論文の概要: Efficient and Noise-Resilient Molecular Quantum Simulation with the Generalized Superfast Encoding
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.09322v1
- Date: Thu, 13 Nov 2025 01:46:27 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-11-13 22:34:54.518503
- Title: Efficient and Noise-Resilient Molecular Quantum Simulation with the Generalized Superfast Encoding
- Title（参考訳）: 一般化超高速符号化による効率・耐雑音性分子量子シミュレーション
- Authors: James Brown, Tarini S Hardikar, Kenny Heitritter, Kanav Setia,
- Abstract要約: 量子コンピュータ上の分子系をシミュレーションするには、フェルミオン作用素から量子ビット作用素への効率的なマッピングが必要である。
Jordan-Wigner や Bravyi-Kitaev のような伝統的な写像は、しばしばハイウェイトなパウリ語を生成する。
本稿では,コンパクトかつノイズ耐性のFermion GSE-to-qubitマッピングを構築するための一連の手法を提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.5833117322405447
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Simulating molecular systems on quantum computers requires efficient mappings from Fermionic operators to qubit operators. Traditional mappings such as Jordan-Wigner or Bravyi-Kitaev often produce high-weight Pauli terms, increasing circuit depth and measurement complexity. Although several local qubit mappings have been proposed to address this challenge, most are specialized for structured models like the Hubbard Hamiltonian and perform poorly for realistic chemical systems with dense two-body interactions. In this work, we utilize a suite of techniques to construct compact and noise-resilient Fermion-to-qubit mappings suitable for general molecular Hamiltonians. Building on the Generalized Superfast Encoding (GSE) and other similar works, we demonstrate that it outperforms prior encodings in both accuracy and hardware efficiency for molecular simulations. Our improvements include path optimization within the Hamiltonian's interaction graph to minimize operator weight, introduction of multi-edge graph structures for enhanced error detection without added circuit depth, and a stabilizer measurement framework that directly maps logical terms and stabilizers to the Z-basis using Clifford simulation. Applying these methods to simulations of $(H_2)_2$ and $(H_2)_3$ systems yields significantly improved absolute and correlation energy estimates under realistic hardware noise, with further accuracy gains achieved by increasing code distance. We also propose a [[2N, N, 2]] variant of GSE compatible with square-lattice and (quasi-)linear hardware topologies, demonstrating a twofold reduction in RMSE for orbital rotations on IBM Kingston hardware. These results establish GSE as a very attractive mapping for molecular quantum simulations.
- Abstract（参考訳）: 量子コンピュータ上の分子系をシミュレーションするには、フェルミオン作用素から量子ビット作用素への効率的なマッピングが必要である。
Jordan-Wigner や Bravyi-Kitaev のような伝統的な写像はしばしば重み付きパウリ項を生成し、回路の深さと測定の複雑さを増大させる。
この問題に対処するためにいくつかの局所量子ビットマッピングが提案されているが、そのほとんどはハバード・ハミルトンのような構造モデルに特化しており、密度の高い2体相互作用を持つ現実的な化学系では不十分である。
本研究では,一般分子ハミルトニアンに適したコンパクトで耐雑音性の高いフェルミオン-量子マッピングを構築するために,一連の手法を利用する。
The Generalized Superfast Encoding (GSE) などの研究に基づいて、分子シミュレーションの精度とハードウェア効率の両方において、先行符号化よりも優れていることを示す。
我々の改良点は、演算子の重みを最小化するためのハミルトンの相互作用グラフ内の経路最適化、回路深度を加味せずにエラーを検出するマルチエッジグラフ構造の導入、およびクリフォードシミュレーションを用いて論理項と安定化器を直接Z基底にマッピングする安定化器の測定フレームワークである。
これらの手法を$(H_2)_2$および$(H_2)_3$システムのシミュレーションに適用すると、現実的なハードウェアノイズ下での絶対エネルギーと相関エネルギーの推定が大幅に改善され、コード距離の増大によってさらに精度が向上する。
また,IBM Kingston ハードウェア上での軌道回転に対する RMSE の2倍の減少を実証し,二乗格子および(準)線形ハードウェアトポロジーに適合する GSE の[2N, N, 2] 変種を提案する。
これらの結果は、GSEを分子量子シミュレーションの非常に魅力的なマッピングとして確立している。
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