論文の概要: Fault-tolerant quantum simulation of the Pauli-Breit Hamiltonian for ab initio hybrid quantum-classical molecular design with applications to photodynamic therapy

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.18898v1
• Date: Mon, 26 Jan 2026 19:11:01 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-01-28 15:26:51.031066
• Title: Fault-tolerant quantum simulation of the Pauli-Breit Hamiltonian for ab initio hybrid quantum-classical molecular design with applications to photodynamic therapy
• Title（参考訳）: パウリ・ブライト・ハミルトニアンのフォールトトレラント量子シミュレーションと光力学的治療への応用
• Authors: Emil Zak,
• Abstract要約: 相対論的スピン効果は、光力学的治療における系間交差からスピン触媒や高分解能分光まで微妙な分子現象を引き起こす。 これらの効果はパウリ・ブライト・ハミルトニアンによって説明され、1電子と2電子のスピン軌道とスピンスピンの相互作用を含むことで非相対論的電子ハミルトニアンを拡張する。 本稿では,パウリ・ブライト・ハミルトニアンが支配する分子エネルギーレベルと特性を計算するためのフォールトトレラント量子アルゴリズムを提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Relativistic spin effects drive subtle molecular phenomena ranging from intersystem crossing in photodynamic therapy to spin-mediated catalysis and high-resolution spectroscopy. These effects are described by the Pauli-Breit Hamiltonian, which extends the nonrelativistic electronic Hamiltonian by including one- and two-electron spin-orbit and spin-spin interactions. First-principles simulations of the full Pauli-Breit Hamiltonian rapidly become intractable on classical computers due to the exponential growth of the Hilbert space and the complexity of two-body spin-dependent terms. We propose a fault-tolerant quantum algorithm for computing molecular energy levels and properties governed by the Pauli-Breit Hamiltonian. Our approach block-encodes the relativistic Hamiltonian in a second-quantized, doubly factorized representation. By reformulating the Hamiltonian in a symmetry-adapted Majorana basis, we construct efficient linear-combination-of-unitaries circuits that encode spin-orbit interactions without effective or mean-field approximations. We introduce spin-controlled Pauli-SWAP networks that decouple spin and orbital control logic, enabling a unified treatment of relativistic spin mixing with only modest overhead relative to spin-free simulations. We analyze quantum resources in terms of logical qubits and T-gate complexity, showing that explicit spin degrees of freedom do not worsen the asymptotic scaling. The prefactor is reduced by a factor of two compared to direct linear-combination-of-unitaries approaches. Finally, we outline a hybrid quantum-classical workflow for designing photodynamic therapy photosensitizers, artificial photosynthesis catalysts, and other systems where accurate relativistic spin effects are essential.
• Abstract（参考訳）: 相対論的スピン効果は、光力学的療法における系間交差からスピン触媒や高分解能分光まで微妙な分子現象を引き起こす。 これらの効果はパウリ・ブライト・ハミルトニアンによって説明され、1電子と2電子のスピン軌道とスピンスピンの相互作用を含むことで非相対論的電子ハミルトニアンを拡張する。 完全パウリ・ブライト・ハミルトニアンの第一原理シミュレーションはヒルベルト空間の指数的成長と2体スピン依存項の複雑さのために古典的コンピュータ上で急速に魅力的になる。 本稿では,パウリ・ブライト・ハミルトニアンが支配する分子エネルギーレベルと特性を計算するためのフォールトトレラント量子アルゴリズムを提案する。 我々のアプローチは相対論的ハミルトニアンを第二量子化2倍分解表現でブロックエンコードする。 対称性に適応したマヨラナ基底でハミルトニアンを再構成することにより、有効あるいは平均場近似なしでスピン軌道相互作用を符号化する効率的な線形結合・ユニタリ回路を構築する。 スピン制御されたPauli-SWAPネットワークを導入し、スピンと軌道の制御ロジックを分離し、スピンフリーなシミュレーションに対してわずかにオーバーヘッドしか持たない相対論的スピン混合の統一的な処理を可能にする。 我々は、量子資源を論理量子ビットとTゲートの複雑さの観点から分析し、明示的なスピン度自由度が漸近的スケーリングを悪化させることはないことを示した。 プレファクタは、直線型結合対ユニタリアプローチと比較して2倍に削減される。 最後に、光力学的治療光増感剤、人工光合成触媒、その他正確な相対論的スピン効果が不可欠であるシステムの設計のためのハイブリッド量子古典ワークフローについて概説する。

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