基于振动样本的量子对角化方法及在IBM QPU上的幺正团簇-雅斯特罗夫拟设

中文摘要 AI 辅助

我们将基于样本的量子对角化（SQD）方法扩展到非谐振动光谱，并利用它来基准测试在直接one-hot编码（多达72个量子比特）下，振动拟设在当前硬件上的扩展性能。五个粒子数守恒电路通过振动耦合团簇（VCC）t1、t2振幅进行热启动：UVCCSD、紧凑启发式电路（CHC）以及本文引入的三个幺正团簇-雅斯特罗夫拟设：VLUCJ、Vg-uCJ和VIm-uCJ。一个自洽的构型恢复循环从硬件样本中重建关联态，适用于朴素后选择失效的低保留率区域，从而能够计算H$_2$O、CH$_2$O和CH$_2$ClF（3-9个模式）的基态能量。我们比较了谐振子和振动自洽场（VSCF，“模态”）参考基组。在与近期设备相关的小模态基组区域，模态基组通常比谐振子表示更准确；经验上，它还在这些量子比特数下对深电路产生明显更好的收敛硬件采样。在各种拟设中，我们发现扩展时存在明显的保留率/精度权衡：新的VLUCJ电路对硬件最鲁棒，保留了最大比例的物理有效one-hot结果，而更具表达力的uCJ变体和UVCCSD在保留率足够时可以恢复更多关联。最后，我们将恢复协议扩展到激发态，通过针对选定的每模态VSCF占据数并利用特定态VCC计算进行热启动，并在IBM QPU上演示了每个分子一个代表性基频振动频率的计算。

英文摘要

We extend sample-based quantum diagonalization (SQD) to anharmonic vibrational spectra and use it to benchmark how vibrational ansätze scale on present-day hardware under a direct one-hot encoding (up to 72 qubits). Five particle-conserving circuits are warm-started through vibrational coupled-cluster (VCC) t1, t2 amplitudes: UVCCSD, the compact heuristic circuit (CHC), and three unitary-cluster-Jastrow ansätze introduced here, VLUCJ, Vg-uCJ, and VIm-uCJ. A self-consistent configuration-recovery loop reconstructs correlated states from hardware samples in the low-retention regime where naïve post-selection breaks down, enabling the calculation of ground-state energies for H$_2$O, CH$_2$O, and CH$_2$ClF (3-9 modes). We compare harmonic-oscillator and vibrational self-consistent-field (VSCF, "modal") reference bases. In the small-modal-basis regime relevant for near-term devices, the modal basis is typically more accurate than the harmonic-oscillator representation; empirically, it also yields substantially better-converged hardware sampling for deep circuits at these qubit counts. Across ansätze, we find a clear retention/accuracy tradeoff when scaling: the new VLUCJ circuit is the most hardware-robust, retaining the largest fraction of physically valid one-hot outcomes, whereas the more expressive uCJ variants and UVCCSD can recover more correlation when retention is sufficient. Finally, we extend the recovery protocol to excited states by targeting a chosen per-mode VSCF occupation and warm-starting it with a state-specific VCC calculation, and we demonstrate the calculation of one representative fundamental vibrational frequency per molecule on IBM QPUs.

发表机构

• IBM Quantum, IBM Japan（日本IBM 量子计算部门）
• RIKEN Center for Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS)（理化学研究所 跨学科理论与数学科学中心（iTHEMS））
• RIKEN（理化学研究所）
• RIKEN Pioneering Research Institute (PRI)（理化学研究所 前沿研究机构（PRI））
• RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)（理化学研究所 新兴物质科学中心（CEMS））
• RIKEN Center for Computational Science (R-CCS)（理化学研究所 计算科学中心（R-CCS））
• RIKEN Center for Quantum Computing (RQC)（理化学研究所 量子计算中心（RQC））

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