論文の概要: End-to-End Molecular Dynamics with a Langevin Thermostat on Quantum Circuits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.30143v1
• Date: Thu, 28 May 2026 16:05:54 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-30 02:45:56.466482
• Title: End-to-End Molecular Dynamics with a Langevin Thermostat on Quantum Circuits
• Title（参考訳）: 量子回路上のランゲヴィンサーモスタットを用いたエンド・ツー・エンド分子動力学
• Authors: Masari Watanabe, Hirofumi Nishi, Taichi Kosugi, Shigekazu Hidaka, Ryo Sakurai, Yu-ichiro Matsushita,
• Abstract要約: 標準アンサンブル(NVT)における有限温度分子動力学のための量子回路フレームワークを構築する。 古典的核相空間分布はクープマン-ヴォン・ノイマン(KvN)波動関数として符号化され、標準状態準備はランゲヴィン型フォッカー-プランク緩和として定式化される。
• 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: We construct a quantum-circuit framework for finite-temperature molecular dynamics in the canonical ensemble (NVT) with a Langevin thermostat, connecting canonical state preparation to subsequent physical-property readouts. The classical nuclear phase-space distribution is encoded as a Koopman--von Neumann (KvN) wave function, and canonical state preparation is formulated as Langevin-type Fokker--Planck relaxation. The Hamiltonian Liouville flow, momentum friction, and momentum diffusion are decomposed into separate circuit blocks. The friction block is represented by a symmetrized momentum-space dilation, whereas the diffusion block is implemented as a cosine filter realized by probabilistic imaginary-time evolution (PITE). We analytically quantify the leading-order temperature bias caused by replacing the Gaussian diffusion kernel with this PITE-realized cosine filter. This analysis yields an internal-temperature correction that targets the desired physical equilibrium distribution. As a proof-of-concept demonstration connecting quantum chemistry to KvN nuclear dynamics, we study the H$_2$ molecule. Numerical simulations show relaxation from a nonequilibrium phase-space distribution to a canonical KvN state. From this canonical state, we demonstrate two complementary readouts: a dynamical quantum-phase-estimation readout of the vibrational density of states associated with the H--H stretch coordinate and a static canonical evaluation of the transition-state-theory (TST) rate constant. This work demonstrates, in a minimal molecular system, a circuit-level protocol that connects Langevin canonical state preparation to physical-property calculations, providing a concrete step toward quantum--classical hybrid molecular dynamics on quantum computers.
• Abstract（参考訳）: 我々は、ランゲヴィンサーモスタット(Langevin thermostat)とカノニカルアンサンブル(NVT)における有限温度分子動力学のための量子回路の枠組みを構築し、カノニカル状態の準備とその後の物理特性の読み出しを接続する。 古典的核相空間分布はクープマン-ヴォン・ノイマン(KvN)波動関数として符号化され、標準状態準備はランゲヴィン型フォッカー-プランク緩和として定式化される。 ハミルトニアン・リウヴィル流、運動量摩擦、運動量拡散は別個の回路ブロックに分解される。 摩擦ブロックは対称性の運動量空間拡張で表され、拡散ブロックは確率的想像時間進化(PITE)によって実現されたコサインフィルタとして実装される。 我々は、ガウス拡散核をPITEで実現したコサインフィルタに置き換えることによる先行温度バイアスを解析的に定量化する。 この分析により、所望の物理平衡分布を目標とする内部温度補正が得られる。 量子化学とKvN核力学を結合する概念実証として、H$_2$分子の研究を行う。 数値シミュレーションでは、非平衡位相空間分布から標準KvN状態への緩和を示す。 この標準状態から、H-Hストレッチ座標に関連する状態の振動密度の動的量子位相推定読み出しと遷移状態理論(TST)速度定数の静的な正準評価の2つの相補的な読み出しを示す。 この研究は、最小限の分子システムにおいて、Langevinの正準状態準備と物理確率計算を接続する回路レベルのプロトコルを示し、量子コンピュータ上の量子-古典的ハイブリッド分子力学への具体的なステップを提供する。

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