[논문 리뷰] Ab Initio Molecular Dynamics on Quantum Computers

Dmitry A. Fedorov, Matthew Otten외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 14.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전자 에너지를 계산하기 위해 변분 양자 고유값 해법(VQE)을 사용하여 양자 컴퓨터에서 아비니티 분자역학(AIMD)을 처음으로 구현한다. 에너지 기울기 계산을 위해 상관 샘플링과 함께 Hellmann-Feynman 정리에 기반한 방법을 제안하여 측정 오버헤드를 3–5배 감소시켰으며, IBM 양자 장치에서 H2에 대한 AIMD를 구현하여 전체 구성상태 상호작용(FCI) 기준으로 더 큰 시스템에 대한 접근의 타당성을 검증한다.

ABSTRACT

Ab initio molecular dynamics (AIMD) is a valuable technique for studying molecules and materials at finite temperatures where the nuclei evolve on potential energy surfaces obtained from accurate electronic structure calculations. In this work, a quantum computer-based AIMD method is presented. The electronic energies are calculated on a quantum computer using the variational quantum eigensolver (VQE) method. We compute the energy gradients numerically using the Hellmann-Feynman theorem, finite differences, and a correlated sampling technique. Our method only requires additional classical calculations of electron integrals for each degree of freedom, without any additional computations on a quantum computer beyond the initial VQE run. To achieve comparable accuracy, our gradient calculation method requires three to five orders of magnitude fewer measurements than other brute force methods without correlated sampling. As a proof of concept, AIMD dynamics simulations are demonstrated for the H2 molecule on IBM quantum devices. To the best of our knowledge, it is the first successful attempt to run AIMD on quantum devices for a chemical system. In addition, we demonstrate the validity of the method for larger molecules using full configuration interaction (FCI) wave functions. As quantum hardware and noise mitigation techniques continue to improve, the method can be utilized for studying larger molecular and material systems.

연구 동기 및 목표

• 근접한 양자 컴퓨터에서 정확한 유한온도 동역학을 위한 아비니티 분자역학(AIMD) 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 양자 기반 AIMD에서 에너지 기울기 계산의 높은 측정 비용 문제를 해결하여 양자 자원 사용을 최소화하기 위해.
• 초기 VQE 에너지 평가 이후 반복적인 양자 회로 실행을 피할 수 있는 고전적으로 효율적인 기울기 방법을 개발하기 위해.
• 실제 양자 하드웨어에서 H2를 사용하여 방법을 검증하고, 전체 구성상태 상호작용(FCI) 파동함수를 통해 더 큰 시스템으로의 적용 가능성을 확장하기 위해.

제안 방법

• 전자 구조 에너지는 양자 프로세서에서 변분 양자 고유값 해법(VQE)을 사용하여 계산된다.
• 에너지 기울기는 Hellmann-Feynman 정리와 상관 샘플링 기법을 조합하여 양자 회로 반복 횟수를 최소화한다.
• 각 핵도 자유도에 대한 전자 적분의 고전적 계산을 통해 기울기 평가를 수행하며, 추가적인 양자 측정 없이도 기울기를 산출할 수 있다.
• 상관 샘플링 방법은 표준 유한차분 접근 방식 대비 필요로 하는 양자 측정 수를 3–5배 감소시킨다.
• H2에 대해 IBM 양자 장치에 방법을 구현하였으며, 노이즈 완화 기법을 사용하여 정밀도를 향상시켰다.
• 정확도 검증을 위해 더 큰 분자에 대한 확장을 위해 전체 구성상태 상호작용(FCI) 파동함수를 사용하여 방법을 확장하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VQE를 사용한 전자 구조 계산을 통해 근접한 양자 컴퓨터에서 아비니티 분자역학(AIMD)을 구현할 수 있는가?
• RQ2 각 핵좌표에 대해 비용이 많이 드는 VQE 실행을 반복하지 않고도 양자 컴퓨터에서 에너지 기울기를 효율적으로 계산할 수 있는가?
• RQ3 표준적인 유한차분 대비 상관 샘플링을 통한 기울기 추정에서 측정 오버헤드를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 현재의 노이즈 수준에서 실질적인 양자 하드웨어에서 이 방법을 성공적으로 실행할 수 있는가?
• RQ5 FCI 기준으로 정확도를 검증하고 더 큰 분자 시스템으로의 확장 가능성을 어느 정도까지 입증할 수 있는가?

주요 결과

• IBM 양자 장치를 사용하여 H2 분자에서 양자 컴퓨터에서의 아비니티 분자역학(AIMD) 시뮬레이션을 처음으로 성공적으로 구현하였다.
• 상관 샘플링 기울기 방법은 표준 유한차분 접근 방식 대비 필요로 하는 양자 측정 수를 3–5배 감소시켰다.
• 단 한 번의 VQE 에너지 계산 이후에 고전적 전자 적분 평가만으로도 기울기를 계산하여 양자 자원 사용을 최소화하였다.
• 노이즈가 있는 중간 규모 양자(NISQ) 하드웨어에서 동역학 시뮬레이션에 충분한 정확도를 확보하여 실제 시스템에 대한 실현 가능성을 입증하였다.
• 전체 구성상태 상호작용(FCI) 파동함수를 사용한 검증을 통해 방법의 정확도와 더 큰 분자에 대한 확장 가능성 잠재력을 확인하였다.
• 이 방법은 확장 가능하며, 향후 양자 하드웨어와 오류 완화 기술 향상에 따라 더 큰 분자 및 물질 시스템에서의 AIMD 시뮬레이션을 가능하게 할 것이다.