Towards Efficient Quantum Computation of Molecular Ground State Energies using Bayesian Optimization with Priors over Surface Topology
针对变分量子特征求解器（VQE）中采样数增加会提升模拟成本的问题，提出带表面拓扑先验的贝叶斯优化（BOPT）方法，用更少量子资源实现分子基态能量计算，并验证了方法有效性。
2024-07-10 cond-mat.str-el physics.chem-ph quant-ph
Quantum equation of motion for computing molecular excitation energies on a noisy quantum processor
分子激发能的计算对于预测具有化学和技术意义的光诱导反应是必不可少的。虽然这项任务所需的经典计算资源规模很小，但量子算法成为有前途的替代方案。特别是，扩展的变变分量子本征求解器算法的计算的激发能是一个有吸引力的选择。然而，目前缺乏这样的算法相关的分子系统，是服从短期，嘈杂的硬件。在这项工作中，我们提出了一个扩展的经典运动方程方法的量子算法计算分子激发能的噪声量子计算机。特别是，我们证明了这种方法的效率在IBM量子计算机上的LiH分子的激发能的计算。
2020-08-17 cond-mat.str-el physics.chem-ph quant-ph
Accessing ground state and excited states energies in many-body system after symmetry restoration using quantum computers
我们探讨了在量子计算机上进行对称性恢复的可能性，在投影技术之后进行额外的后处理。最终目标是开发基于在量子计算机上预优化的多体试验状态的配置相互作用技术。我们展示了如何投影方法用于对称性恢复可以准备优化的状态，然后可以作为初始状态的量子或混合量子经典算法。我们使用量子相位估计和量子Krylov方法进行后处理。后一种方法与投影后量子变分（Q-VAP）相结合，导致非常快的收敛到基态能量。并讨论了获得激发态能量的可能性。使用配对哈密顿量的不同技术的说明。
2021-11-25 cond-mat.supr-con nucl-ex nucl-th
Ground- and excited-state energies extraction via Trotterization on IBM quantum computers
University of California, Merced（加州大学默塞德分校）；Mitsubishi Electric Research Laboratories (MERL)（三菱电机研究实验室）
在IBM量子计算机上实现Trotter化时间演化算符的Hadamard测试，同时提取横场Ising模型和横纵场Ising模型的基态和激发态能量，利用恒定深度电路在噪声背景下提取多达六自旋的本征能量。
2026-06-18 quant-ph
Ground and excited-state energies with analytic errors and short time evolution on a quantum computer
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）
研究精确求解薛定谔方程的挑战，提出基于自相关函数的方法及严格近似框架，用于量子计算中分子系统能量估计。通过结合光谱方法与量子子程序定义QPD算法，能在海森堡极限下高精度同时估计基态和激发态能量，且方法稳健。
2026-07-14 math-ph math.MP physics.chem-ph
Ground-state energies of Ising models calculated using the samples from a quantum computer that simulates short-time evolution
U.S. Naval Research Laboratory（美国海军研究实验室）
本文采用CVQE算法与引导采样假设，利用最多63个量子位计算伊辛模型的基态能量，并分析量子误差边界及近-term量子计算的适用性。
2026-04-28 quant-ph
Power of Sine Hamiltonian Operator for Estimating the Eigenstate Energies on Quantum Computers
量子计算机在解决量子化学难题方面具有巨大的潜力。本文提出了一种新的经典量子混合方法，称为正弦哈密顿算符幂（PSHO），用于计算给定哈密顿量（H）的本征值。在PSHO中，对于任何参考状态，正弦哈密顿功率态的归一化能量可以被确定。随着幂次的增加，初始参考态可以收敛到参考态展开系数中具有最大绝对本征值的本征态，正弦哈密顿幂次态的归一化能量收敛到Ei。哈密顿量的基态和激发态能量可以通过取不同的t值来确定。PSHO方法的性能表现出的H4和LiH分子的数值计算。与目前流行的变分量子本征求解器方法相比，PSHO不需要设计模拟电路，避免了复杂的非线性优化问题。PSHO在近期量子器件中具有巨大的应用潜力。
2022-11-10 quant-ph
Computing Free Energies with Fluctuation Relations on Quantum Computers
涨落关系允许从非平衡动力学模拟的集合计算平衡性质，如自由能。然而，量子系统的计算可能很困难，因为在经典计算机上执行此类系统的动态模拟是指数级的困难。量子计算机可以缓解这一障碍，因为它们可以有效地模拟量子系统。在这里，我们提出了一个算法，利用称为Jarzynski等式的波动关系，以近似量子计算机上的量子系统的自由能差。我们讨论在哪些条件下我们的近似成为准确的，在哪些条件下，它作为一个严格的上限。此外，我们成功地证明了我们的算法的概念证明，使用横向场伊辛模型在一个真正的量子处理器。自由能是一个中心的热力学性质，它允许人们计算物理系统的几乎任何平衡性质。因此，随着量子硬件的不断改进，我们的算法可能会在广泛的应用中成为一个有价值的工具，包括构建相图，预测传输特性和反应常数，以及未来的计算机辅助药物设计。
2021-09-03 cond-mat.stat-mech quant-ph
Using gradient-based algorithms to determine ground state energies on a quantum computer
变分算法是在近期量子计算机上实现的有希望的候选算法。变分量子本征求解器（VQE）是一个突出的例子，其中量子机械波函数的参数化试验状态被优化以获得基态能量。在我们的工作中，我们调查的变分哈密顿量Angloman（VHA），其中的审判状态是由一个非相互作用的参考状态修改的幺正旋转使用发电机的一部分描述系统的哈密顿量。通过优化这些酉旋转的角度来获得最低能量。优化变分参数的标准过程是使用基于梯度的算法。然而，量子器件的散粒噪声和固有噪声影响所需梯度的评估。我们研究了不同的方法来获得梯度，特别是有限差分和参数移位规则，如何受到散粒噪声和量子计算机的噪声的影响。为此，我们模拟了一个简单的量子线路，以及2位点和6位点的哈伯德模型。
2021-09-17 quant-ph
Correction scheme for molecular total energies from quantum phase estimation under limited qubit resources
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)（产业技术综合研究所）
提出一种混合方法，结合容错量子计算机和经典计算，通过量子主导轨道选择和子空间动态相关校正，在有限量子比特资源下准确评估分子总能量。
2026-06-15 physics.chem-ph quant-ph
Sampling Rare Conformational Transitions with a Quantum Computer
University of Trento（特伦托大学）；INFN-TIFPA（意大利国家核物理研究所-特伦托物理与应用技术研究所）；INO-CNR BEC Center（意大利国家研究委员会物质研究所玻色-爱因斯坦凝聚中心）；Frankfurt Institute for Advanced Studies（法兰克福高级研究院）
本文提出结合机器学习与量子计算的MD模拟新方法，用于高效采样稀有构象转变，通过量子退火机探索过渡路径集，验证了在原子级描述中模拟基准构象转变的可行性。
2022-02-08 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph quant-ph
Approximating Ground and Excited State Energies on a Quantum Computer
近似基态和固定数量的激发态能量，或等价的低阶哈密顿本征值，是一个重要但计算困难的问题。通常，经典的确定性算法的成本随自由度的数量呈指数增长。在一般条件下，并使用微扰方法，我们提供了一个量子算法，产生一个常数$j$不同的低阶本征值的估计。该算法依赖于一组尝试特征向量，其构造取决于特定的汉密尔顿性质。我们说明了我们的结果，考虑一个特殊的情况下，时间无关的薛定谔方程与$d$自由度。我们的算法计算一个常数$j$的不同的低阶特征值的误差$O(ε)$和成功概率至少$\frac34$，成本多项式在$\frac{1}ε$和$d$。这扩展了我们以前的结果估计的基态能量的算法。我们提出的技术是足够的一般适用于本文研究的应用程序以外的问题。
2015-08-06 quant-ph
Studies of the Fermi-Hubbard Model Using Quantum Computing
本研究提出一种可扩展的计算Fermi-Hubbard模型小晶格基态能量的方法，在多种尺寸晶格上验证了高精度，为解决经典计算无法处理的的大尺寸问题提供了途径。
2024-08-28 cond-mat.other physics.comp-ph quant-ph
Non-unitary operations for ground-state calculations in near term quantum computers
我们引入了一个量子蒙特卡罗启发的重新加权方案，以准确地计算最佳短量子线路的能量。这种有效的量子-经典混合方法的特点是由短的量子线路提供纠缠，同时存在有效的非幺正算符。该投影仪的函数形式借用自经典计算，能够过滤掉次优变分量子启发式拟法产生的高能分量。在计算多体晶格模型的纠缠基态能量时证明了这种方法的精确性。我们展示了一个实际的实现IBM量子硬件高达8量子位电路。
2019-10-04 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph quant-ph
Subspace methods for the simulation of molecular response properties on a quantum computer
本研究将Davidson子空间方法应用于量子自洽线性响应理论，用于高效计算分子激发能、静态极化率及阻尼响应性质，并验证了酉耦合簇在强关联体系中的优势。
2024-02-19 physics.chem-ph quant-ph
Towards the Simulation of Large Scale Protein-Ligand Interactions on NISQ-era Quantum Computers
我们探索使用的自适应微扰理论（SAPT）作为一种简单而有效的手段来计算大分子系统之间的相互作用能与混合方法结合NISQ时代的量子和经典计算机。从变分量子本征求解器（VQE）得到的单体波函数的单粒子和双粒子约化密度矩阵，我们计算SAPT对相互作用能[SAPT（VQE）]的贡献。在第一级，这个能量产生的静电和交换的贡献，非共价结合的系统。我们从经验上发现，从理想的statevector模拟的SAPT（VQE）的相互作用能量分量显示的数量级低于相应的VQE总能量的绝对误差。因此，即使粗略优化的低深度VQE波函数，我们仍然获得次千卡/摩尔的SAPT相互作用能的精度。在SAPT（VQE）中，通过在单独的分子系统上执行计算，降低了量子要求，例如量子位数和电路深度。此外，活动空间允许包含数千个轨道的大型系统被简化为足够小的轨道集，以执行计算的量子部分。我们对SAPT（VQE）（VQE组件由理想状态矢量模拟器模拟）进行基准测试，以对抗少数小型多参考二聚体系统和含铁中心的人类癌症相关蛋白赖氨酸特异性脱甲基酶5（KDM 5A）。
2021-10-04 physics.chem-ph quant-ph
Quantum computing applied to calculations of molecular energies: CH2 benchmark
量子计算机之所以吸引人，是因为它们能够比经典计算机更快地解决某些任务。它显示在[Aspuru-Guzik et al.，Science 309，1704（2005）]，如果可用的话，他们将能够用多项式标度进行全构型相互作用（FCI）能量计算。这与FCI呈指数级扩展的传统计算机相反。我们已经开发了一个量子计算机模拟的代码，并实现了我们版本的量子全组态相互作用算法。我们提供了一个详细的描述，该算法和评估其性能的结果上的四个最低躺的电子态的CH 2分子。选择该分子作为基准，因为其两个最低的1A 1态在平衡几何结构下表现出多参考特性。已经表明，利用适当选择的量子寄存器的初始状态，即使在这种情况下，也能够实现迭代相位估计算法的概率放大机制。
2010-09-21 quant-ph
Ionization energies in lithium and boron atoms using the Variational Quantum Eigensolver algorithm
经典-量子混合变分量子本征求解器算法是在有噪声的中尺度量子时代获得原子和分子系统基态能量的最广泛使用的方法。在这项工作中，我们扩大了范围的性质，可以使用该算法计算的第一电离能的锂和硼原子。我们检查我们的电离能和观察到的多体趋势的精度，并将它们与传统计算机上进行的计算结果进行比较。
2021-09-26 physics.atom-ph physics.chem-ph quant-ph
Microcanonical and finite temperature ab initio molecular dynamics simulations on quantum computers
从头算分子动力学（AIMD）是预测分子和凝聚态系统性质的有力工具。该过程的质量基于精确的电子结构计算。量子处理器的发展为精确计算分子系统的基态和激发态能量显示了巨大的潜力，为分子动力学模拟开辟了新的途径。在这项工作中，我们解决了使用变分量子算法计算精确的原子力在有源植入式医疗器械中使用。特别是，我们提供了解决方案，用于缓解与能量和力的期望值的测量相关联的统计噪声，以及用于缓解硬件噪声源（特别是门不稳定性，量子位退相干和读出错误）的方案。尽管相对较大的误差计算的势能，我们的结果表明，所提出的算法可以提供可靠的MD轨迹的微正则（恒定能量）系综。此外，利用量子测量过程中产生的固有噪声，我们还提出了一个朗之万动力学算法来模拟正则，即，恒温，动态这两种算法（微正则和正则）适用于模拟简单的分子系统，如H2和H3+。最后，我们还提供了在IBM量子计算机ibmq_athens上获得的H2动力学结果。
2020-08-18 physics.chem-ph physics.comp-ph quant-ph
Correlating AGP on a quantum computer
对于近期量子计算硬件上的变分算法，高度期望使用具有低实现成本的非常精确的ansatze。最近的研究表明，反对称孪生幂（AGP）波函数可以是一个很好的起点ansatze描述系统与强配对相关，如发生在超导体。在这项工作中，我们展示了如何在量子计算机上有效地实现AGP，电路深度，hocTs数量和测量数量在系统大小上是线性的。使用AGP作为初始参考，我们提出并实现了一个酉相关器上的AGP和基准上的基态的配对哈密顿量。结果表明，该模型的哈密顿量的所有关联区的基态能量的高度准确的。
2020-10-16 cond-mat.str-el physics.chem-ph quant-ph
Simulated Quantum Computation of Molecular Energies
在经典计算机上，原子和分子能量的计算时间与系统大小呈指数关系，但使用量子算法则是多项式关系。我们证明，这样的算法可以应用于化学感兴趣的问题，使用适度数量的量子比特。在量子计算机模拟器上用递归相位估计算法计算了水和氢化锂分子的基态能量。递归算法将读出寄存器所需的量子位的数量从大约20减少到4。描述了分子波函数到量子比特的映射。本文描述了一种制备良好的近似基态波函数的绝热方法，并以拉伸氢分子为例进行了论证。所需的量子比特的数量与基函数的数量成线性比例，并且所需的门的数量与量子比特的数量成多项式增长。
2006-04-26 quant-ph
Quantum simulation of electronic structure with a transcorrelated Hamiltonian: improved accuracy with a smaller footprint on the quantum computer
采用包含电子关联效应的变换哈密顿量对电子结构进行了量子模拟。在这项工作中使用的互相关哈密顿量是有效地构造经典的，在多项式的成本，通过近似相似变换与显式相关的两体酉算子。这个哈密顿量是厄米的，只包含两个粒子的相互作用，并且没有电子-电子奇点。我们研究了这种变换的哈密顿量对量子模拟的精度和计算成本的影响，重点是一种广泛使用的薛定谔方程求解器，即变分量子本征求解器方法，基于幺正耦合单双簇（q-UCCSD）Ancor。尽管如此，这里提出的形式主义直接转化为化学的其他量子算法。我们的研究结果表明，一个互相关的哈密顿量，与非常紧凑的基地配对，产生明确的相关能量可比的那些从大得多的基地。对于这里研究的化学物种，基于潜在的6- 31 G基础的明确相关能量具有cc-pVTZ质量。使用非常紧凑的互相关哈密顿量将实现cc-pVTZ质量所需的CNOT门的数量减少了两个数量级，并且量子位的数量减少了三倍。
2021-12-30 physics.chem-ph physics.comp-ph quant-ph
Better accuracy with fewer qubits: Single-particle basis set optimization for quantum chemistry on quantum computers
Centre for Quantum Engineering, Research and Education, TCG CREST（TCG CREST 量子工程研究教育中心）；Academy of Scientific and Innovative Research (AcSIR)（科学与创新研究学院）
该研究针对近期量子计算机的噪声限制，通过遗传算法优化生成MSTO-kG基组，在相同或更少量子比特数下，可实现优于或相当于6-31G、cc-pVQZ等基组的量子化学计算能量，降低了量子化学计算的量子资源需求。
2026-08-25 physics.atom-ph physics.chem-ph quant-ph
Estimating Phosphorescent Emission Energies in Ir(III) Complexes using Large-Scale Quantum Computing Simulations
精确预测材料性质的量子化学模拟是量子计算最受期待的应用之一。人们普遍认为，在量子计算机上运行的模拟将允许更高的准确性，但尚未有令人信服的证据表明量子方法在规模上与现有的经典方法竞争。在这里，我们应用经典硬件上的迭代量子比特耦合簇（iQCC）方法计算了九个磷光铱配合物的$T_1 \to S_0$跃迁能，以确定量子模拟是否比传统计算方法有任何优势。磷光铱配合物是有机发光二极管（OLED）技术广泛商业化的组成部分，但精确计算预测其发射能量仍然是一个挑战。我们的模拟需要一个基于门的量子计算机，至少有72个完全连接和纠错的逻辑量子比特。由于这样的设备还不存在，我们证明了iQCC量子方法使用一个特殊用途的量子模拟器上的经典硬件。的结果进行比较，选择常见的密度泛函理论（DFT）泛函（B3 LYP，CAM-B3 LYP，LC-wHPBE），从头算方法（HF和MP2），和实验数据。iQCC量子方法被发现匹配的精度微调DFT泛函，有一个更好的皮尔逊相关系数，仍然有相当大的潜力，系统的改进。基于这些结果，我们预计iQCC量子方法在新兴量子硬件上部署时将具有设计有机金属配合物所需的准确性。
2021-11-14 physics.chem-ph quant-ph
An adaptive variational algorithm for exact molecular simulations on a quantum computer
化学体系的量子模拟是量子计算机近期最有前途的应用之一。变分量子本征求解器是一种在量子硬件上进行分子模拟的领先算法，它具有严重的局限性，因为它通常依赖于预先选择的波函数计算器，从而得到近似的波函数和能量。在这里，我们提出了一个任意精确的变分算法，而不是固定一个anonymous的前期，该算法的增长，它系统地一个操作员在一个时间的方式所规定的分子被模拟。这会产生一个具有少量参数的模拟器，从而导致浅深度电路。我们提出了数值模拟，包括一个原型的强相关分子，这表明我们的算法比一个单一的耦合簇的方法，在电路深度和化学精度方面表现得更好。我们的研究结果突出了我们的自适应算法的潜力，与当今和近期的量子硬件精确模拟。
2019-07-13 cond-mat.str-el physics.chem-ph 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
Simulating collider physics on quantum computers using effective field theories
在很宽的能量范围内模拟量子场论的完整动力学需要非常大的量子计算资源。然而，对于粒子物理学中的许多可观测量，微扰技术足以精确地模拟理论有效性范围内的所有能量。我们证明，有效场论（EFT）提供了一个有效的机制，分离的高能量的动力学，这是很容易计算的传统微扰理论在低能量的动力学，并显示如何量子算法可以用来模拟低能量EFT从第一原理的动力学。作为一个明确的例子，我们计算真空到真空和真空到一个粒子的过渡的标量场理论中的两个威尔逊线的时间顺序的产品，一个对象密切相关的粒子物理学的标准模型的EFT中出现的存在下的期望值。使用量子计算机的模拟以及使用IBMQ曼哈顿机器的测量来执行计算。
2021-02-09 hep-lat hep-ph quant-ph
Variational quantum eigensolver for chemical molecules
School of Physics & Astronomy, University of Nottingham（诺丁汉大学物理与天文学院）
本文提出利用变分量子特征解算器计算H2O和He-H+分子的基态能量，并通过经典方法验证结果。
2026-01-07 physics.comp-ph quant-ph
Computational Chemistry on Quantum Computers: Ground state estimation
我们目前的计算化学数据的小分子（$CO$，$HCl$，$F_2$，$NH_4^+$，$CH_4$，$NH_{3}$，$H_3O^+$，$H{_2}O$，$BeH_{2}$，$LiH$，$OH^-$，$HF$，$HeH^+$，$H_2$），通过实现单双激发的酉耦合簇方法（UCCSD）在量子计算机模拟器上获得。我们使用变分量子本征解（VQE）算法来提取这些分子的基态能量。该能量数据表示基于STO-3G，量子计算机将为给定分子产生的预期基态能量。由于在量子计算机上实现UCCSD有很多兴趣，我们希望我们的工作将成为未来实验实现的基准。
2019-06-30 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Evaluating energy differences on a quantum computer with robust phase estimation
我们适应的强大的相位估计算法，使用量子计算机的两个本征态之间的能量差的评估。这种方法不需要辅助寄存器和系统寄存器之间的受控幺正，甚至不需要单个辅助量子位。作为概念验证，我们在云量子计算机上计算了氢分子的基态和低激发态的能量。然后，我们的方法的解释性的鲁棒性进行量化的高容忍度的状态准备和测量中的相干错误。从概念上讲，我们注意到，所有的量子相位估计算法最终评估本征值差。
2020-07-17 quant-ph
Subspace Diagonalization on Quantum Computers using Eigenvector Continuation
量子子空间对角化（QSD）方法是量子-经典混合方法，通常用于通过将哈密顿量投影到较小的子空间来找到基态和激发态能量。在应用这些方法时，从基的完备性和在量子计算机上实现的效率的角度来看，子空间基的选择是至关重要的。在这项工作中，我们提出了本征向量延拓（EC）作为QSD方法，在参数空间中的不同点的哈密顿量的低能态被选为子空间的基础。这种独特的选择使得能够以最小的硬件工作量快速评估低能光谱，包括基态和附近的激发态。作为一个特别的优点，EC能够捕获对应于问题的不同对称扇区的跨基态交叉的频谱。我们证明了这种方法的相互作用自旋模型和分子。
2022-09-21 cond-mat.other cond-mat.str-el quant-ph
Quantum Chemistry Calculations using Energy Derivatives on Quantum Computers
量子化学计算，如分子性质的预测和化学反应的建模，是近期量子计算机可以展示量子优势的几个关键领域。基于变分量子本征求解器（VQE），提出了一种计算基态和激发态能量对化学体系参数的能量导数的方法.设计了一种混合变分范式下的量子线路的低深度实现，并分析了其计算代价。通过将该方法应用于能量衍生物的量子化学关键应用中，如H $_2$分子的最小能量构型搜索和分子响应性质估计，以及H $_2$ + H $\leftrightarrow$ H + H $_2$反应的过渡态的寻找，展示了该方法的有效性.所得到的结果示出与它们各自的全组态相互作用（FCI）值是完全一致的。
2021-06-10 physics.chem-ph quant-ph
Genetic-Multi-initial Generalized VQE: Advanced VQE method using Genetic Algorithms then Local Search
变分-量子-本征解算器（VQE）方法是量子计算机与经典计算机相结合的化学计算方法。该方法还可以用变分量子紧缩（VQD）方法计算出激发态的能级。然而，激发态的参数景观有许多局部极小值，结果往往被它们所捕获。因此，我们采用遗传算法然后局部搜索（GA然后LS）作为VQE方法的经典优化器。我们先用改进的遗传算法，然后用最小二乘法计算了氢分子的基态和激发态及其能量。在这里，我们使用Powell，Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno，Nelder-Mead和Newton方法作为LS的优化器。结果表明，牛顿法能以较高的精度导出基态和激发态及其能量。我们预测牛顿法是一种更有效的种子萌发方法，而且精度更高。
2021-09-05 physics.chem-ph quant-ph
Emergence of Fermi-Dirac Thermalization in the Quantum Computer Core
我们将一个孤立的量子计算机建模为一个二维量子比特（自旋半）晶格，其中单个量子比特能量和剩余短程量子比特间耦合存在波动。在波动和耦合比单量子比特能量间隔小的极限下，光谱具有能带结构，我们研究了具有最高态密度的量子计算机核心（中心带）。在临界量子比特间耦合强度之上，量子混沌开始，导致孤立量子计算机中本征态的量子遍历性。混沌的发生导致相互作用诱导的动力学热化和占据数的费米-狄拉克分布很好地描述。这种热化破坏了非相互作用的量子比特结构，并对量子计算机的可操作性提出了严格的要求。
2000-09-21 cond-mat nlin.CD quant-ph
Hamiltonian simulation-based quantum-selected configuration interaction for large-scale electronic structure calculations with a quantum computer
本研究针对传统量子选择组态相互作用需高质量近似波函数的难题，提出基于哈密顿量模拟的HSB-QSCI方法，经数值模拟与36量子比特硬件验证，仅用约1%斯莱特行列式即可捕获超99.18%活性空间相关能，适用于强关联体系的电子结构计算。
2025-10-02 physics.chem-ph quant-ph
Algorithms for quantum simulation at finite energies
我们介绍了两种量子算法来探索多体系统的微正则和正则性质。第一个是混合量子算法，给定一个有效的可压缩状态，计算其平均能量附近的有限能量区间内的期望值。该算法基于滤波算子，类似于量子相位估计，其投射出期望能量区间之外的能量。然而，代替对物理状态执行此操作，其通过执行干涉测量来恢复物理值，而无需准备经滤波状态。我们表明，计算时间尺度与量子位数，规定的方差的倒数，和逆误差的多项式。在实践中，该算法不需要长时间的演化，而是需要大量的测量以获得合理的结果。我们的第二个算法是一个量子辅助蒙特卡罗抽样方法来计算其他数量接近的期望值的微正则和正则系综。这种方法利用经典的蒙特卡罗技术和量子计算机作为资源，只要能够制备具有合适能量的态，就可以避免经典量子蒙特卡罗模拟中的符号问题。所有算法都可以与小型量子计算机和模拟量子模拟器一起使用，只要它们可以执行干涉测量。我们还表明，这最后一项任务可以大大简化的代价进行更多的测量。
2021-04-28 quant-ph
Quantum simulations of molecular systems with intrinsic atomic orbitals
在量子计算机上对分子系统进行量子模拟时，通常采用高斯轨道的最小基组。与更现实的基组相比，采用最小基组的量子模拟需要更少的量子比特和量子门，但产生较低精度的结果。实现更精确结果的自然策略是增加基组大小，这反过来又需要增加量子位和量子门的数量。在这里，我们探索使用固有原子轨道（IAO）的量子模拟的分子，以提高能量和性质的准确性，在相同的计算成本所需的最小的基础。我们调查的基态能量和一个和两个身体密度运营商的框架内的变分量子本征求解器，采用和比较不同的Ansätze。我们还演示了使用这种方法在计算的基态和激发态能量的小分子的量子算法的组合，使用IBM量子计算机。
2022-08-16 quant-ph
Scaling Up Electronic Structure Calculations on Quantum Computers: The Frozen Natural Orbital Based Method of Increments
本文介绍了增量法和冻结自然轨道（MI-FNO）框架，以加快噪声中尺度量子NISQ器件在量子化学模拟中的应用。MI-FNO框架为量子化学模拟提供了占用和虚拟轨道空间的系统化缩减。从MI-FNO还原得到的增量的相关能量然后可以通过各种算法求解，包括量子算法，例如相位估计算法和变分量子本征求解器（VQE）。酉耦合簇单和双VQE框架用于获得小分子情况下的相关能（即，BeH $_2$、CH $_4$、NH $_3$、H $_2$ O和HF）。量子资源的要求估计的限制几何复杂（CGC）催化剂，用于在工业环境中聚合的$α$ -烯烃。我们表明，MI-FNO方法提供了一个显着减少量子位的要求相对于完整的系统模拟。我们建议MI-FNO框架可以创建适合于评估NISQ设备进展的量子化学问题的可扩展示例。
2021-04-21 quant-ph
Energy levels estimation on a quantum computer by evolution of a physical quantity
我们证明了一个物理量的平均值对时间的依赖性与量子系统的跃迁能有关。当一个物理量的算符与一个系统的哈密尔顿算符反对易时，研究其平均值的演化可以确定系统的能级。在此基础上，我们提出了一种在量子计算机上确定物理系统能级的方法。该方法为利用多量子比特量子计算机求解具有空间各向异性相互作用的伊辛模型的最小或最大能量问题提供了实现量子霸权的可能性.我们应用自旋系统（磁场中的自旋、自旋链、正方晶格上的伊辛模型）的方法，并在IBM的量子计算机上实现。
2021-08-19 quant-ph
Nuclear two point correlation functions on a quantum-computer
动态响应函数的计算有望成为受益于快速发展的量子硬件资源的早期应用。计算强相关量子系统的实时量的能力是最令人兴奋的应用之一，可以轻松超越传统经典硬件的能力。在中等动量和能量大致对应于系统的费米能量的费米系统的响应函数是一个潜在的早期应用，因为相关的运营商是近本地和能量可以解决在适度短的实时，减少所需的空间分辨率和门深度。这是特别是在准弹性电子和中微子从原子核散射的情况下，在核和粒子物理社区的极大兴趣的主题，并直接相关的实验设计，以探测中微子的性质。在这项工作中，我们使用当前的量子硬件和错误缓解协议，计算响应函数的高度简化的核模型，通过计算的2点实时关联函数的修改后的费米-哈伯德模型在两个维度上的四个晶格位置上的三个可区分的核子。
2021-11-04 hep-lat nucl-th quant-ph
Energies of Two-State Systems
量子态的能量由相位演化指数的自变量给出。因此，对两态系统（TSS）能量的分析可以围绕薛定谔图像中状态概率幅的相位强调描述进行。在这里，半经典地研究TSS的能量，我们提出了一种能量揭示格式，其中的概率振幅的时间依赖性表示的相位演化因子。通过这种新的能量研究方法，我们首先重新审视非驱动TSS，写出将系统（通常）设置为稳态的条件，并确定相关的（单个）确定能量。然后，更重要的是，我们重新驱动TSS，确定两个定态，并证明存在两个准能量与每个定态。在相位保持框架下，我们给出了强驱动自旋半TSS的“呼吸螺旋”型进动模。此外，我们通过一组两个耦合探针的计算机模拟来验证我们的发现。对于具体的例子，我们计算并列出了几个具体的TSS在典型的操作条件下的能量。
2022-04-09 quant-ph
Quantum Machine Learning of Molecular Energies with Hybrid Quantum-Neural Wavefunction
提出混合量子-神经波函数框架，结合量子电路与深度神经网络学习分子波函数，在数值与超导量子实验上实现近化学精度，并具强抗噪性。
2025-09-09 physics.chem-ph quant-ph
Accuracy and Resource Estimations for Quantum Chemistry on a Near-term Quantum Computer
化学反应性的研究和预测是分子量子化学最重要的应用领域之一。大规模的、完全容错的量子计算机可以为潜在的电子结构问题提供精确或接近精确的解决方案，而比经典计算机的工作量要少得多，从而能够对超大分子系统进行高度精确的预测。然而，在不久的将来，只有数量有限的量子位的“噪声”设备才能受到退相干的影响。对于这样的近期量子计算机的混合量子经典变分量子本征求解器算法结合幺正耦合簇分析（UCCSD-VQE）已成为一个集中讨论的方法，可以提供准确的结果之前的曙光容错量子计算。在这项工作中，我们提出了一个UCCSD-VQE的实现，允许第一次处理开壳和闭壳分子。我们研究了九个小分子系统以及四个示例性的化学反应，通过比较成熟的电子结构方法，如（非单一）耦合簇和密度泛函理论的能量的准确性。最后，我们粗略估计了所需的量子硬件资源，以获得“有用的”结果，用于实际目的。
2019-08-14 physics.chem-ph quant-ph
Modeling singlet fission on a quantum computer
研究利用Quantinuum H1-1量子计算机及量子比特缩减、测量优化和并行执行等策略，对线性H$_4$分子进行单态裂变建模，结果精确满足能量先决条件且优于经典方法。
2023-01-13 physics.chem-ph quant-ph
Analyzing many-body localization with a quantum computer
多体局域化，即具有非零激发能密度的态局域化对电子-电子相互作用的持续性，对当前的理论和数值分析方法提出了挑战。到目前为止，数值模拟仅限于少数站点，因此很难获得有关热力学极限的可靠声明。在本文中，我们将探索如何利用相对较小的量子计算机来研究多体局域化。我们表明，除了研究时间演化，量子计算机可以在多项式时间内获得任意能量的本征态，以足够的精度，可以观察到本地化。由于量子测量的局限性，不能直接获得纠缠熵，使得最近文献中使用的一些多体局域化定义难以应用。我们讨论了可以在量子计算机上实现的本地化的替代测试。
2014-11-05 cond-mat.dis-nn quant-ph
Improved variational quantum eigensolver via quasi-dynamical evolution
变分量子本征求解器（VQE）是一种量子-经典混合算法，适用于当前和近期的量子器件。尽管它取得了初步成功，但人们对它的几个关键方面缺乏了解。VQE存在问题，其禁止朝向量子优势的有利缩放。为了缓解这些问题，我们提出并广泛测试了量子退火启发式，补充VQE。改进的VQE使一个有效的初始状态准备机制，在一个递归的方式，准动力学幺正演化。我们进行了深入的标度分析，寻找海森堡模型的晶格尺寸增加的基态能量，采用高达$40$量子比特的模拟，操纵完整的状态矢量。对于当前的设备，我们进一步提出了一个基准工具包，使用平均场模型和IBM Q设备上进行测试。改进的VQE避免了贫瘠的高原，退出局部极小值，并与低深度电路。现实的门执行时间估计在全功能无差错量子计算机上完成相同计算的计算时间比在经典计算机上实现的量子计算机仿真器上更长。然而，当完整的状态向量不能再存储在经典计算机上时，我们的建议可以预期有助于精确估计超过$50$量子位的基态能量，从而实现量子优势。
2023-03-21 quant-ph
Relativistic quantum chemistry on quantum computers
近年来，人们对应用量子计算解决量子化学问题产生了极大的兴趣。最近，甚至第一个原理验证实验实现已经报道。然而，到目前为止，只有非相对论性的制度（即薛定谔方程）已被探索，而众所周知，相对论效应在化学中可能是非常重要的。在这封信中，我们提出了第一个相对论计算分子能量的量子算法。我们展示了如何有效地解决本征问题的狄拉克-库仑哈密顿量的量子计算机上，并证明所提出的程序的功能，通过数值模拟计算的自旋轨道分裂的SbH分子。最后，我们提出了具有3个量子比特和9或10个hocT的量子线路，其实现了该分子的原理证明相对论量子化学计算，并且可能适合于实验实现。
2012-03-26 quant-ph
Simultaneous estimation of multiple eigenvalues with short-depth quantum circuit on early fault-tolerant quantum computers
提出MM-QCELS方法，在早期容错量子计算机上同时估计多个本征值，电路深度达海森堡极限，仅需一个辅助量子比特，数值上比QPE缩短约两个数量级。
2023-10-01 quant-ph
Strategies for quantum computing molecular energies using the unitary coupled cluster ansatz
变分量子本征求解器（VQE）算法将量子计算机高效计算期望值的能力与经典优化例程相结合，以近似量子系统的基态能量。本文研究了VQE在酉耦合团簇（UCC）模拟分子能量中的应用。我们引入了新的策略，以减少电路深度的UCC的实施和提高优化的波函数的基础上有效的经典近似的集群振幅。此外，我们提出了一种分析方法来计算的能量梯度，降低了几个数量级的梯度估计的采样成本相比，数值梯度。我们说明了我们的方法与四个氢原子，表现出强相关性的系统的数值模拟，并表明，电路深度的VQE使用UCC ananomaly可以减少而不引入显着损失的准确性在最终的波函数和能量。
2018-02-10 quant-ph
Quantum-Selected Configuration Interaction: classical diagonalization of Hamiltonians in subspaces selected by quantum computers
QunaSys Inc.（QunaSys公司）；Graduate School of Engineering Science, Osaka University（大阪大学工学研究科）；Center for Quantum Information and Quantum Biology, Osaka University（大阪大学量子信息与量子生物学中心）
本文提出量子选择组态交互算法，通过量子计算机选择子空间并经典对角化哈密顿量，实现多电子体系基态和激发态能量的计算，方法具有抗噪声和误差能力。
2023-02-22 quant-ph
QCSH: a Full Quantum Computer Nuclear Shell-Model Package
原子核是典型的多体量子系统。在经典计算机中对一个核系统进行完全计算远远超出了当前经典计算机的能力。随着硬件的快速发展，量子计算机在核物理中的应用前景越来越广阔。在这里，我们报告了一个完整的量子包，QCSH，在量子计算机中解决核壳模型。QCSH使用量子计算的幺正线性组合形式，并在量子计算机中执行所有计算。量子比特资源的复杂度、QCSH的基本门数都是核大小的多项式。QCSH已经可以在短期内提供有意义的结果。作为例子，在经典量子模拟器中使用QCSH计算了12个轻核$^{2}$ H、$^{3}$ H、$^{3}$ He、$^{4}$ He、$^{6}$ Li、$^{7}$ Li、$^{12}$ C、$^{14}$ N、$^{16}$ O、$^{17}$ O、$^{23}$ Na和$^{40}$ Ca的结合能。在超导量子计算装置上，利用量子相干流方法对氘核的结合能进行了实验研究。QCSH不仅适用于近期的量子器件，而且适用于未来的大规模量子计算机。随着量子器件的发展，核系统成为另一个展示实用量子优势的有希望的领域。
2022-05-24 nucl-th quant-ph
Mapping renormalized coupled cluster methods to quantum computers through a compact unitary representation of non-unitary operators
非幺正理论在量子系统的经典模拟中很常见。在这些理论中，耦合团簇方程的矩量法（MMCCs）和随后的重整化耦合团簇（CC）方法已经发展成为描述各种量子系统中关联效应的最准确的方法之一。MMCC形式主义提供了一种有效的方法来校正能量的近似CC配方（母理论）使用的时刻，或CC方程，这是不用于确定近似集群振幅。本文提出了一种计算MMCC基态能量的量子算法，与经典计算或其他量子算法相比，该算法具有两个主要优点：（1）可以在整个Hilbert空间中形成任意秩的CC矩的叠加，并可以使用任意形式的父簇算符进行MMCC展开;以及（ii）通过用于一般非幺正算子的紧凑幺正表示显著减少了量子模拟中的测量次数。我们在广泛的测试案例中说明了我们的方法的鲁棒性，包括~40个分子系统，具有不同的基组，使用4~40个量子比特编码，并展示了详细的MMCC分析的8量子比特半填充，四位，单杂质安德森模型和12量子比特氟化氢分子系统从相应的无噪声和噪声MMCC量子计算。我们还概述了MMCC形式主义的情况下，酉CC波函数anonymous的扩展。
2022-11-03 quant-ph
Bridging Quantum Computing and Nuclear Structure: Atomic Nuclei on a Trapped-Ion Quantum Computer
Utsunomiya University（宇都宫大学）；RIKEN Nishina Center for Accelerator-based Science, RIKEN（理化学研究所仁科加速器科学中心）；The University of Tokyo（东京大学）
利用俘获离子量子计算机模拟核许多体系统，结合硬核玻色子表示与对单位耦合簇双体近似方法，实现高精度核基态能量计算，为核物理研究提供新方法。
2026-01-21 nucl-th quant-ph
Utility of NISQ devices: optimizing experimental parameters for the fabrication of Au atomic junction using gate-based quantum computers
Tokyo University of Agriculture and Technology（东京农工大学）；The Institute of Medical Science, The University of Tokyo（东京大学医学科学研究所）；The University of Tokyo（东京大学）
研究利用NISQ设备通过量子计算优化制备金原子接头的实验参数，对比NISQ与量子退火器的计算精度，证明NISQ在解决大规模优化问题时具有更低的残余能量和更高的解质量。
2026-04-14 quant-ph
