[論文レビュー] Chemically Aware Unitary Coupled Cluster with ab initio Calculations on System Model H1: A Refrigerant Chemicals Application

I. T. Khan, M. Tudorovskaya+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、フェルミオンからハードコアボソンへの演算子写像と対称性フィルタリングを活用することで、2キュービットゲート数を削減する化学的に配慮したユニタリ・カップルドクラスター（UCC）回路合成手法を提案する。メタンの Honeywell System Model H1 における電子状態エネルギーの相対誤差が 0.2% にまで低下し、2キュービットゲート数は 90% 減少した。これにより、冷媒化学における光学スペクトルおよび反応遷移状態の計算に向けた正確な量子部分空間拡張（QSE）が可能になった。

ABSTRACT

Circuit depth reduction is of critical importance for quantum chemistry simulations on current and near term quantum computers. This issue is tackled by introducing a chemically aware strategy for the Unitary Coupled Cluster ansatz. The objective is to use the chemical description of a system to aid in the synthesis of a quantum circuit. We combine this approach with two flavours of Symmetry Verification for the reduction of experimental noise. These method enable the use of System Model H1 for a 6-qubit QSE (Quantum Subspace Expansion). We present (i) calculations to obtain CH4 optical spectra; (ii) an atmospheric gas reaction simulation involving $[$CH$^{\cdot}_3$--H--OH$^{\cdot}]^{\ddagger}$. Using our chemically aware UCC state-preparation strategy in tandem with state of the art symmetry verification methods, we improve device yield for CH4 at 6-qubits. This is demonstrated by a 90% improvement in two-qubit gate count and reduction in relative error to 0.2% for electronic energy calculated on System Model H1.

研究の動機と目的

• 近接量子化学シミュレーションにおけるユニタリ・カップルドクラスター（UCC）回路の高いリソースコストを解消すること。
• 化学的知見と対称性フィルタリングを用いて、UCCに基づく量子回路における2キュービットゲート数を削減すること。
• ノイジィな中規模量子（NISQ）ハードウェア上で、量子部分空間拡張（QSE）を用いて電子励起状態および反応エネルギー障壁を正確に計算すること。
• 現在の量子ハードウェア上で、CH₄ やその OH• との反応を含む環境に影響を与える冷媒分子をシミュレートする可能性を実証すること。
• 統合された対称性検証と特化した状態準備により、量子シミュレーションのデバイス効率を向上させ、サンプリング誤差を低減すること。

提案手法

• UCCにおける空間軌道励起をハードコアボソン演算子に写像することで、回路深さを低減し、効率的な2キュービットゲートキャンセルを可能にする。
• Z₂ 対称性フィルタリングを事前処理として適用し、物理的に不適切な励起状態を排除することで、回路のキュービット数およびゲート数を削減する。
• パウリガジェット合成を統合し、最適化された回路分解によってさらに2キュービットゲート数を削減する。
• 分割測定対称性検証（PMSV）および中間回路測定対称性検証（MMSV）を用いて、実験的ノイズを抑制する。
• 6キュービットの System Model H1 で量子部分空間拡張（QSE）を実行し、励起状態エネルギーおよび光学スペクトルを計算する。
• UCC状態準備と対称性検証を統合することで、エネルギーおよび遷移双極子モーメントの計算における忠実度を向上させ、サンプリング誤差を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学的に配慮したUCC回路合成は、量子化学シミュレーションの正確性を保ちつつ、2キュービットゲート数を削減できるか？
• RQ2 ハードコアボソン写像と対称性フィルタリングの組み合わせは、UCCアーンツェの回路深さ低減にどの程度効果的か？
• RQ3 PMSV および MMSV といった対称性検証手法は、ノイジィな量子ハードウェア上でのエネルギーおよび光学スペクトル計算の忠実度をどの程度向上できるか？
• RQ4 化学的に配慮したUCC準備を用いたQSEは、CH₄ + OH• → CH₃• + H₂O の反応におけるメタンの光学スペクトルおよび反応エネルギー障壁を正確に計算できるか？
• RQ5 現在のNISQデバイスは、[CH₃•—H—OH]‡ などの遷移状態における動的相関をどの程度正確に捉えることができるか？

主な発見

• System Model H1 におけるメタン（CH₄）の化学的に配慮したUCC回路合成手法により、2キュービットゲート数が90%削減された。
• CH₄ の電子状態エネルギー計算における相対誤差は0.2%にまで低下し、近接量子ハードウェア上での高い忠実度を示した。
• QSEを用いて光学スペクトルが成功裏に計算されたが、その正確性は事前のQSEエネルギー計算の精度に依存した。
• 遷移状態 [CH₃•—H—OH]‡ は強い動的相関のため困難であり、現在の実装で可能な軌道数を上回る必要があった。
• 分子の非対称性がゲート数削減を制限したが、わずかな2キュービットゲート数の削減が観察された。ただし、フェルミオン ADAPT-VQE がこの系において本手法を上回った。
• 本研究は、化学的に配慮したUCC合成における対称性許容励起の事前フィルタリングとして、ADAPT-VQE のさらなる検討の必要性を示唆している。