論文の概要: Quantum Simulations of Battery Electrolytes with VQE-qEOM and SQD: Active-Space Design, Dissociation, and Excited States of LiPF$_6$, NaPF$_6$, and FSI Salts

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.13826v1
• Date: Wed, 17 Sep 2025 08:50:48 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-18 18:41:50.793529
• Title: Quantum Simulations of Battery Electrolytes with VQE-qEOM and SQD: Active-Space Design, Dissociation, and Excited States of LiPF$_6$, NaPF$_6$, and FSI Salts
• Title（参考訳）: VQE-qEOMおよびSQDを用いた電池電解質の量子シミュレーション:LiPF$_6$, NaPF$_6$, FSI塩の活性空間設計, 解離, 励起状態
• Authors: Sk Mujaffar Hossain, Seung-Cheol Lee, Satadeep Bhattacharjee,
• Abstract要約: 電池電解質の励起状態を予測するために,ハイブリッド量子古典アルゴリズムを用いる。 PF$_6$塩はより高い第一励起エネルギーを示す。 Li$+$をNa$+$に置き換えると、それぞれのアニオン族の中でsim$0.4--0.8 eVでギャップを狭める。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.9985941705890142
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Accurate prediction of excited states in battery electrolytes is central to understanding photostability, oxidative stability, and degradation. We employ hybrid quantum--classical algorithms -- the Variational Quantum Eigensolver (VQE) for ground states combined with the quantum equation of motion (qEOM) for vertical singlet excitations -- to study LiPF$_6$, NaPF$_6$, LiFSI, and NaFSI. Compact active spaces were constructed from frontier orbitals, mapped to qubits, and reduced via symmetry tapering and commuting-group measurements to lower sampling cost. Within $\sim$10-qubit models, VQE--qEOM agrees closely with exact diagonalization of the same Hamiltonians, while sample-based quantum diagonalization (SQD) in larger active spaces recovers near-exact (subspace-FCI) energies. The spectra display clear anion and cation trends: PF$_6$ salts exhibit higher first-excitation energies (e.g., LiPF$_6$ $\approx$13.2 eV) and a compact three-state cluster at 12--13 eV, whereas FSI salts show substantially lower onsets ($\approx$8--9 eV) with a near-degenerate (S$_1$,S$_2$) followed by S$_3$ $\sim$1.3 eV higher. Substituting Li$^+$ with Na$^+$ narrows the gap by $\sim$0.4--0.8 eV within each anion family. Converting S$_1$ to wavelengths places the onsets in the deep-UV (LiPF$_6$ $\sim$94 nm; NaPF$_6$ $\sim$100 nm; LiFSI $\sim$141 nm; NaFSI $\sim$148 nm). All results pertain to isolated species or embedded clusters appropriate to the NISQ regime; solvent shifts can be incorporated a posteriori via classical $\Delta$-solvation or static embedding. These results demonstrate that current quantum algorithms can deliver chemically meaningful excitation and binding trends for realistic electrolyte motifs and provide quantitative baselines to guide electrolyte screening and design.
• Abstract（参考訳）: 電池電解質中の励起状態の正確な予測は、光安定性、酸化安定性、劣化を理解するために重要である。 我々は、垂直一重項励起の量子方程式(qEOM)と組み合わされた基底状態の変分量子固有解法(VQE)をハイブリッド量子古典アルゴリズムを用いて、LiPF$_6$、NaPF$_6$、LiFSI、NaFSIを研究する。 コンパクトな活性空間はフロンティア軌道から構築され、量子ビットにマッピングされ、対称性のテーパリングと通勤グループ測定によって縮小され、サンプリングコストが低下した。 $\sim$10-qubit モデルの中では、VQE--qEOM は同じハミルトニアンの正確な対角化と密接に一致し、大きな活性空間におけるサンプルベースの量子対角化 (SQD) は近似(部分空間-FCI)エネルギーを回復する。 PF$_6$塩はより高い1次励起エネルギー(eg , LiPF$_6$$\approx$13.2 eV)を示し、12-13 eVでコンパクトな3状態クラスターを示すのに対し、FSI塩はほぼ退化する(S$_1$,S$_2$)、S$_3$\sim$1.3 eV高くなる。 Li$^+$をNa$^+$に置き換えることで、各アニオン族内のギャップを$\sim$0.4--0.8 eVに狭める。 S$_1$を波長に変換すると、深いUV(LiPF$_6$$\sim$94 nm; NaPF$_6$$\sim$100 nm; LiFSI $\sim$141 nm; NaFSI $\sim$148 nm; NaFSI $\sim$148 nm)にオンセットが配置される。 溶媒シフトは古典的な$\Delta$-solvation(英語版)または静的な埋め込みによって後部を組み込むことができる。 これらの結果は、現在の量子アルゴリズムが、現実的な電解質モチーフに対して化学的に有意義な励起と結合の傾向をもたらし、電解質のスクリーニングと設計を導くための定量的ベースラインを提供することを示した。

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