論文の概要: Random State Approach to Quantum Computation of Electronic-Structure Properties

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.09999v1
• Date: Sat, 11 Oct 2025 03:51:23 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-14 18:06:29.729428
• Title: Random State Approach to Quantum Computation of Electronic-Structure Properties
• Title（参考訳）: 電子構造特性の量子計算に対するランダム状態アプローチ
• Authors: Yiran Bai, Feng Xiong, Xueheng Kuang,
• Abstract要約: 実物質の電子構造を計算するためのランダム状態量子アルゴリズムを提案し,実装する。 グラフェン, ツイスト二層グラフェン準結晶, フラクタル格子の電子状態の密度と空間分布を数値計算してこれらのアルゴリズムを検証する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.4028888270203215
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Classical computation of electronic properties in large-scale materials remains challenging. Quantum computation has the potential to offer advantages in memory footprint and computational scaling. However, general and practical quantum algorithms for simulating large-scale materials are still lacking. We propose and implement random-state quantum algorithms to calculate electronic-structure properties of real materials. Using a random state circuit with only a few qubits, we employ real-time evolution with first-order Trotter decomposition and Hadamard test to obtain electronic density of states, and we develop a modified quantum phase estimation algorithm to calculate real-space local density of states via direct quantum measurements. Furthermore, we validate these algorithms by numerically computing the density of states and spatial distributions of electronic states in graphene, twisted bilayer graphene quasicrystals, and fractal lattices, covering system sizes from hundreds to thousands of atoms. Our results manifest that the random-state quantum algorithms provide a general and qubit-efficient route to simulating electronic properties of large-scale periodic and aperiodic materials on quantum computers.
• Abstract（参考訳）: 大規模材料における電子特性の古典計算は依然として困難である。 量子計算は、メモリフットプリントと計算スケーリングの利点を提供する可能性がある。 しかし、大規模材料をシミュレーションする汎用的で実用的な量子アルゴリズムはいまだに欠落している。 実物質の電子構造を計算するためのランダム状態量子アルゴリズムを提案し,実装する。 数量子ビットしか持たないランダム状態回路を用いて1次トロッター分解とアダマールテストを用いて状態の電子密度を求める。 さらに, グラフェン, ツイスト二層グラフェン準結晶, フラクタル格子の電子状態の密度と空間分布を数値計算し, システムサイズを数百から数千の原子に限定して検証した。 この結果から, ランダム状態量子アルゴリズムは, 大規模周期的および周期的物質の電子的性質を量子コンピュータ上でシミュレーションするための, 汎用的で量子効率のよい経路を提供することがわかった。

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