Exponentially more precise quantum simulation of fermions I: Quantum chemistry in second quantization
我们介绍了新的算法的量子模拟的分子系统是渐近更有效的比那些基于Trotter-Suzuki分解。我们提出了第一个应用程序的最近开发的技术，用于模拟哈密顿演化使用截断泰勒级数，以获得对数标度与所需精度的倒数，指数改善所有先前的方法。在这项工作中开发的两种算法依赖于波函数的第二量化编码，其中$N$自旋轨道系统的状态被编码在${\cal O}(N)$量子比特中。我们的第一个算法需要最多$\widetilde{\cal O}(N^8 t)$门。我们的第二个算法涉及在飞行中计算的分子积分，在指数比经典的采样方法更精确的方式，通过使用截断泰勒级数模拟技术。我们的第二个算法具有最低的门数的任何方法，在文献中的第二量子化量子化学模拟，缩放为$\widetilde{\cal O}(N^{5} t)$。这里提出的方法很容易适用于广泛的一类费米子模型，其中许多是由简化版本的化学哈密顿定义。
2015-09-28 physics.chem-ph quant-ph
Chemical Basis of Trotter-Suzuki Errors in Quantum Chemistry Simulation
虽然量子化学的模拟是量子计算最令人期待的应用之一，但这些算法复杂性的已知上限的缩放是令人生畏的。先前的工作有界误差，由于Trotterization在误差算子的范数和分析缩放相对于自旋轨道的数量。然而，我们发现，这些误差范围可以松散的一些分子高达16个数量级。此外，小系统的数值结果未能揭示任何明确的基态误差和自旋轨道数之间的相关性。相反，我们认为化学性质，如分子中的最大核电荷和轨道的填充分数，可以决定量子模拟的成本。我们的分析激发了几种策略，使用经典处理，以进一步减少所需的特罗特步长，并估计必要的步骤数，而不需要额外的量子资源。最后，我们证明了改进的方法，状态准备技术是渐近优于模拟文献中的建议。
2015-02-05 physics.chem-ph quant-ph
ChemiQ: A Chemistry Simulator for Quantum Computer
量子计算是一种具有高处理速度的新型计算系统，有望解决许多领域的问题。在这些领域中，最直观的应用是帮助化学研究人员正确描述强关联和复杂系统，这是当前化学模拟面临的最大挑战。本文介绍了一个独立的化学量子模拟工具ChemiQ，该工具旨在帮助人们在真实或虚拟的量子计算机上进行化学研究或分子计算。在C++语言模块化编程思想的指导下，软件设计为一个没有第三方物理或化学应用程序包的全栈工具。它提供以下服务：可视化构建分子结构，快速模拟基态能量，按距离或角度扫描分子势能曲线，研究化学反应，分析后以图形方式返回计算结果。
2022-12-28 physics.chem-ph quant-ph
Fault-Tolerant Quantum Simulations of Chemistry in First Quantization
化学的量子模拟在第一次量子化提供了重要的优势，包括更快的收敛到连续极限的方法，在第二次量子化和实际模拟的机会以外的玻恩-奥本海默近似。然而，由于所有先前的工作量子模拟在第一次量化已被限制为渐近分析，它一直是不可能的比较，这些方法所需的资源，更普遍研究的算法在第二次量化。在这里，我们分析和优化所需的资源，以实现两个第一个量化的量子算法的化学从Babbush等人，实现块编码的量子化和相互作用的图片框架的低等人。我们研究的两个算法，使模拟与门复杂度$\tilde{\cal O}(η^{8/3}N^{1/3}t+η^{4/3}N^{2/3}t)$和$\tilde{\cal O}(η^{8/3} N^{1/3} t)$，其中$η$是电子的数量，$N$是平面波基函数的数量，以及$t$是时间演化的持续时间（当目标是估计能量时，$t$与目标精度相反）。除了提供第一个明确的电路和常数因子的任何第一个量化的模拟，并引入改进，降低电路复杂性约千倍以上天真的实现适度大小的系统，我们还描述了新的算法，渐近实现相同的缩放在一个真实的空间表示。我们评估了模拟各种分子和材料所需的资源，并得出结论，量子化算法往往比相互作用图像算法更实用。我们证明，我们的qubitized算法往往需要更少的表面码时空体积模拟数百万平面波比最好的第二量化算法需要模拟数百个高斯轨道。
2021-10-11 physics.chem-ph quant-ph
Increasing the representation accuracy of quantum simulations of chemistry without extra quantum resources
在量子计算机上进行量子化学近期实验的提议利用了针对包含基本量子行为的自由度子集的能力，有时称为活动空间。这种近似允许人们使用更少的量子位和更低的栅极深度来处理更困难的问题。然而，虽然这种近似捕获了许多重要的定性特征，但它可能会在表示的绝对准确性（基本误差）方面留下结果。在传统方法中，提高这种精度需要增加量子位的数量，也需要适当增加电路深度。在这里，我们介绍一种不需要额外量子位或电路深度的技术，它能够消除这种近似，有利于额外的测量。该技术的构造和理论分析，并显示一些数值证明的概念计算。作为一个例子，我们展示了如何实现一个20量子位表示的精度，只使用4个量子位和一个简单的氢分子的适度数量的额外测量。最后，我们展望了这种技术可能对短期和容错量子模拟的影响。
2019-03-18 physics.chem-ph quant-ph
TenCirChem: An Efficient Quantum Computational Chemistry Package for the NISQ Era
本研究推出面向NISQ时代的开源量子计算化学Python库TenCirChem，支持高性能变分量子算法模拟、含噪声线路、变分量子动力学及真实硬件实验，覆盖多类典型化学计算场景。
2023-06-15 physics.chem-ph quant-ph
Young frames for quantum chemistry
量子化学经常考虑具有非零自旋的原子和分子。在这种情况下，需要适当的自旋函数的结果，在理论的配置态函数。在这里，我们考虑使用对称群，更具体地说，使用杨氏投影器来构造这样的波函数。我们讨论了形式主义和详细的例子来说明理论。此外，我们考虑自旋对称性在量子模拟中具体实现的利弊。
2019-04-23 physics.chem-ph quant-ph
Chemistry on quantum computers with virtual quantum subspace expansion
在量子计算机上模拟化学系统仅限于最小基础上的几个电子。我们通过实验证明，虚拟量子子空间展开[Phys. Rev. X 10，011004（2020）]可以实现氢和锂二聚体的完全基精度，与需要20个或更多量子位的模拟相当。我们开发了一种方法来最大限度地减少实验噪声对广义本征值问题稳定性的影响，广义本征值问题是量子算法的关键组成部分。此外，我们能够获得一个准确的势能曲线的氮二聚体在量子模拟在经典计算机上。
2021-06-15 physics.chem-ph quant-ph
A Full Quantum Eigensolver for Quantum Chemistry Simulations
量子化学的量子模拟是量子计算最引人注目的应用之一。它在材料科学、生物化学和凝聚态物理等领域特别重要。在这里，我们提出了一个完整的量子本征解算器（QUE）算法计算分子的基态能量和电子结构使用量子梯度下降。与现有的经典-量子混合方法如变分量子本征求解器（VQE）相比，该方法去除了经典优化器，在量子计算机上进行计算，具有更快的收敛速度.梯度下降迭代深度具有有利的复杂度，该复杂度在数学上取决于系统大小和精度的倒数。此外，利用微扰理论计算中间矩阵元，可以进一步简化微扰方程，得到满足化学应用要求的精度结果。完整的量子本征解算器可以在近期量子计算机上实现。随着量子计算硬件的快速发展，量子计算环境为解决量子化学问题提供了一种高效而强大的工具。
2020-02-22 quant-ph
What the foundations of quantum computer science teach us about chemistry
随着量子技术的快速发展，其中一个主要的应用是化学模拟。有趣的是，即使在全尺寸量子计算机可用之前，量子计算机科学已经展示了一系列显着的结果，这些结果直接影响了任何计算机在化学模拟中的可能性。其中一些结果甚至影响了我们对现实世界中化学的理解。从这个角度来看，我们认为直接化学模拟最好理解为数字实验。虽然这一方面澄清了量子计算机扩展我们的能力，但它也向我们展示了过于直接地采取这种方法的局限性。利用量子计算机无法超越物理世界的结果，我们建立了一个有争议的立场，即一些化学问题最好被视为没有算法可以提供解决方案的问题，在计算机科学中称为不可判定的问题。这对热力学模型的预测能力和遍历假设等主题有影响。然而，我们认为，这种观点不是失败主义，而是有助于阐明现有的化学模型，如过渡态理论，分子轨道理论和热力学模型，受益于数据的成功。我们最近的结果表明，数据增强模型是更强大的死记硬背模拟。这些结果帮助我们欣赏传统化学理论的成功，并预测从实验数据中学习到的新模型。量子计算机不仅可以为这些模型提供数据，还可以扩展以基本方式利用数据的模型的类别和能力。这些讨论的高潮是对量子计算和化学相互作用的新方法的推测，以及我们对量子计算机在化学未来的最终作用的看法。
2021-06-07 physics.chem-ph quant-ph
Quantum Simulations of Chemistry in First Quantization with any Basis Set
提出一种使用任意基组在第一量子化中求解基态化学问题的新方法，实现了Toffoli计数渐近加速和资源数量级降低，适用于矩阵元素缺乏简单电路表示的哈密顿量。
2025-03-11 physics.chem-ph quant-ph
Simulation of Thermal Relaxation in Spin Chemistry Systems on a Quantum Computer Using Inherent Qubit Decoherence
当前和近期的量子计算机（即NISQ设备）在其计算能力方面受到限制，部分原因是量子位退相干。在这里，我们试图利用量子位退相干作为模拟真实世界量子系统行为的资源，这些系统总是受到退相干的影响，而没有额外的计算开销。作为实现这一目标的第一步，我们在量子计算机上模拟自由基离子对（RP）中量子拍频的热弛豫，作为该方法的概念证明。我们提出了三种实现热弛豫的方法，一种是明确地应用弛豫Kraus算子，一种是在经典的后处理步骤中将两个独立电路的结果结合起来，另一种是依赖于利用量子比特本身固有的退相干。我们使用我们的方法来模拟两个真实世界的系统，并找到我们的结果，实验数据和理论预测之间的良好协议。
2020-11-06 physics.chem-ph quant-ph
Beyond Unitary Quantum Simulation: Open-System Approaches to Quantum Chemistry toward Quantum Advantage
HQS Quantum Simulations GmbH（HQS量子模拟有限公司）；Institute for Quantum Electronics, ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院量子电子研究所）；Quantum Center, ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院量子中心）；Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF（弗劳恩霍夫应用固体物理研究所）
本文探讨了开放系统方法在量子化学中的应用，强调非幺正动力学在实现量子优势中的潜力，指出相干哈密顿量模拟是速度提升的明确案例，但实际问题仍存在诸多开放性问题。
2026-05-14 quant-ph
Optimizing qubit resources for quantum chemistry simulations in second quantization on a quantum computer
量子计算机上的量子化学模拟遭受在量子比特的玻色子系统中编码费米子问题所需的开销。通过利用块对角的费米子哈密顿量，我们表明，所需的量子比特的数量可以减少两个或更多的因素。不需要进入希尔伯特空间的基来进行这种简化，因为所有的运算都可以在算子空间中进行。该方案被认为是一个预计算步骤，将在实际的量子模拟之前在经典计算机上执行。我们应用这个方案来减少模拟两个站点的费米-哈伯德模型和氢分子的哈密顿量所需的量子位数。然后，这两个量子系统都可以用双量子比特量子计算机来模拟。
2016-05-11 quant-ph
Introduction to Quantum Algorithms for Physics and Chemistry
在这篇介绍性的综述中，我们重点介绍了量子计算在物理和化学中的应用。我们描述了量子模拟算法，已开发的电子结构问题，热态制备，时间动力学模拟，绝热量子模拟，和密度泛函理论。
2012-03-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum simulation of actinide chemistry: towards scalable algorithms on trapped ion quantum computers
本研究首次探索锕系量子计算化学，对比QCM与单辅助比特QPE算法，通过多项资源优化技术，在19比特离子阱设备上完成钚氧化物、氢化物反应能计算，结果与经典方法高度一致。
2025-10-29 physics.chem-ph quant-ph
The Python Simulations of Chemistry Framework: 10 years of an open-source quantum chemistry project
Quantum Engine LLC（Quantum Engine有限责任公司）；University of Chicago（芝加哥大学）；Flatiron Institute（平顿研究所）；California Institute of Technology（加州理工学院）；The Ohio State University（俄亥俄州立大学）；National University of Northeast Argentina（阿根廷东北国立大学）；King’s College London（伦敦国王学院）；Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences（中国科学院化学研究所）；Max Planck Institute for Solid State Research（马克斯·普朗克固体研究所）
本文回顾了PySCF在过去十年中在电子结构理论和量子化学方法开发方面的进展，包括新模块、方法论和性能基准。
2026-04-07 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph quant-ph
Quantum Information and Computation for Chemistry
美国国家科学基金会的量子信息和化学计算研讨会汇集了来自直接面向量子领域的专家，如算法，化学，机器学习，光学，模拟和计量学，以及相关领域的专家，如凝聚态物理，生物化学，物理化学，无机和有机化学，光谱学。研讨会的目的是总结量子信息科学和化学界面研究的最新进展，并讨论该领域有前途的研究挑战和机遇。此外，研讨会希望确定目标领域，这些领域之间的交叉施肥将导致理论，算法和实验技术发展的最大回报。这些想法可以大致分为两个不同的研究领域，它们显然有相互作用，而且没有完全分开。第一个领域是化学的量子信息，或量子信息工具，无论是实验还是理论，都可以帮助我们理解与化学有关的广泛问题。第二个领域是量子信息化学，旨在讨论化学科学研究可以帮助量子信息科学和技术进步的几个方面。本报告概述了讲习班的成果。
2017-06-20 physics.chem-ph quant-ph
Towards Accurate Mixed Quantum Classical Simulations of Vibrational Polaritonic Chemistry
本文提出将面跳跃映射方法（MASH）与量子腔模式结合，并引入ε-MASH解决尺寸不一致性问题，以实现振动极化子化学中可扩展且精确的混合量子经典模拟。
2025-02-06 cond-mat.other physics.chem-ph quant-ph
Quantum Simulation of 2D Quantum Chemistry in Optical Lattices
量子化学中的基准数值方法是量子模拟器可以提供的关键机会之一。在这里，我们提出了一个模拟模拟器的离散二维量子化学模型的基础上冷原子在光晶格。我们首先分析如何模拟简单的模型，如离散版本的H和H $_2^+$，使用一个单一的费米子原子。然后，我们表明，一个单一的玻色子原子可以调解两个费米子之间的有效库仑排斥，导致在二维分子氢的模拟。我们将这种方法推广到更大的系统，通过引入尽可能多的中介原子费米子，并推导出有效的排斥定律。在所有的情况下，我们分析了如何连续的极限接近增加光晶格的大小。
2020-02-21 cond-mat.quant-gas quant-ph
Q$^2$Chemistry: A quantum computation platform for quantum chemistry
量子计算机为量子化学提供了新的机遇。在这篇文章中，我们提出了一个通用的，可扩展的，高效的软件包，命名为Q $^2$化学，开发量子算法和量子启发经典算法在量子化学领域。在Q $^2$ Chemistry中，波函数和哈密顿量可以方便地映射到量子比特空间，然后根据软件包中已经实现的或用户新开发的特定量子算法生成量子线路。生成的电路可以被分派到物理量子计算机（如果可用的话），或者被分派到通过在经典超级计算机上模拟量子线路来实现的内部虚拟量子计算机。如我们的基准模拟所示，高达72量子位，Q $^2$化学在模拟中等规模量子线路方面具有出色的性能。给出了Q $^2$ Chemistry在分子和周期体系模拟中的应用，并进行了性能分析。
2022-08-23 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph quant-ph
Spin vs. position conjugation in quantum simulations with atoms: application to quantum chemistry
Quantum Technology Centre, M.V. Lomonosov Moscow State University（莫斯科国立大学量子技术中心）；St. Petersburg State University（圣彼得堡国立大学）；Russian Quantum Center（俄罗斯量子中心）；Centre for Interdisciplinary Basic Research, HSE University（高等经济学院跨学科基础研究系）；Department of Optics, Palacký University（帕拉茨基大学光学系）；Department of Physics, Old Dominion University（老道明大学物理系）
本文通过原子量子模拟研究自旋与位置结合对量子统计的影响，实现分子中价电子壳层与核中心的模拟，用于量子化学中单价和双价键的模拟。
2026-01-05 quant-ph
Introducing GPU-acceleration into the Python-based Simulations of Chemistry Framework
本研究推出首个GPU4PySCF模块，通过Rys求积法实现含g函数收缩基组双电子排斥积分的GPU加速，可高效用于Hartree-Fock相关计算，基准测试显示较PySCF CPU版快两个数量级，性能对标主流GPU加速量子化学软件。
2024-07-12 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Analog quantum chemistry simulation
高精度计算分子的电子结构是量子化学领域的一个核心挑战。尽管近似方法取得了巨大的成功，但用传统计算机精确地解决这个问题仍然是一项艰巨的任务。这引发了一些理论和实验上的努力，使用量子计算机来解决化学问题，并以数字方式完成了第一次原理证明。数字方法的一个有吸引力的替代方案是模拟量子模拟，它不需要可扩展的量子计算机，并且已经成功地应用于凝聚态物理问题。然而，所有可用或计划的设置都不能用于量子化学问题，因为不知道如何设计所需的库仑相互作用。在这里，我们提出了一种新的方法来模拟量子化学问题的模拟方式。我们的方法依赖于两种技术的精心组合：光晶格中的超冷原子和腔QED。在该模拟器中，在光学势中跳跃的费米子原子扮演电子的角色，附加的光学势提供核吸引力，而在莫特绝缘体上的单个自旋激发借助于腔模介导电子库仑排斥.我们还提供了模拟器的操作条件，并用一个简单的分子对其进行基准测试。我们的工作开辟了有效地计算电子结构的分子模拟量子模拟的可能性。
2020-10-17 cond-mat.quant-gas quant-ph
Grid-based methods for chemistry simulations on a quantum computer
首先，基于网格的化学建模方法是量子计算机的自然和优雅的适合。然而，使用今天的量子原型来探索这种方法的力量是不可行的，因为它需要大量近乎完美的量子位。在这里，我们采用了精确仿真的量子计算机，最多可达36个量子位，以执行深度但节省资源的算法，用单个和成对的粒子模拟2D和3D原子。一系列的任务进行了探讨，从基态准备和能量估计的动态散射和电离，我们评估各种方法内的分裂算子QFT（SO-QFT）哈密顿模拟范例，包括协议先前所描述的理论论文，以及我们自己的新技术。虽然我们确定了某些限制和警告，一般情况下，基于网格的方法被发现执行得很好，我们的结果是一致的，认为第一个量化的范例将占主导地位，从早期的容错量子计算时代向前。
2023-03-08 quant-ph
Numerical Simulations of Noisy Quantum Circuits for Computational Chemistry
近期量子计算机计算小分子基态性质的机会取决于计算模型的结构以及设备噪声引起的误差。在这里，我们调查的行为，这些嘈杂的量子线路使用数值模拟，以估计的准确性和保真度的准备量子态相对于地面真理获得常规手段。我们实现了几种不同类型的Ancipitation电路来自幺正耦合团簇理论的目的估计基态能量的氢化钠使用变分量子本征求解器算法。我们展示了能量和保真度尺度的相对误差与基于门的噪声水平、分子间配置、抗反射电路深度和参数优化方法的关系。
2022-05-05 quant-ph
Enhancing GPU-acceleration in the Python-based Simulations of Chemistry Framework
本文介绍对开源量子化学软件包GPU4PySCF的工业贡献，通过集成DFT、几何优化等功能，实现比32核CPU快30倍的计算速度，节省约90%成本，成为工业量子化学应用的理想平台。
2024-07-22 physics.chem-ph physics.comp-ph quant-ph
Integrated Software/Hardware Execution Models for High-Accuracy Methods in Chemistry
本研究针对量子化学高精度方法的计算资源优化问题，提出结合Micron CXL硬件与AQE云计算的混合DMRG-DUCC工作流方案，并验证了ExaChem套件在原型系统上的性能。
2025-09-15 physics.chem-ph physics.comp-ph quant-ph
Adiabatic Quantum Simulation of Quantum Chemistry
我们展示了如何将量子绝热算法直接应用于分子性质的量子计算。我们描述了一个程序，以映射电子结构的哈密顿量的2-本地量子比特哈密顿量与一个小的物理可实现的耦合。通过结合Bravyi-Kitaev构造将费米子映射到量子位，并使用微扰小工具将哈密顿量降低到2-本地，我们获得了耦合强度和一些辅助量子位的精度要求，这些量子位在问题大小中呈多项式形式。因此，我们的映射是有效的。所需的一组可控的相互作用，包括只有两种类型的相互作用以外的伊辛相互作用所需的量子绝热算法的组合优化问题。我们的映射也可能是化学家直接感兴趣的，因为它定义了一个字典，从电子结构到自旋哈密顿与物理相互作用。
2013-12-19 quant-ph
Discontinuous Galerkin method with Voronoi partitioning for Quantum Simulation of Chemistry
基于高斯型轨道的线性组合的分子轨道可以说是量子化学模拟中最常用的离散化，无论是在量子还是经典器件上。为了规避潜在的密集两体相互作用张量并获得化学量子模拟的较低渐近成本，最近试用了使用矩形分区策略的不连续Galerkin（DG）程序[McClean et al，New J. Phys. 22，093015，2020]。DG方法以可控的方式在通过分子轨道的两体相互作用张量的紧凑描述和通过原始基组（例如平面波对偶基组）的对角表征之间进行插值。DG程序产生了一个块对角表示的两体相互作用与减少数量的两个电子的排斥积分，这反过来又降低了量子模拟的成本。在目前的工作中，我们将这种方法扩展到适用于任意几何形状的分子和晶体系统。我们利用平面波对偶基组的灵活性，并结合不连续Galerkin过程与基于Voronoi分解的一般划分策略。我们分别以氢链、H $_4$、CH $_4$为例，在准一维、二维和三维分区下，在平均场和关联能级上数值研究了其性能.我们还将该方法应用于石墨烯作为晶体系统的典型例子。
2020-10-31 physics.comp-ph quant-ph
Bohmian pathways into chemistry: A brief overview
也许是因为基于量子力学的方法论在化学中一直很受欢迎，并且它们发挥了重要作用，Bohmian力学在这个社区中越来越被接受，特别是在基于量子力学的理论化学领域，例如，量子化学、化学物理或物理化学。从历史的角度来看，这种演变是非常有趣的，特别是当马德隆的前流体动力学配方，可追溯到20世纪60年代末和70年代的稀缺应用相比，目前有许多不同的应用。与经典方法一样，Bohmian轨迹基本上用于描述和分析化学系统的演化，设计和实现新的计算传播技术，或两者的组合。在第一种情况下，玻姆轨线的优势在于它们避免了调用典型的量子-经典对应来解释相应的现象或过程，而在第二种情况下，量子力学效应会自己出现，而不需要人为地包括量子化条件。而不是提供一个详尽的修订和分析所有这些申请（有关这一问题的优秀专著可在文献中找到，供感兴趣的读者查阅，这些文献可在此处提供的参考书目中查阅），本章的编写方式，是为了使读者对这一问题有一个大致的了解（或印象）如何Bohmian力学已经渗透到不同的传统水平或途径，以接近分子系统在化学：电子结构，分子动力学和统计力学。这是做一些说明性的例子-在某些情况下，在其他情况下的理论发展和数值模拟的援助。
2018-01-15 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph quant-ph
Quantum Algorithms for Quantum Chemistry based on the sparsity of the CI-matrix
量子化学为具有相当大的科学兴趣和工业重要性的量子模拟提供了目标。到目前为止，大多数算法都是基于电子结构哈密顿量的二次量化表示，这使得量子比特的要求与轨道的数量呈线性关系。这种方法的门的数量的缩放，而多项式，提出了一些严重的实验挑战。然而，由于电子数对于电子结构问题是一个好的量子数，因此不必存储轨道的整个Fock空间。对于固定的电子数，用斯莱特行列式表示波函数就足够了。然而，到目前为止，技术的量子模拟的哈密顿表示在这个基础上-CI矩阵-一直缺乏。我们将展示如何应用稀疏哈密顿的CI矩阵的模拟技术。我们证明了一些结果利用CI矩阵的结构，所产生的斯莱特规则定义它，以提高稀疏哈密顿模拟技术在这种情况下的应用。我们表明，它是可能的，使用最小数量的量子位来表示波函数，这些方法可以提供改进的缩放在所需的门的数量的限制，固定的电子数和增加基组大小相关的高精度计算。我们希望这些结果打开大门，进一步研究稀疏哈密顿模拟技术的背景下，量子化学的量子模拟。
2013-12-15 quant-ph
Emerging quantum computing algorithms for quantum chemistry
数字量子计算机为求解各种多粒子系统的薛定谔方程提供了一个计算框架。用于这些系统的量子模拟的量子计算算法最近已经见证了显著的增长，尽管现有量子硬件的限制，特别是作为分子中的电子结构计算的工具。在这篇综述中，我们提供了一个独立的介绍新兴的算法模拟的哈密顿动力学和本征态，重点是它们的应用，在分子系统中的电子结构。的理论基础和实施细节的方法进行了讨论，其优点，局限性和最新进展。
2021-11-13 quant-ph
Quantum simulation of quantum field theories as quantum chemistry
共形截断是求解一般强耦合量子场论的一种强有力的数值方法，它基于纯场论技术，不需要引入晶格正则化。我们讨论了使用量子设备执行这些计算的可能加速，以及近期和未来量子算法的帮助。我们表明，这种结构是非常相似的量子模拟问题出现在量子化学（这是广泛研究的量子信息科学），和重整化群理论提供了一个场论解释的共形截断模拟。以二维量子色动力学（QCD）为例，给出了理论水平、经典实验水平和IBM量子模拟器水平上的变分量子模拟和数字量子模拟的各种显式计算，包括绝热态制备、变分量子本征求解器、虚时间演化和量子Lanczos算法.我们的工作表明，量子计算不仅可以帮助我们理解格点近似下的基础物理，而且可以直接模拟粒子物理和核物理中广泛应用的量子场论方法，使量子丘奇-图灵命题更加尖锐。
2020-11-28 hep-th quant-ph
Size-Consistent Quantum Chemistry on Quantum Computers
The University of Chicago（芝加哥大学）
本文通过模拟由增多非相互作用H₂分子组成的系统，评估了量子硬件上的尺寸一致性，发现当前量子设备在化学相关系统大小上能保持尺寸一致性，支持了强相关分子和材料的可扩展模拟可行性。
2025-12-20 physics.chem-ph physics.comp-ph quant-ph
A comparison of the Bravyi-Kitaev and Jordan-Wigner transformations for the quantum simulation of quantum chemistry
进行经典的难以处理的电子结构计算的能力经常被认为是量子计算的主要应用之一。大量的理论算法的发展已经执行，以支持这一目标。大多数技术都需要一个将电子状态和操作映射到量子位的状态和操作的方案。两种最常用的技术是Jordan-Wigner变换和Bravyi-Kitaev变换。然而，这些方案的比较以前仅限于单个小分子。在本文中，我们讨论了资源的影响，使用的Bravyi-Kitaev映射方案，特别是关于模拟所需的量子门的数量。我们认为这两个小系统，可能是在不久的将来的量子设备模拟，系统足够大的经典模拟是棘手的。我们使用86个分子系统来证明，使用的Bravyi-Kitaev变换通常是至少近似有效的典型的约旦-维格纳变换，并在执行有限的电路优化时，在大大减少门数估计的结果。
2018-12-05 quant-ph
Efficient simulation of quantum chemistry problems in an enlarged basis set
本文提出一种在每个 Trotter 步骤添加并回收辅助量子比特的量子算法，通过等距映射将扩展系统中的对角哈密顿量映射回原系统，以 $O(N^2)$ 门复杂度高效模拟量子化学动力学，并在氢链、小分子和 FeMoco 上验证了误差与 Trotter 误差一致。
2025-02-06 quant-ph
Quantum chemistry and charge transport in biomolecules with superconducting circuits
我们提出了一个有效的协议，数字量子模拟的量子化学问题和增强的数字-模拟量子模拟的生物分子与超导电路的传输现象。沿着这些思路，我们通过Trotter-Suzuki分解和Jordan-Wigner变换，对具有单量子比特和双量子比特门的分子结构的费米子模型进行了最佳数字化。此外，我们解决了涉及玻色子自由度与数字模拟方法的生物分子的系统-环境相互作用的建模。最后，我们考虑门截断的量子算法，以允许环境影响的研究。
2016-06-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Simulating quantum chemistry in the seniority-zero space on qubit-based quantum computers
精确的量子化学模拟仍然具有挑战性的经典计算机上的问题，工业相关的规模和有理由希望，量子计算可能有助于推动什么是技术上可行的边界。虽然变分量子本征求解器（VQE）算法已经可以将有噪声的中间尺度量子（NISQ）设备变成有用的机器，但人们必须尽一切努力尽可能有效地使用稀缺的量子资源。我们结合了所谓的资深零，或配对电子，近似计算量子化学与技术模拟分子化学门为基础的量子计算机，并获得一个非常资源有效的量子模拟算法。虽然通过配对电子近似失去了一些准确性，但我们表明，使用释放的量子资源来增加基组可以导致更准确的结果，并将所需的量子计算运行次数减少几个数量级，已经用于像氢化锂这样的简单系统。我们还讨论了一个错误缓解计划的基础上后选择，显示出一个有吸引力的缩放时，考虑给定的哈密顿格式，增加其NISQ实现的可行性。
2020-11-30 quant-ph
Quantum Dynamics of Vibrational Polariton Chemistry
本文采用精确量子力学模拟技术研究凝聚相中腔修饰化学反应，发现分子与光学腔耦合时必须进行量子处理才能准确定量描述反应性改变，且模拟出的速率常数变化比以往计算更接近实验结果，凸显了全量子处理的重要性。
2022-10-11 cond-mat.other physics.chem-ph quant-ph
Towards the Practical Application of Near-Term Quantum Computers in Quantum Chemistry Simulations: A Problem Decomposition Approach
为了建立一个框架来有效地执行量子化学模拟在近期量子器件上的实际应用，我们设想了一个混合量子-经典框架，用于利用量子化学中的问题分解（PD）技术。具体而言，我们使用PD技术将目标分子系统分解为需要较少计算资源的较小子系统。在我们的框架中，有两个层次的杂交。在第一级，我们使用经典算法将目标分子分解成子系统，并利用量子算法来模拟子系统的量子性质。第二个层次是量子算法。我们考虑量子-经典变分算法，使用量子设备和使用经典设备的参数优化的期望估计之间的迭代。我们研究了三种流行的PD技术，我们的混合方法：片段分子轨道（FMO）方法，分而治之（DC）技术，和密度矩阵嵌入理论（DMET）。我们检查这些技术的有效性，正确区分简单的烷烃分子的构象。特别地，我们考虑PD的量子位数与整个系统的量子位数之间的比率;平均绝对偏差;以及Pearson相关系数和Spearman秩相关系数。在量子器件上测量期望值时会引入采样误差。因此，我们研究这种错误如何影响PD技术的预测性能。目前的研究是我们打开使用量子化学模拟的可能性的第一步，其规模接近于近期量子硬件上与工业相关的分子大小。
2018-06-04 cs.DC cs.DS quant-ph
Optimizing Quantum Chemistry Simulations with a Hybrid Quantization Scheme
Hon Hai Research Institute（鸿海研究院）；City University of Hong Kong（香港城市大学）
本文提出混合量子化方案，通过转换电路在不同量子化形式间切换，提升量子化学模拟效率，实现对基态、分子动力学和光谱性质的多项改进。
2026-04-30 quant-ph
Improving Quantum Algorithms for Quantum Chemistry
我们提出了几个改进的标准Trotter-Suzuki为基础的算法在量子计算机上的量子化学模拟。首先，我们修改了如何实现乔丹-维格纳变换，以减少其成本从线性或对数的轨道数为一个常数。我们的修改不需要额外的辅助量子比特。然后，我们演示了有多少操作可以并行化，导致电路的并行深度进一步线性下降，代价是所需量子位数增加一个小的常数因子。第三，我们修改了Trotter-Suzuki分解中的项阶，显著减少了给定Trotter-Suzuki时间步长的误差。最后的改进修改的哈密顿量，以减少由非零Trotter-Suzuki时间步长引入的错误。所有这些技术都使用数值模拟和详细的门计数进行了验证，给出了现实的分子。
2014-03-23 quant-ph
The Trotter Step Size Required for Accurate Quantum Simulation of Quantum Chemistry
分子模拟是量子计算机的一个广泛预期的应用。然而，最近的研究\cite{WBCH13a,HWBT14a}给这一希望蒙上了阴影，揭示了这种模拟的门计数的复杂性随着$N$作为$N^8$的自旋轨道的数量而增加，这甚至对于中等大小的分子$N\sim 100$也变得令人望而却步。这项研究部分是基于随机人工分子的合奏所需的特罗特步骤的缩放分析。在这里，我们重新审视了这个分析，发现在我们研究的真实模型分子的最坏情况下，标度更接近$N^6$，这表明随机系综不能准确地捕捉真实世界分子的统计特性。由于平均效应，实际缩放可能比这好得多。然后，我们提出了一种替代模拟方案，并表明它有时可以优于现有方案，但这种可能性在很大程度上取决于模拟分子的细节。我们得到进一步的改进，使用版本的合并计划的\cite{WBCH13a}，该计划是基于使用不同的特罗特步骤为不同的条款。我们使用的方法来限制模拟一个给定的分子的复杂性是有效的，相比之下，\cite{WBCH13a,HWBT14a}的方法依赖于指数昂贵的经典精确模拟。
2014-06-19 quant-ph
Classical simulation of free-fermionic dynamics and quantum chemistry with magic input
Korea Advanced Institute of Science and Technology（韩国科学技术院）；Center for Theoretical Physics of the Polish Academy of Sciences（波兰科学院理论物理中心）；University of Helsinki（赫尔辛基大学）；HUN-REN Wigner Research Centre for Physics（匈牙利研究与教育网络温格物理学研究中心）；Algorithmiq Ltd（Algorithmiq有限公司）
研究通过魔法输入构建的中间区域，证明自由费米子动力学中可高效近似量子模拟基本算子，为经典计算提供基准。
2026-05-12 quant-ph
Quantum chemistry beyond Born-Oppenheimer approximation on a quantum computer: a simulated phase estimation study
提出了一种有效的超玻恩-奥本海默分子能量计算的量子算法。我们的方法结合了量子全组态相互作用方法与核轨道加分子轨道（NOMO）方法。我们给出了算法的细节，并通过经典的仿真证明了它的性能。以氢分子的两种同位素（H $_2$，HT）为例，模拟计算了它们的最低无转动振动跃迁能.
2016-02-22 quant-ph
Neutral atom quantum computing for materials science and quantum chemistry
University of Strathclyde（斯特拉斯克莱德大学）
本文概述中性原子量子计算平台，并探讨其在材料科学与量子化学中的潜在应用，涵盖数字与模拟量子计算及纠错逻辑量子比特等关键技术。
2026-09-18 physics.atom-ph quant-ph
Simulating chemistry using quantum computers
量子化学家们都知道模拟量子系统的困难，这促使了量子计算的想法。人们可以通过将量子系统映射到另一个更可控的系统，来避免在传统计算机上精确模拟越来越大的量子系统所带来的急剧缩放。在这篇综述中，我们讨论了量子计算的思想在多大程度上已经被应用于化学问题。我们描述的算法，实现电子结构问题的显着优势，化学动力学模拟，蛋白质折叠，和其他任务。虽然理论仍然领先于实验，我们概述了最近的进展，导致了小型量子信息处理器上的第一个化学计算。
2010-07-15 quant-ph
Gate Efficient Composition of Hamiltonian Simulation and Block-Encoding with its Application on HUBO, Chemistry and Finite Difference Method
Université Paris-Saclay CEA, List（巴黎萨克雷大学 CEA 列表研究所）
本研究提出统一多领域哈密顿量模拟的形式体系，通过区别于LCU的门分解策略减少量子门数量与电路深度，可实现精确模拟与块编码，在HUBO、费米子哈密顿量及有限差分法应用中均有优异表现。
2025-01-21 quant-ph
Quantum simulation of chemistry via quantum fast multipole method
本文提出一种基于量子快速多极方法的第一量子化量子化学模拟算法，将库仑算子计算复杂度降至近线性，整体门复杂度低于先前工作，在实用参数范围内实现约η倍加速。
2025-10-08 quant-ph
Qutrit-Native Spatial-Orbital Encoding for Resource-Efficient Quantum Chemistry Simulation
Graduate School of Quantum Science and Technology, KAIST（量子科学技术研究生院，KAIST）
本研究提出qutrit原生空间轨道编码，构建对应模拟框架，在H₂、LiH、H₂O测试中降低量子资源需求，提升能量计算精度，为qudit原生量子算法设计提供起点。
2026-08-18 quant-ph
Efficient quantum circuits for quantum computational chemistry
采用变分量子本征求解器（VQE）的分子量子模拟依赖于近似于分子基态的基态。这些量子态通常由参数化的费米子激发算符和初始参考态定义。有效的方法来执行费米子激发是至关重要的噪声中等规模量子计算机上实现的VQE。在这里，我们解决这个问题，首先演示电路，执行量子位激发，激发不占费米反对易关系。然后，我们扩展这些电路的功能，以执行费米激发。与标准使用“$CNOT$阶梯”构造的电路相比，我们的电路提供了$CNOT$门的数量的线性减少，每个单激励和双激励分别为$2$和$8$的因子。我们的结果降低了量子分子模拟的近期实现的要求。
2020-11-05 quant-ph
Quantum Monte Carlo tunneling from quantum chemistry to quantum annealing
量子隧穿在不同的领域无处不在，从量子化学反应、磁性材料到量子模拟器和量子计算机。虽然模拟隧穿的实时量子动力学对于高维系统是不可行的，但量子隧穿也出现在量子蒙特卡罗（QMC）模拟中，这些模拟与系统大小成多项式关系。本文推广了量子自旋模型的一个新结果。{ \bf 117}，180402（2016）]}，并研究质子转移反应的高维连续变量模型。我们表明，QMC模拟有效地恢复基态隧穿率由于存在的瞬子路径，它总是连接反应物状态与产品。我们在量子化学反应和量子退火的背景下讨论了我们的结果的影响，其中量子隧道预计将成为解决组合优化问题的宝贵资源。
2017-03-23 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Long-range electron-electron interactions in quantum dot systems and applications in quantum chemistry
长程相互作用在量子物理和化学的几种现象中起着关键作用。为了研究这些现象，模拟量子模拟器提供了一个有吸引力的替代经典的数值方法。门定义的量子点已经被建立为量子模拟的平台，但是对于那些实验，电子之间的长程相互作用的影响并没有发挥关键作用。在这里，我们提出了第一个详细的实验表征的远程电子-电子相互作用的栅极定义的半导体量子点阵列。我们证明了显着的相互作用强度之间的电子，最多由四个网站分开，并表明我们的理论预测的屏蔽效应匹配以及实验结果。基于这些发现，我们研究了如何在量子点阵列中的长程相互作用可用于人工量子物质的模拟仿真。我们的数值计算表明，大约10个量子点是足够的，以观察一维$H_2$类分子的结合。这些结合实验和理论的结果铺平了道路，未来的量子模拟与量子点阵列和基准的数值方法在量子化学。
2022-02-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
