[論文レビュー] How will quantum computers provide an industrially relevant computational advantage in quantum chemistry?

Vincent E. Elfving, Benno W. Broer+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 149被引用数 65

ひとこと要約

この論文は量子ハードウェアとアルゴリズムの現状を分析し、量子化学における量子優位性が何を意味するのかを定義し、量子と古典的手法を比較するためのリソース推定（例：CASサイズ）を提供し、Cr2を主要なベンチマークとして強調し、FeMo-coを近い将来の産業的関連性についての警鐘事例として議論する。

ABSTRACT

Numerous reports claim that quantum advantage, which should emerge as a direct consequence of the advent of quantum computers, will herald a new era of chemical research because it will enable scientists to perform the kinds of quantum chemical simulations that have not been possible before. Such simulations on quantum computers, promising a significantly greater accuracy and speed, are projected to exert a great impact on the way we can probe reality, predict the outcomes of chemical experiments, and even drive design of drugs, catalysts, and materials. In this work we review the current status of quantum hardware and algorithm theory and examine whether such popular claims about quantum advantage are really going to be transformative. We go over subtle complications of quantum chemical research that tend to be overlooked in discussions involving quantum computers. We estimate quantum computer resources that will be required for performing calculations on quantum computers with chemical accuracy for several types of molecules. In particular, we directly compare the resources and timings associated with classical and quantum computers for the molecules H$_2$ for increasing basis set sizes, and Cr$_2$ for a variety of complete active spaces (CAS) within the scope of the CASCI and CASSCF methods. The results obtained for the chromium dimer enable us to estimate the size of the active space at which computations of non-dynamic correlation on a quantum computer should take less time than analogous computations on a classical computer. Using this result, we speculate on the types of chemical applications for which the use of quantum computers would be both beneficial and relevant to industrial applications in the short term.

研究の動機と目的

• 分子量子化学における量子優位性が何を意味するかを明確にし、それが産業にとってどの程度重要かを説明する。
• 化学精度を達成するために必要な量子ハードウェア資源と実行時間を代表的な系で推定する。
• 実務的なベンチマーク（H2の基底関数集合の拡張、Cr2 CAS研究）を用いて量子と古典アプローチを比較する。
• 産業界への影響を現実的に示すための実務的ボトルネックと近期の道筋を議論する。）

提案手法

• 現在の量子化学における量子ハードウェアとアルゴリズム理論をレビューする。
• 分子問題をキュービット表現に翻訳し、キュービット数をスピン軌道と比較する。
• CASCI/CASSCFライクのベンチマーク（例：Cr2）を用いて化学精度のための量子対古典の実行時間を推定する。
• 故障許容仮定の下で古典的限界（例：CCSD(T)/CBS）と量子資源推定を明示的に比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 困難な多参照系に対して意味のある加速を得るには、量子計算機上でどの程度の活性空間（N,N）のCASが必要か。
• RQ2 どの分子問題と基底集合サイズで、量子計算機が実際に化学精度で最先端の古典手法を超えられるか。
• RQ3 産業界における近期の量子化学応用の実用性を決定する制約（ハードウェア、エラー訂正、基底集合）。
• RQ4 動的対非動的相関が化学精度の達成に必要な量子資源へどう影響するか。

主な発見

• 化学における量子優位性は速度、精度、分子サイズのいずれかで追求できるが、すべての形態が産業的に価値があるわけではない。
• 表面コード仮定の下で (N,N) 型 CAS の転換的な CAS サイズはおおよそ 19 から 34（N,N）程度で、非動的相関エネルギーに対して量子手法が古典的対応物を上回る可能性がある。
• 現行の量子ハードウェアは現実的な基底集合サイズで化学精度を達成していない。既存のキュービット数は、典型的な問題で化学精度に必要な水準には大きく及ばない。
• 明示的相関 (F12-like) 基底セットと密度適合は、従来の大規模基底セットと比べて量子資源の必要性を削減する可能性がある。
• FeMo-co および関連する多参照問題は、非常に大きな活性空間と相対論効果が近期の量子アプローチに対して重大な課題をもたらすことを示しており、量子の非動的相関と古典的動的相関手法を組み合わせたハイブリッド戦略の必要性を強調している。
• 著者らは量子シミュレーションにおける化学精度と単なる化学的精密さを区別することの重要性を強調し、報告された量子精度と真の予測可能な化学精度とのギャップを強調している。