論文の概要: Multi-QIDA method for VQE state preparation in molecular systems

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.11270v1
• Date: Fri, 15 Aug 2025 07:08:54 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-18 14:51:23.777083
• Title: Multi-QIDA method for VQE state preparation in molecular systems
• Title（参考訳）: 分子系におけるVQE状態生成のためのマルチQIDA法
• Authors: Fabio Tarocco, Davide Materia, Leonardo Ratini, Leonardo Guidoni,
• Abstract要約: 変分量子固有解法(VQE)は、分子系の基底状態エネルギーを推定するために設計されたハイブリッド量子古典的アルゴリズムである。 我々はQMI(Quantum Mutual Information)を用いて相関駆動回路を構築し、浅い層状量子回路を構築する。 We benchmark Multi-QIDA on systems on H2O, BeH2, NH3 in Iterative Natural Orbitals (INOs) basis set, to active-space model as H2O-6-31G-CAS(4,4) and N2-cc-pVTZ-CAS(6,6)。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: The development of quantum algorithms and their application to quantum chemistry has introduced new opportunities for solving complex molecular problems that are computationally infeasible for classical methods. In quantum chemistry, the Variational Quantum Eigensolver (VQE) is a hybrid quantum-classical algorithm designed to estimate ground-state energies of molecular systems. Despite its promise, VQE faces challenges such as scalability issues, high circuit depths, and barren plateaus that make the optimization of the variational wavefunction. To mitigate these challenges, the Quantum Information Driven Ansatz (QIDA) leverages Quantum Mutual Information (QMI) to construct compact, correlation-driven circuits. In this work, we go back to the original field of application of QIDA, by applying the already defined Multi-Threshold Quantum Information Driven Ansatz (Multi-QIDA) methodology on Molecular Systems. to systematically construct shallow, layered quantum circuits starting from approximate QMI matrices obtained by Quantum Chemistry calculations. The Multi-QIDA approach combines efficient creation of the QMI map, reduction of the number of correlators required by exploiting Minimum/Maximum spanning tress, and an iterative layer-wise VQE optimization routine. These enhancements allow the method to recover missing correlations in molecular systems while maintaining computational efficiency. Additionally, the approach incorporates alternative gate constructions, such as SO(4) correlators, to enhance the circuit expressibility without significantly increasing the circuit complexity. We benchmark Multi-QIDA on systems ranging from small molecules like H2O, BeH2, and NH3 in Iterative Natural Orbitals (INOs) basis set, to active-space models such as H2O-6-31G-CAS(4,4) and N2-cc-pVTZ-CAS(6,6), comparing it to traditional hardware-efficient ansatze.
• Abstract（参考訳）: 量子アルゴリズムの開発と量子化学への応用により、古典的手法では計算不可能な複雑な分子問題を解く新たな機会がもたらされた。 量子化学において、変分量子固有解法(VQE)は、分子系の基底状態エネルギーを推定するために設計されたハイブリッド量子古典的アルゴリズムである。 その約束にもかかわらず、VQEはスケーラビリティの問題、高い回路深さ、変動波動関数を最適化する不毛な台地といった課題に直面している。 これらの課題を軽減するため、QIDA(Quantum Information Driven Ansatz)はQMI(Quantum Mutual Information)を活用して、コンパクトで相関駆動の回路を構築する。 本稿では、分子システムに既に定義されたマルチ閾値量子情報駆動型アンザッツ(Multi-QIDA)手法を適用することにより、QIDAの当初の応用分野に遡る。 量子化学計算によって得られた近似QMI行列から始まる浅層量子回路を体系的に構築する。 Multi-QIDAアプローチはQMIマップの効率的な作成、最小/最大分散トレースを利用するために必要なコレレータ数の削減、反復的なレイヤワイドVQE最適化ルーチンを組み合わせる。 これらの拡張により、計算効率を保ちながら、分子系の欠落した相関を回復することができる。 さらに、SO(4)相関器のような代替ゲート構造を導入し、回路の複雑さを大幅に増大させることなく回路表現性を高める。 我々は,H2O,BeH2,NH3などの小型分子から,H2O-6-31G-CAS(4,4)やN2-cc-pVTZ-CAS(6,6)といった活動空間モデルまで,従来のハードウェア効率のアンサーゼと比較して,マルチQIDAをベンチマークした。

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