論文の概要: Resource Estimation for VQE on Small Molecules: Impact of Fermion Mappings and Hamiltonian Reductions
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.01605v1
- Date: Mon, 01 Dec 2025 12:24:00 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-12-02 19:46:34.845379
- Title: Resource Estimation for VQE on Small Molecules: Impact of Fermion Mappings and Hamiltonian Reductions
- Title（参考訳）: 小分子上のVQEの資源推定:フェルミオンマッピングとハミルトン還元の影響
- Authors: Anurag K. S. V., Ashish Kumar Patra, Vikas Dattatraya Ghevade, Sai Shankar P., Ruchika Bhat, Raghavendra V., Rahul Maitra, Jaiganesh G,
- Abstract要約: 変分量子ソルバ(VQE)は、この問題に対処するための主要なハイブリッド量子古典パラダイムである。
Unitary Coupled Cluster Singles and Doubles (UCCSD) を用いたVQE実装のリソース要件を体系的に分析する。
量子リソースのスケーリングに対する影響を評価するために,$mathbbZ$のテーパリングや凍結コア近似を含むハミルトン還元戦略を検討した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Accurate determination of ground-state energies for molecules remains a challenge in quantum chemistry and a cornerstone for progress in fields such as drug discovery and materials design. The Variational Quantum Eigensolver (VQE) represents a leading hybrid quantum-classical paradigm for addressing this challenge; however, its widespread realization is limited by noise and the restricted scalability of current quantum hardware. Achieving efficient simulations on Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) devices and forthcoming Fault-Tolerant Application-Scalable Quantum (FASQ) systems demands a detailed understanding of how computational resources scale with molecular complexity and fermion-to-qubit encoding schemes. In this study, resource requirements for VQE implementations employing the Unitary Coupled Cluster Singles and Doubles (UCCSD) ansatz are systematically analyzed. The molecular Hamiltonian is formulated in second quantization and mapped to qubit operators through the Jordan-Wigner (JW), Bravyi-Kitaev (BK), and Parity (Pa) transformations. Hamiltonian reduction strategies, including $\mathbb{Z}_2$ tapering and frozen-core approximations, are examined to assess their effect on quantum resource scaling. The analysis reveals that appropriate transformations, when combined with symmetry-based reductions, can substantially reduce qubit counts by up to $\approx 50\%$ and quantum gate counts by up to $\approx 45\times$ for the representative set of molecular systems under study. This provides practical insights for executing chemically relevant simulations on NISQ and FASQ hardware.
- Abstract（参考訳）: 分子の基底状態エネルギーの正確な決定は、量子化学における課題であり、薬物発見や材料設計といった分野での進歩の基盤となっている。
変分量子固有解法(VQE)は、この問題に対処するための主要なハイブリッド量子古典パラダイムであるが、その広範な実現は、現在の量子ハードウェアのノイズと制限されたスケーラビリティによって制限されている。
ノイズのある中間規模量子 (NISQ) デバイスと近日発売のフォールトトレラントアプリケーション-スケーラブル量子 (FASQ) システム上での効率的なシミュレーションを実現するには、計算資源が分子の複雑さとフェルミオンから量子ビットの符号化方式でどのようにスケールするかを詳細に理解する必要がある。
本研究では,ユニタリ結合クラスタ・シングル・アンド・ダブル(UCCSD)アンサッツを用いたVQE実装のリソース要件を系統的に分析する。
分子ハミルトニアンは第2の量子化で定式化され、ジョルダン・ウィグナー(JW)、ブラヴィイ・キタエフ(BK)、パリティ(Pa)変換を通じて量子ビット作用素に写像される。
量子リソーススケーリングへの影響を評価するために,$\mathbb{Z}_2$タペリングや凍結コア近似を含むハミルトン還元戦略を検討した。
この分析により、対称性に基づく還元と組み合わせることで、量子ビットのカウントを最大$\approx 50\%$、量子ゲートのカウントを最大$\approx 45\times$で、研究中の分子系の代表集合に対して大幅に減少させることができることが明らかになった。
NISQおよびFASQハードウェア上で化学的に関連するシミュレーションを実行するための実践的な洞察を提供する。
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