論文の概要: Fullqubit alchemist: Quantum algorithm for alchemical free energy calculations

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.16719v1
• Date: Fri, 22 Aug 2025 18:00:01 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-26 18:43:45.146168
• Title: Fullqubit alchemist: Quantum algorithm for alchemical free energy calculations
• Title（参考訳）: フルクビットアルケミスト:アルケミカル自由エネルギー計算のための量子アルゴリズム
• Authors: Po-Wei Huang, Gregory Boyd, Gian-Luca R. Anselmetti, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Raffaele Santagati, Michael Streif, Benjamin Ries, Daniel Marti-Dafcik, Hamza Jnane, Sophia Simon, Nathan Wiebe, Thomas R. Bromley, Bálint Koczor,
• Abstract要約: 生物学的プロセスの自由エネルギーを正確に計算することは、コンピュータ支援薬物設計の基盤となる。 熱力学積分やアルケミカル自由エネルギー計算のような古典的な手法は、計算コストの削減に大きく貢献している。 我々は、既存のLiouvillianアプローチを適用することで、自由エネルギー差を推定するための量子アルゴリズムによってこの問題に取り組む。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.400139599287897
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Accurately computing the free energies of biological processes is a cornerstone of computer-aided drug design but it is a daunting task. The need to sample vast conformational spaces and account for entropic contributions makes the estimation of binding free energies very expensive. While classical methods, such as thermodynamic integration and alchemical free energy calculations, have significantly contributed to reducing computational costs, they still face limitations in terms of efficiency and scalability. We tackle this through a quantum algorithm for the estimation of free energy differences by adapting the existing Liouvillian approach and introducing several key algorithmic improvements. We directly implement the Liouvillian operator and provide an efficient description of electronic forces acting on both nuclear and electronic particles on the quantum ground state potential energy surface. This leads to super-polynomial runtime scaling improvements in the precision of our Liouvillian simulation approach and quadratic improvements in the scaling with the number of particles. Second, our algorithm calculates free energy differences via a fully quantum implementation of thermodynamic integration and alchemy, thereby foregoing expensive entropy estimation subroutines used in prior works. Our results open new avenues towards the application of quantum computers in drug discovery.
• Abstract（参考訳）: 生物学的プロセスの自由エネルギーを正確に計算することは、コンピュータ支援のドラッグデザインの土台だが、それは大変な作業だ。 広いコンフォメーション空間をサンプリングし、エントロピー的寄与を説明する必要性は、結合自由エネルギーの推定を非常に高くつく。 熱力学積分やアルケミカル自由エネルギー計算のような古典的な手法は計算コストの削減に大きく貢献しているが、効率とスケーラビリティの面ではまだ限界に直面している。 我々は、既存のLiouvillianアプローチに適応し、いくつかの重要なアルゴリズム改善を導入することで、自由エネルギー差を推定するための量子アルゴリズムによってこれに取り組む。 我々は、リウヴィリア作用素を直接実装し、量子基底状態ポテンシャルエネルギー表面上の核粒子と電子粒子の両方に作用する電子力の効率的な記述を提供する。 これにより、リウヴィリアのシミュレーション手法の精度が向上し、粒子数によるスケーリングの2次改善がもたらされる。 第2に,本アルゴリズムは熱力学積分と錬金術の完全量子化による自由エネルギー差を計算し,従来の研究で用いられる高価なエントロピー推定サブルーチンを先導する。 本研究は, 量子コンピュータの創薬への応用に向けた新たな道を開くものである。

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