Ein vollständig schaltungsbasierter Quantenalgorithmus für angeregte Zustände in der Quantenchemie

Ein vollständig schaltungsbasierter Quantenalgorithmus für angeregte Zustände in der Quantenchemie

Zeitstempel: 4. Januar 2024, 9:05 Uhr
Quellknoten: 3046391

Jingwei Wen1,2, Zhengan Wang3, Chitong Chen4,5, Junxiang Xiao1, Hang Li3, Ling Qian2, Zhiguo Huang2, Heng Fan3,4, Shijie Wei3, und Guilu Long1,3,6,7

1Staatliches Schlüssellabor für niederdimensionale Quantenphysik und Fachbereich Physik, Tsinghua-Universität, Peking 100084, China
2China Mobile (Suzhou) Software Technology Company Limited, Suzhou 215163, China
3Pekinger Akademie für Quanteninformationswissenschaften, Peking 100193, China
4Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking 100190, China
5School of Physical Sciences, Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Peking 100190, China
6Frontier Science Center für Quanteninformation, Peking 100084, China
7Beijing National Research Center for Information Science and Technology, Peking 100084, China

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Abstrakt

Der Einsatz von Quantencomputern zur Untersuchung der Quantenchemie ist heutzutage ein wichtiges Forschungsgebiet. Neben den umfassend untersuchten Grundzustandsproblemen spielt die Bestimmung angeregter Zustände eine entscheidende Rolle bei der Vorhersage und Modellierung chemischer Reaktionen und anderer physikalischer Prozesse. Hier schlagen wir einen nicht-variativen, vollständig schaltungsbasierten Quantenalgorithmus vor, um das Spektrum des angeregten Zustands eines quantenchemischen Hamilton-Operators zu erhalten. Im Vergleich zu früheren klassischen Quanten-Hybrid-Variationsalgorithmen eliminiert unsere Methode den klassischen Optimierungsprozess, reduziert die durch die Interaktion zwischen verschiedenen Systemen verursachten Ressourcenkosten und erreicht eine schnellere Konvergenzrate und eine stärkere Robustheit gegenüber Rauschen ohne unfruchtbares Plateau. Die Parameteraktualisierung zur Bestimmung des nächsten Energieniveaus hängt natürlich von den Energiemessergebnissen des vorherigen Energieniveaus ab und kann nur durch Modifizieren des Zustandsvorbereitungsprozesses des Nebensystems realisiert werden, was zu einem geringen zusätzlichen Ressourcenaufwand führt. Es werden numerische Simulationen des Algorithmus mit Wasserstoff-, LiH-, H2O- und NH3-Molekülen vorgestellt. Darüber hinaus bieten wir eine experimentelle Demonstration des Algorithmus auf einer supraleitenden Quantencomputerplattform an und die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den theoretischen Erwartungen. Der Algorithmus kann umfassend auf verschiedene Hamilton-Spektrum-Bestimmungsprobleme auf fehlertoleranten Quantencomputern angewendet werden.

Ausgewähltes Bild: Quantenschaltung zur Realisierung des FQESS-Algorithmus.

Populäre Zusammenfassung

Wir schlagen einen FQESS-Algorithmus (Full Quantum Excited State Solver) zur effizienten und stabilen Bestimmung des Spektrums des chemischen Hamilton-Operators für zukünftige fehlertolerante Quantenberechnungen vor. Im Vergleich zu klassischen Quanten-Hybrid-Variationsalgorithmen entfällt bei unserer Methode der Optimierungsprozess in klassischen Computern, und die Parameteraktualisierung für verschiedene Energieniveaus kann einfach durch Modifizieren des Zustandsvorbereitungsprozesses des Hilfssystems basierend auf der Energiemessung früherer Energieniveaus realisiert werden. Ebene, die experimentell freundlich ist. Darüber hinaus kann die Nichtvariationsfähigkeit sicherstellen, dass der Algorithmus entlang der Richtung des schnellsten Gradientenabfalls zu den Zielzuständen konvergiert, wodurch das Phänomen des unfruchtbaren Plateaus vermieden wird. Unsere Arbeit füllt den letzten Schritt der Lösung quantenchemischer Probleme auf der Grundlage verschiedener Algorithmenrahmen aus.

► BibTeX-Daten

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