論文の概要: Sample-based quantum diagonalization approach for open-shell transition-metal complexes in gas and implicit-solvent

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2607.16389v1
• Date: Fri, 17 Jul 2026 17:49:38 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-07-21 18:48:37.140383
• Title: Sample-based quantum diagonalization approach for open-shell transition-metal complexes in gas and implicit-solvent
• Title（参考訳）: 気体および暗示溶媒中における開殻遷移金属錯体のサンプルベース量子対角化法
• Abstract要約: オープンシェル3d$遷移金属錯体は、競合するスピン状態、電荷移動、溶媒が共同でエネルギーを決定するため、電子構造法に挑戦する。 ここでは、サンプルベース量子対角化(SQD)と積分方程式形式性偏極連続体モデル(IEF-PCM)を組み合わせる。 これはSQDの気体相および含溶媒解離における3d$遷移金属錯体に対する最初の量子実証である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Open-shell $3d$ transition-metal complexes challenge electronic-structure methods because competing spin states, charge transfer, and solvation jointly determine their energetics. Here, we combine sample-based quantum diagonalization (SQD) with the integral-equation-formalism polarizable continuum model (IEF-PCM), extending SQD to correlated open-shell transition-metal systems in a dielectric environment. We investigate the octahedrally coordinated $\mathrm{[Co(H_2O)_5CO_2]^{2+/3+}}$ complex across two oxidation states, four spin multiplicities, and a metal-ligand dissociation coordinate. We study the Co(III) singlet and quintet states and the Co(II) doublet and quartet states, incorporating open-shell references into SQD-IEF-PCM through an outer self-consistent reaction-field loop. Using samples collected on an IBM Heron quantum processor and active spaces of up to 50 qubits, SQD reproduces coupled-cluster and heat-bath configuration-interaction benchmarks within the same active space in the gas phase and implicit solvent, with a largest observed deviation below 9 $mE_h$. Along the dissociation coordinate of high-spin quintet $\mathrm{[Co(H_2O)_5CO_2]^{3+}}$, SQD resolves an avoided crossing caused by internal charge transfer; this feature is absent in the singlet and the lower oxidation state of the complex. Relative to the gas phase, implicit solvation stabilizes for the quintet state the neutral CO$_2$ dissociation and suppresses the avoided-crossing feature. To our knowledge, this is the first hardware demonstration of SQD for an open-shell $3d$ transition-metal complex in gas phase and implict solvent. These results establish SQD as a robust quantum-centric approach for transition-metal chemistry where spin state ordering, charge transfer, and environmental effects are strongly intertwined.
• Abstract（参考訳）: オープンシェル3d$遷移金属錯体は、競合するスピン状態、電荷移動、溶媒が共同でエネルギーを決定するため、電子構造法に挑戦する。 本稿では,サンプルベース量子対角化 (SQD) と積分方程式形式偏波連続体モデル (IEF-PCM) を組み合わせ,SQD を誘電体環境における相関した開殻遷移金属系に拡張する。 2つの酸化状態, 4つのスピン乗数, 金属配位子解離座標にまたがって, 八面体配位された$\mathrm{[Co(H_2O)_5CO_2]^{2+/3+}}$錯体について検討した。 本研究では,SQD-IEF-PCMへのオープンシェル参照を外部自己整合反応場ループに組み込んで,Co(III)一重項状態とCo(II)二重項状態と四重項状態について検討する。 IBM Heron量子プロセッサと最大50キュービットのアクティブな空間で収集されたサンプルを用いて、SQDはガス相と暗示溶媒の同じ活性空間内の結合クラスタと熱バス構成-相互作用ベンチマークを再現し、最大で9$mE_h$以下である。 高スピンクインテット$\mathrm{[Co(H_2O)_5CO_2]^{3+}}$の解離座標に沿って、SQDは内部電荷移動による回避された交差を解消する。 気体相とは対照的に、暗黙の溶解は中性CO$2$解離のクインテット状態に対して安定化し、回避された交差特性を抑制する。 我々の知る限り、これはSQDの気体相および含浸溶媒中での3d$遷移金属錯体に対する最初のハードウェア実証である。 これらの結果は、スピン状態の順序付け、電荷移動、環境効果が強く絡み合っている遷移金属化学に対する堅牢な量子中心のアプローチとしてSQDを確立している。

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