論文の概要: Towards Chemically Accurate and Scalable Quantum Simulations on IQM Quantum Hardware: A Quantum-HPC Hybrid Approach

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2604.01983v1
• Date: Thu, 02 Apr 2026 12:43:43 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-04-03 14:21:10.788543
• Title: Towards Chemically Accurate and Scalable Quantum Simulations on IQM Quantum Hardware: A Quantum-HPC Hybrid Approach
• Title（参考訳）: IQM量子ハードウェアにおける化学的・スケーラブル量子シミュレーションに向けて:量子-HPCハイブリッドアプローチ
• Authors: Anurag K. S. V., Ashish Kumar Patra, Manas Mukherjee, Alok Shukla, Sai Shankar P., Ruchika Bhat, Radhika T. S. L., Jaiganesh G,
• Abstract要約: 我々はIQMのシリウス24量子ビット超伝導プロセッサを用いて量子計算に基づく分子シミュレーションを大規模に実験した。 この研究では、SQD(Sample-based Quantum Diagonalization)とLUCJ(Local Unitary Cluster Jastrow)アンサッツを用いて基底状態エネルギーを推定している。 小型ベンチマークシステムを超えて、SQD(LUCJ)と密度行列埋め込み理論(DMET)を組み合わせて、アクティブスペースエネルギーを計算する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.37475012732344193
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: We present a large-scale experimental study of quantum-computing-based molecular simulation carried out on IQM's Sirius 24-qubit superconducting processor, utilizing up to 16 operational qubits. The work employs Sample-based Quantum Diagonalization (SQD) together with the Local Unitary Cluster Jastrow (LUCJ) ansatz to estimate ground-state energies for a set of benchmark molecules, including H$_2$, LiH, BeH$_2$, H$_2$O, and NH$_3$. In addition, we introduce a Linear-CNOT variant of the Unitary Coupled-Cluster Singles and Doubles (LCNot-UCCSD) ansatz within the SQD workflow, trading higher circuit depth for reduced classical preprocessing. A comparison between these ansätze is provided, clarifying their respective strengths, limitations, and suitability for near-term quantum hardware. We further explore potential energy landscapes through 1D scans for H$_2$ and HeH$^+$ using both STO-3G and 6-31G basis sets, and for LiH and BeH$_2$ in STO-3G. Extending beyond this, we demonstrate the experimental construction of a full 2D potential energy surface for the water molecule on quantum hardware, mapped over a 32 $\times$ 32 grid in bond length and bond angle. To move beyond small benchmark systems, we combine SQD(LUCJ) with Density Matrix Embedding Theory (DMET) to compute active-space energies for a set of ligand-like molecules, as well as the pharmacologically relevant amantadine system. Across all studies, the majority of quantum-computed energies agree with reference FCI results, as well as with DMET-CASCI energies for embedded systems, to within chemical accuracy for the chosen basis sets. These results demonstrate the reliability of sample-based diagonalization approaches and underscore the potential of hybrid embedding strategies for extending quantum simulations to increasingly complex molecular systems, while also highlighting their practicality on current IQM quantum hardware.
• Abstract（参考訳）: IQMのシリウス24量子ビット超伝導プロセッサを用いた量子計算に基づく分子シミュレーションの大規模実験を行った。 この研究は、サンプルベースの量子対角化(SQD)とローカル・ユニタリ・クラスタ・ジャストロウ(LUCJ)アンサッツを用いて、H$_2$, LiH, BeH$_2$, H$_2$O, NH$_3$を含む一連のベンチマーク分子の基底状態エネルギーを推定する。 さらに,SQDワークフロー内でのLCNot-UCCSD(Unitary Coupled-Cluster Singles and Doubles)アンサッツの線形CNOT版を導入し,従来のプリプロセッシングの削減のために高い回路深度を交換する。 これらのアンセッツェの比較を行い、それぞれの強度、限界、短期量子ハードウェアに対する適合性を明らかにした。 さらに、STO-3G と 6-31G の基底セットと、STO-3G の LiH と BeH$_2$ の両方を用いて、H$_2$ と HeH$^+$ の1次元走査によるポテンシャルエネルギー景観を探索する。 これを超えて、量子ハードウェア上の水分子のための完全な2次元ポテンシャルエネルギー表面を実験的に構築し、32$\times$32グリッドの結合長と結合角をマッピングした。 小さなベンチマークシステムを超えて、SQD(LUCJ)と密度行列埋め込み理論(DMET)を組み合わせて、リガンド様分子の集合や薬理学的に関連するアマンタジン系の活性空間エネルギーを計算する。 全ての研究において、量子計算エネルギーの大多数は、選択された基底集合の化学的精度において、標準FCI結果、および組み込み系に対するDMET-CASCIエネルギーと一致している。 これらの結果は、サンプルベースの対角化アプローチの信頼性を示し、量子シミュレーションをますます複雑な分子系に拡張するハイブリッド埋め込み戦略の可能性を強調しつつ、現在のIQM量子ハードウェアにおけるそれらの実用性を強調している。

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