論文の概要: Efficient Quantum Simulation of Non-Adiabatic Molecular Dynamics with Precise Electronic Structure

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.02376v1
• Date: Tue, 02 Dec 2025 03:34:00 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-03 21:04:45.705797
• Title: Efficient Quantum Simulation of Non-Adiabatic Molecular Dynamics with Precise Electronic Structure
• Title（参考訳）: 精密電子構造をもつ非断熱分子動力学の効率的な量子シミュレーション
• Authors: Tianyi Li, Yumeng Zeng, Qiming Ding, Zixuan Huo, Xiaosi Xu, Jiajun Ren, Diandong Tang, Xiaoxia Cai, Xiao Yuan,
• Abstract要約: ランドウ-ツェナー-サーフェス-ホッピングNAMDに量子適応型拡張を導入する。 サブマイクロハートリー精度のPSS計算プロトコルも開発している。 この研究は、NAMDにおける量子コンピューティングの実践的応用の道を開いた。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 6.554055153293176
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: In the study of non-adiabatic chemical processes such as photocatalysis and photosynthesis, non-adiabatic molecular dynamics (NAMD) is an indispensable theoretical tool, which requires precise potential energy surfaces (PESs) of ground and excited states. Quantum computing offers promising potential for calculating PESs that are intractable for classical computers. However, its realistic application poses significant challenges to the development of quantum algorithms that are sufficiently general to enable efficient and precise PES calculations across chemical systems with diverse properties, as well as to seamlessly adapt existing NAMD theories to quantum computing. In this work, we introduce a quantum-adapted extension to the Landau-Zener-Surface-Hopping (LZSH) NAMD. This extension incorporates curvature-driven hopping corrections that protect the population evolution while maintaining the efficiency gained from avoiding the computation of non-adiabatic couplings (NACs), as well as preserving the trajectory independence that enables parallelization. Furthermore, to ensure the high-precision PESs required for surface hopping dynamics, we develop a sub-microhartree-accurate PES calculation protocol. This protocol supports active space selection, enables parallel acceleration either on quantum or classical clusters, and demonstrates adaptability to diverse chemical systems - including the charged H3+ ion and the C2H4 molecule, a prototypical multi-reference benchmark. This work paves the way for practical application of quantum computing in NAMD, showcasing the potential of parallel simulation on quantum-classical heterogeneous clusters for ab-initio computational chemistry.
• Abstract（参考訳）: 光触媒や光合成などの非断熱的化学プロセスの研究において、非断熱的分子動力学(NAMD)は、地面と励起状態の正確なポテンシャルエネルギー表面(PES)を必要とする、必須の理論ツールである。 量子コンピューティングは、古典的コンピュータにとって難解なPSSを計算するための有望なポテンシャルを提供する。 しかし、その現実的な応用は、様々な性質を持つ化学系全体にわたって効率的かつ正確なPSS計算を可能にし、既存のNAMD理論を量子コンピューティングにシームレスに適応させるのに十分な一般性を持つ量子アルゴリズムの開発に重大な課題をもたらす。 本研究では,Landau-Zener-Surface-Hopping (LZSH) NAMDの量子適応拡張について述べる。 この拡張は、非断熱結合(NAC)の計算を回避し、並列化を可能にする軌道独立性を維持することによって得られる効率を維持しつつ、人口の進化を保護する曲率駆動ホッピング補正を含む。 さらに,表面ホッピングダイナミックスに必要な高精度PSSを確保するため,サブマイクロハートリー精度のPSS計算プロトコルを開発した。 このプロトコルは、アクティブな空間選択をサポートし、量子または古典的なクラスタ上で並列加速を可能にし、荷電H3+イオンやC2H4分子を含む様々な化学系への適応性を示す。 この研究は、NAMDにおける量子コンピューティングの実践的な応用の道を開いたもので、ab-initio計算化学のための量子古典的異種クラスター上での並列シミュレーションの可能性を示している。

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