 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-07-25 15:10:42.714685
- Title: Molecular Properties in Quantum-Classical Auxiliary-Field Quantum Monte Carlo: Correlated Sampling with Application to Accurate Nuclear Forces
- Title（参考訳）: 量子古典型補助電界量子モンテカルロの分子特性-原子間力の高精度化と相関サンプリング-
- Authors: Joshua J. Goings, Kyujin Shin, Seunghyo Noh, Woomin Kyoung, Donghwi Kim, Jihye Baek, Martin Roetteler, Evgeny Epifanovsky, Luning Zhao,
- Abstract要約: 我々は古典的補助場量子モンテカルロから量子古典(QCAFQMC)フレームワークへの相関サンプリングを拡張した。
我々は,N$ wave$と拡張線形H$_4$の力評価において,特に強い相関領域において,単一参照法よりも顕著に改善したことを示す。
また, この手法をMEA-CO$$炭素捕獲反応に適用し, 有効空間選択と整合影に量子情報メトリクスを用いた。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.2189422792863451
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: We extend correlated sampling from classical auxiliary-field quantum Monte Carlo to the quantum-classical (QC-AFQMC) framework, enabling accurate nuclear force computations crucial for geometry optimization and reaction dynamics. Stochastic electronic structure methods typically encounter prohibitive statistical noise when computing gradients via finite differences. To address this, our approach maximizes correlation between nearby geometries by synchronizing random number streams, aligning orbitals, using deterministic integral decompositions, and employing a consistent set of classical shadow measurements defined at a single reference geometry. Crucially, reusing this single, reference-defined shadow ensemble eliminates the need for additional quantum measurements at displaced geometries. Together, these methodological choices substantially reduce statistical variance in computed forces. We validate the method across hydrogen chains, confirming accuracy throughout varying correlation regimes, and demonstrate significant improvements over single-reference methods in force evaluations for N$_2$ and stretched linear H$_4$, particularly in strongly correlated regions where conventional coupled cluster approaches qualitatively fail. Orbital-optimized trial wave functions further boost accuracy for demanding cases such as stretched CO$_2$, without increasing quantum resource requirements. Finally, we apply our methodology to the MEA-CO$_2$ carbon capture reaction, employing quantum information metrics for active space selection and matchgate shadows for efficient overlap evaluations, establishing QC-AFQMC as a robust framework for exploring complex reaction pathways.
- Abstract（参考訳）: 我々は、古典的補助場量子モンテカルロから量子古典(QC-AFQMC)フレームワークへの相関サンプリングを拡張し、幾何最適化と反応ダイナミクスに不可欠な正確な核力計算を可能にした。
確率的電子構造法は、有限差分による勾配の計算において禁止的な統計ノイズに直面するのが一般的である。
そこで本研究では, ランダムな数列の同期, 軌道の整列, 決定論的積分分解, 単一参照幾何で定義された一貫した古典的影測定を用いて, 近傍の地形間の相関関係を最大化する。
重要なことに、この単一の参照定義のシャドウアンサンブルを再利用することで、置換された測地における追加の量子測定の必要性を排除している。
これらの方法論的選択は、計算力の統計的分散を著しく減少させる。
N$_2$および伸張線形H$_4$の力評価において, 従来の結合クラスタアプローチが定性的に失敗する強い相関領域において, 単一参照法よりも顕著な改善が見られた。
軌道最適化されたトライアル波動関数は、量子資源要求を増大させることなく、CO$2$のような拡張されたケースの精度をさらに向上する。
最後に, この手法をMEA-CO$2$の炭素捕獲反応に適用し, 有効空間選択のための量子情報メトリクスとマッチングゲートシャドーを用いて効率よく重なり合う評価を行い, 複雑な反応経路を探索するための堅牢なフレームワークとしてQC-AFQMCを確立した。
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