[논문 리뷰] Analog quantum simulation of non-Condon effects in molecular spectroscopy

Hamza Jnane, Nicolas P. D. Sawaya외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 11.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 61인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 비선형 조건 근사 이외의 분자의 진동-전자 스펙트럼을 선형 광학 양자 시뮬레이션 프레임워크로 제시하며, 가우시안 보존 샘플링을 통해 비-콘던 효과를 다루기 위해 제곱형으로 작은 잘림 오차를 사용한다. 비-콘던 효과를 고려한 첫 번째 및 두 번째 순서 허츠베르크-텔러 효과를 시뮬레이션하기 위해 비단위 전이 도플러 연산자를 각 편광 방향당 네 개의 독립적인 샘플링 문제로 분해하는 방법을 제안하여 나프탈렌, 페나란트렌, 벤젠에 대한 비-콘던 스펙트럼의 정확한 시뮬레이션을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In this work, we present a linear optical implementation for analog quantum simulation of molecular vibronic spectra, incorporating the non-Condon scattering operation with a quadratically small truncation error. Thus far, analog and digital quantum algorithms for achieving quantum speedup have been suggested only in the Condon regime, which refers to a transition dipole moment that is independent of nuclear coordinates. For analog quantum optical simulation beyond the Condon regime (i.e., non-Condon transitions) the resulting non-unitary scattering operations must be handled appropriately in a linear optical network. In this paper, we consider the first and second-order Herzberg-Teller expansions of the transition dipole moment operator for the non-Condon effect, for implementation on linear optical quantum hardware. We believe the method opens a new way to approximate arbitrary non-unitary operations in analog and digital quantum simulations. We report in-silico simulations of the vibronic spectra for naphthalene, phenanthrene, and benzene to support our findings.

연구 동기 및 목표

• 전이 도플러 모멘트가 좌표에 독립적이지 않은 콘던 근사 이외의 유사 양자 시뮬레이션을 확장하기 위해.
• 좌표에 따라 변하는 전이 도플러 모멘트에서 기인하는 비단위 산란 연산을 선형 광학 양자 하드웨어에서 다루는 데 도전하는 데 목적이 있다.
• 근접한 광학 장치를 사용하여 복잡한 분자의 전자 전이에 비-콘던 효과를 포함시켜 실용적인 양자 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 나프탈렌, 페나란트렌, 벤젠과 같은 실제 분자에 대해 비-콘던 조건 하에서 진동-전자 스펙트럼을 시뮬레이션할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 두 번째 차수까지 좌표에 의존하는 전이 도플러 모멘트를 모델링하기 위해 허츠베르크-텔러 전개를 사용한다.
• 비-콘던 전이 연산자를 각 편광 방향당 네 개의 독립적인 가우시안 보존 샘플링 문제의 선형 조합으로 표현한다.
• 수축 오차가 제곱형으로 작은 것을 확보하기 위해 수동 선형 광학 요소(분할기 및 위상 이동기)를 사용하여 시뮬레이션을 구현한다.
• 프 erm i의 황금 법칙 프레임워크를 사용하여 진동 상태의 포크 상태 간의 오버랩으로서 전이 확률을 계산한다.
• 프랑크-콘단 적분의 계산을 혼합 상태와 이동 연산자 형식을 사용한 양자 광학 샘플링 문제로 변환한다.
• 조화 진동자 근사에서 초기 및 최종 핵좌표를 연결하기 위해 두스킨스 변환을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비-콘던 효과가 분자의 진동-전자 전이에서 콘던 근사 이외의 유사 양자 광학으로 시뮬레이션될 수 있는가?
• RQ2 좌표에 따라 변하는 전이 도플러 모멘트에서 기인하는 비단위 산란 연산은 선형 광학 양자 시뮬레이터에서 어떻게 구현할 수 있는가?
• RQ3 유한한 모드 수와 잘림 조건을 가진 가우시안 보존 샘플링을 사용할 때 비-콘던 스펙트럼을 시뮬레이션하는 데 있어 스케일링과 정확도는 어떻게 되는가?
• RQ4 이 방법은 나프탈렌 및 벤젠과 같은 실제 다원자 분자의 진동-전자 스펙트럼을 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ5 비-콘던 효과를 시뮬레이션하는 데 필요한 샘플링 연산 수는 콘던 영역 대비 자원 비용은 어떻게 되는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 비-콘던 효과를 시뮬레이션할 때 제곱형으로 작은 잘림 오차를 달성하여 이전 방법보다 정확도를 향상시킨다.
• 비-콘던 전이 연산자가 각 편광 방향당 네 개의 독립적인 샘플링 문제로 성공적으로 분해되어 수동 선형 광학으로의 구현이 가능해졌다.
• 시뮬레이션을 통해 나프탈렌, 페나란트렌, 벤젠의 비-콘던 진동-전자 스펙트럼을 높은 정밀도로 재현하였다.
• 이 방법은 첫 번째 및 두 번째 순서 허츠베르크-텔러 기여를 시뮬레이션할 수 있으며, 이는 콘던 경우보다 3~7배 더 많은 프랑크-콘단 적분이 필요하다.
• 이 프레임워크는 근접한 광학 양자 장치와 호환되어 분자의 스펙트럼 분석에서 양자 우위로 이어지는 길을 열어준다.
• 이 접근법은 유사 및 디지털 양자 시뮬레이션에서 임의의 비단위 연산을 근사화하는 일반적인 전략을 제공한다.