論文の概要: Quantum algorithm for simulating non-adiabatic dynamics at metallic surfaces

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.16264v1
• Date: Thu, 22 Jan 2026 19:00:07 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-01-26 14:27:27.371326
• Title: Quantum algorithm for simulating non-adiabatic dynamics at metallic surfaces
• Title（参考訳）: 金属表面における非断熱力学シミュレーションのための量子アルゴリズム
• Authors: Robert A. Lang, Paarth Jain, Juan Miguel Arrazola, Danial Motlagh,
• Abstract要約: 分子-金属界面における非断熱力学は、様々な技術的に重要な現象を制御している。 我々は,現実的な分子-金属界面をシミュレーションするための高度に最適化された量子アルゴリズムを開発した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.034998703934432676
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Non-adiabatic dynamics at molecule-metal interfaces govern diverse and technologically important phenomena, from heterogeneous catalysis to dye-sensitized solar energy conversion and charge transport across molecular junctions. Realistic modeling of such dynamics necessitates taking into account various charge and energy transfer channels involving the coupling of nuclear motion with a very large number of electronic states, leading to prohibitive cost using classical computational methods. In this work we introduce a generalization of the Anderson-Newns Hamiltonian and develop a highly optimized quantum algorithm for simulating the non-adiabatic dynamics of realistic molecule-metal interfaces. Using the PennyLane software platform, we perform resource estimations of our algorithm, showing its remarkably low implementation cost for model systems representative of various scientifically and industrially relevant molecule-metal systems. Specifically, we find that time evolution for models including $100$ metal orbitals, $8$ molecular orbitals, and $20$ nuclear degrees of freedom, requires only $271$ qubits and $7.9 \times 10^7$ Toffoli gates for $1000$ Trotter steps, suggesting non-adiabatic molecule-metal dynamics as a fruitful application of first-generation fault-tolerant quantum computers.
• Abstract（参考訳）: 分子-金属界面における非断熱力学は、異質触媒反応から色素増感太陽エネルギー変換、分子接合の電荷輸送に至るまで、多種かつ技術的に重要な現象を制御している。 このような力学の現実的なモデリングは、原子核運動と非常に多くの電子状態のカップリングを含む様々な電荷とエネルギー移動チャネルを考慮に入れる必要がある。 本研究では、アンダーソン・ニューズ・ハミルトンの一般化を導入し、現実的な分子-金属界面の非断熱力学をシミュレートするための高度に最適化された量子アルゴリズムを開発する。 我々はPennyLaneソフトウェアプラットフォームを用いてアルゴリズムの資源推定を行い、様々な科学的・工業的な分子-金属系を代表するモデルシステムの実装コストが著しく低いことを示す。 具体的には、100ドルの金属軌道、8ドルの分子軌道、20ドルの自由度を含むモデルの時間進化は、271ドルの量子ビットと7.9ドルの時間(10^7ドルのトフォリゲートを1000ドルのトロッターステップで行うことしか必要とせず、第1世代のフォールトトレラント量子コンピュータの実りある応用として非断熱的分子-金属力学を示唆している。

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