論文の概要: Distribution Complexity of Electronic Structure Simulations on Quantum Supercomputers
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2606.20805v1
- Date: Thu, 18 Jun 2026 18:00:16 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-06-26 12:48:07.687348
- Title: Distribution Complexity of Electronic Structure Simulations on Quantum Supercomputers
- Title（参考訳）: 量子スーパーコンピュータにおける電子構造シミュレーションの分布複雑性
- Authors: Jason Necaise, Namit Anand, Gaurav Gyawali, K. Grace Johnson, James D. Whitfield, Masoud Mohseni,
- Abstract要約: 電子構造ハミルトニアンに対するハイブリッド量子古典シミュレーションの分布複雑性を推定するアルゴリズムを提案する。
本研究では,コヒーレントガウス軌道回転と乱れたクーロン相互作用の相互作用により,創発的絡み合いパターンが引き起こされることを示す。
ここで導入されたフレームワークは、実用規模量子コンピューティングに対する新しいより効率的な量子古典的応用を可能にする。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.005390659954881999
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Efficient simulation of strongly-interacting fermionic systems on quantum processing units (QPUs) is a challenging task due to nonlocal mode entanglement generation. However, it is not yet well understood how the structure of entanglement governs the hardness of large-scale quantum chemistry simulations or the scaling of distributing such workloads. Here, we introduce an algorithm for estimating the distribution complexity of hybrid quantum-classical simulation for electronic structure Hamiltonians over heterogeneous high-performance architectures. Our algorithm relies on efficient analytical evaluation of the low entanglement boundaries for the orbital rotations and dephasing-induced localization within tensor fragments, in a double-factorized representation. Our entanglement estimation scales as $O(N^3)$ for each fragment, where $N$ is the number of orbitals. When QPUs are communicating via a quantum network, the cost of distribution per fragment is reduced quadratically from $O(N^2)$ to $O(N)$. Similarly, for hybrid quantum-classical approaches, with access to only conventional HPC interconnects, the worst-case cost is reduced from $O(\exp(N^2))$ to $O(\exp(N))$. We show that emergent entanglement patterns are induced by the interplay between coherent Gaussian orbital rotations and disordered Coulomb interactions. We discuss the underlying physical mechanisms that govern distribution complexity and introduce model systems that are tunable based on the localizability of fragments and the overlap of interfragment rotations. We characterize three different regimes of hardness for distribution complexity and classical simulability. The framework introduced here enables novel and more efficient quantum-classical application workflows towards utility-scale quantum computing.
- Abstract（参考訳）: 量子処理ユニット(QPU)上での強相互作用フェルミオン系の効率的なシミュレーションは、非局所モードの絡み合い発生による課題である。
しかし、エンタングルメントの構造が大規模な量子化学シミュレーションの硬さや、そのようなワークロードの分散のスケーリングをどのように管理するかは、まだよく分かっていない。
本稿では、異種高性能アーキテクチャ上での電子構造ハミルトニアンのハイブリッド量子古典シミュレーションの分布複雑性を推定するアルゴリズムを提案する。
本アルゴリズムは, 軌道回転に対する低絡み境界の効率的な解析的評価と, テンソルフラグメント内のデファスリング誘起局所化を両要素化表現に頼っている。
我々の絡み合いの推定値は各フラグメントに対して$O(N^3)$とスケールし、そこでは$N$は軌道の数である。
QPUが量子ネットワークを介して通信する場合、フラグメント当たりの分配コストは$O(N^2)$から$O(N)$に2次的に削減される。
同様に、従来のHPC配線のみにアクセスするハイブリッド量子古典的アプローチでは、最悪の場合のコストは$O(\exp(N^2))$から$O(\exp(N))$に削減される。
本研究では,コヒーレントガウス軌道回転と乱れたクーロン相互作用の相互作用により,創発的絡み合いパターンが引き起こされることを示す。
本稿では,分布の複雑性を制御し,フラグメントの局所化可能性と相互交叉回転の重なりに基づいて調整可能なモデルシステムを導入するための基盤となる物理機構について論じる。
分散複雑性と古典的シミュラビリティの3つの異なる難易度を特徴付ける。
ここで導入されたフレームワークは、実用規模の量子コンピューティングに向けた、新しくより効率的な量子古典的アプリケーションワークフローを可能にする。
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