論文の概要: Benchmarking Quantum Simulation Methods
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.01710v1
- Date: Thu, 02 Oct 2025 06:35:57 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-10-03 21:54:12.824608
- Title: Benchmarking Quantum Simulation Methods
- Title（参考訳）: ベンチマーク量子シミュレーション法
- Authors: Calvin Ku, Yu-Cheng Chen, Alice Hu, Min-Hsiu Hsieh,
- Abstract要約: 量子位相推定は、フォールトトレラント量子計算の基盤となるアルゴリズムである。
QPEアルゴリズムの全体的な量子リソースコストに対する3つの重要なパラメータの影響を定量化する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 8.088728237481323
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Quantum Phase Estimation (QPE) is a cornerstone algorithm for fault-tolerant quantum computation, especially for electronic structure calculations of chemical systems. To accommodate the diverse characteristics of quantum chemical systems, numerous variants of QPE have been developed, each with distinct qubit and gate cost implications. In this paper, we quantify the impact of three key parameters on the overall quantum resource costs for the QPE algorithm: the choice between trotterization and qubitization, the use of molecular orbitals versus plane-wave basis-sets, and the selection of the fermion-to-qubit encoding scheme. From this, we establish clear performance trade-offs and delineate specific parameter regimes that minimize resource costs for relevant molecular systems. When performing phase estimation on large molecules in the fault-tolerant setting, we found the first-quantized qubitization circuit using the plane-wave basis to be the most efficient, with a gate cost scaling of $\tilde{\mathcal{O}}([N^{4/3}M^{2/3}+N^{8/3}M^{1/3}]/\varepsilon)$ for a system of $N$ electrons and $M$ orbitals, which is the best known scaling to date. On the other hand, when only noisy intermediate-scale or near-term fault-tolerant systems are available, the phase estimation of small molecules can be performed with gate cost of $\mathcal{O}(M^{7}/\varepsilon^{2})$ via trotterization in the MO basis. Furthermore, we provide numerical estimations of qubit and T gate costs required to perform QPE for several real-world molecular systems under these different parameter choices.
- Abstract（参考訳）: 量子位相推定(QPE)は、特に化学系の電子構造計算において、フォールトトレラント量子計算のための基礎となるアルゴリズムである。
量子化学システムの多様な特性に対応するため、QPEの様々な変種が開発され、それぞれが異なる量子ビットとゲートコストに影響を及ぼしている。
本稿では,QPEアルゴリズムの全体的な量子リソースコストに対する3つの重要なパラメータの影響を定量化する:トロッタライズと量子化の選択,分子軌道と平面波基底セットの使用,フェルミオン-量子化方式の選択。
そこで本研究では,分子系の資源コストを最小限に抑えるために,明確な性能トレードオフを確立し,特定のパラメータ構造を規定する。
フォールトトレラント環境で大きな分子の位相推定を行う際には、平面波基底を用いた第1量子化量子化回路が最も効率的であることが分かり、これまで最もよく知られたスケールである$N$電子と$M$軌道のシステムに対して$\tilde{\mathcal{O}}([N^{4/3}M^{2/3}+N^{8/3}M^{1/3}]/\varepsilon)$のゲートコストスケーリングが得られた。
一方、ノイズの多い中間スケールまたは短期耐故障性システムのみが利用できる場合、MO基底のトロッタライズにより、小分子の位相推定を$\mathcal{O}(M^{7}/\varepsilon^{2})$で行うことができる。
さらに、これらのパラメータ選択の下で、実世界の分子系においてQPEを実行するのに必要な量子ビットとTゲートのコストを数値的に推定する。
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