論文の概要: Enabling Chemically Accurate Quantum Phase Estimation in the Early Fault-Tolerant Regime

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.22778v2
• Date: Mon, 30 Mar 2026 03:20:15 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-03-31 13:48:18.788635
• Title: Enabling Chemically Accurate Quantum Phase Estimation in the Early Fault-Tolerant Regime
• Title（参考訳）: 早期耐故障性レジームにおける化学的に正確な量子位相推定
• Authors: Shota Kanasugi, Riki Toshio, Kazunori Maruyama, Hirotaka Oshima,
• Abstract要約: 分子電子構造の量子シミュレーションは、量子コンピューティングの最も有望な応用の1つである。 フォールトトレラント量子コンピューティング(FTQC)デバイス上の量子位相推定(QPE)は、数百万の物理量子ビットを必要とする。 本稿では,FTQC初期における化学関連分子系におけるQPEの実現可能性について検討する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Quantum simulation of molecular electronic structure is one of the most promising applications of quantum computing. However, achieving chemically accurate predictions for strongly correlated systems requires quantum phase estimation (QPE) on fault-tolerant quantum computing (FTQC) devices. Existing resource estimates for typical FTQC architectures suggest that such calculations demand millions of physical qubits, thereby placing them beyond the reach of near-term devices. Here, we investigate the feasibility of performing QPE for chemically relevant molecular systems in an early-FTQC regime, characterized by partial fault tolerance, constrained qubit budgets, and limited circuit depth. Our framework is based on single-ancilla, Trotter-based QPE implementations combined with partially randomized time evolution. Within this framework, we develop a novel Hamiltonian optimization strategy, termed unitary weight concentration, that reduces algorithmic cost by reshaping linear-combination-of-unitaries representations. Applying this framework to active-space models of iron-sulfur clusters, cytochrome P450 active sites, and CO$_2$-utilization catalysts, we perform end-to-end resource estimation using the latest version of the space-time efficient analog rotation (STAR) architecture. Our results indicate that ground-state energy estimation for active spaces of approximately 20 to 50 spatial orbitals, well beyond the reach of classical full configuration interaction, is achievable using $\sim 10^5$ physical qubits, with runtimes on the order of days to weeks. These findings demonstrate that while full-fledged fault-tolerant quantum computers will be required for even larger molecular simulations, chemically meaningful quantum chemistry problems are already within reach in an experimentally relevant, early-FTQC regime.
• Abstract（参考訳）: 分子電子構造の量子シミュレーションは、量子コンピューティングの最も有望な応用の1つである。 しかし、強い相関を持つシステムに対して化学的に正確な予測を行うには、フォールトトレラント量子コンピューティング(FTQC)デバイス上での量子位相推定(QPE)が必要である。 既存のFTQCアーキテクチャのリソース推定は、そのような計算が数百万の物理量子ビットを必要とすることを示唆している。 本稿では, 早期FTQC体制における化学関連分子系に対するQPEの実現可能性について検討し, 部分的耐故障性, 制約量子ビット予算, 回路深さの制限を特徴とする。 我々のフレームワークは、単一アンシラ、TrotterベースのQPE実装と部分的にランダム化された時間進化の組み合わせに基づいている。 この枠組み内では、線形結合対ユニタリ表現を変形させることによりアルゴリズムコストを低減する、ユニタリ重み集中と呼ばれる新しいハミルトン最適化戦略を開発する。 このフレームワークを鉄-硫黄クラスター、シトクロムP450活性部位、CO$2$ユーティリティ化触媒の活性空間モデルに適用することにより、時空効率的なアナログ回転(STAR)アーキテクチャの最新バージョンを用いて、エンド・ツー・エンドの資源推定を行う。 この結果から, 空間軌道の約20から50の基底状態エネルギー推定は, 古典的な全構成相互作用の到達範囲を超えて, 数日から数週間の周期で, $\sim 10^5$物理量子ビットを用いて達成可能であることが示唆された。 これらの結果は、完全なフォールトトレラント量子コンピュータはより大規模な分子シミュレーションに必要であるが、化学的に有意義な量子化学問題は、実験的に関係のある早期FTQC体制において既に到達していることを示している。

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