論文の概要: Quantum Simulation of Molecular Dynamics Processes - A Benchmark Study Using Classical Simulator and Present-Day Quantum Hardware
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.21030v1
- Date: Mon, 28 Jul 2025 17:50:24 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-07-29 16:23:58.237899
- Title: Quantum Simulation of Molecular Dynamics Processes - A Benchmark Study Using Classical Simulator and Present-Day Quantum Hardware
- Title（参考訳）: 分子動力学過程の量子シミュレーション -古典的シミュレータと現在の量子ハードウェアを用いたベンチマーク研究-
- Authors: Tamila Kuanysheva, Brian Kendrick, Lukasz Cincio, Dmitri Babikov,
- Abstract要約: 量子コンピュータの古典的シミュレータ(エミュレータ)と、現在利用可能な実際の量子ハードウェアを用いて、量子分子動力学の根本的な問題をモデル化する方法を考察する。
量子ハードウェアの古典的エミュレータをモデル化した結果は、従来の(古典的な)手法で得られた結果と完全に一致している。
しかし、IBMの超伝導量子ビットやIonQの閉じ込められたイオンなど、今日の実際の量子ハードウェアで得られた結果は、ハードウェアの制限による大きな相違を示している。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.40498500266986387
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: We explore how the fundamental problems in quantum molecular dynamics can be modelled using classical simulators (emulators) of quantum computers and the actual quantum hardware available to us today. The list of problems we tackle includes propagation of a free wave packet, vibration of a harmonic oscillator, and tunneling through a barrier. Each of these problems starts with the initial wave packet setup. Although Qiskit provides a general method for initializing wavefunctions, in most cases it generates deep quantum circuits. While these circuits perform well on noiseless simulators, they suffer from excessive noise on quantum hardware. To overcome this issue, we designed a shallower quantum circuit for preparing a Gaussian-like initial wave packet, which improves the performance on real hardware. Next, quantum circuits are implemented to apply the kinetic and potential energy operators for the evolution of a wavefunction over time. The results of our modelling on classical emulators of quantum hardware agree perfectly with the results obtained using the traditional (classical) methods. This serves as a benchmark and demonstrates that the quantum algorithms and Qiskit codes we developed are accurate. However, the results obtained on the actual quantum hardware available today, such as IBM's superconducting qubits and IonQ's trapped ions, indicate large discrepancies due to hardware limitations. This work highlights both the potential and challenges of using quantum computers to solve fundamental quantum molecular dynamics problems.
- Abstract（参考訳）: 量子コンピュータの古典的シミュレーター(エミュレータ)と、現在利用可能な実際の量子ハードウェアを用いて、量子分子動力学の基本的な問題をいかにモデル化できるかを考察する。
私たちが取り組んだ問題の一覧には、自由波パケットの伝搬、高調波発振器の振動、障壁を通るトンネルなどが含まれる。
これらの問題は、最初のウェーブパケットの設定から始まります。
Qiskitは波動関数を初期化する一般的な方法を提供するが、ほとんどの場合、深い量子回路を生成する。
これらの回路は、ノイズのないシミュレータではよく機能するが、量子ハードウェアでは過度なノイズに悩まされる。
この問題を克服するため,ガウス型初期波パケットを作成するためのより浅い量子回路を設計し,実際のハードウェアの性能を向上した。
次に、時間とともに波動関数の進化に動力学およびポテンシャルエネルギー演算子を適用するために量子回路を実装した。
量子ハードウェアの古典的エミュレータをモデル化した結果は、従来の(古典的な)手法で得られた結果と完全に一致している。
これはベンチマークとして機能し、私たちが開発した量子アルゴリズムとQiskit符号が正確であることを示す。
しかし、IBMの超伝導量子ビットやIonQの閉じ込められたイオンなど、今日の実際の量子ハードウェアで得られた結果は、ハードウェアの制限による大きな相違を示している。
この研究は、量子コンピュータを用いて基本的な量子分子動力学問題を解く可能性と課題の両方を強調している。
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