[논문 리뷰] Chemically Aware Unitary Coupled Cluster with ab initio Calculations on System Model H1: A Refrigerant Chemicals Application

I. T. Khan, M. Tudorovskaya외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 26.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 화학적 인사이트를 반영한 유니터리 연산자 결합(UC) 회로 합성 방법을 제안하여, 페르미온-하드코어 보존 연산자 변환과 대칭성 필터링을 활용해 두 큐비트 게이트 수를 감소시킨다. 이로 인해 메탄 기체에서 두 큐비트 게이트 수가 90% 감소했고, 전자 에너지 계산 상대 오차는 0.2%로 유지되어 Honeywell의 System Model H1에서 정확한 양자 부분공간 확장(QSE)을 가능하게 하여 냉매 화학에서의 광스펙트럼 및 반응율 장벽 계산을 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 근접한 양자 화학 시뮬레이션에서 유니터리 연산자 결합(UCC) 회로의 높은 자원 소모 문제를 해결한다.
• 화학적 인사이트와 대칭성 필터링을 활용해 UCC 기반의 양자 회로에서 두 큐비트 게이트 수를 감소시킨다.
• 노이즈가 많은 중간 규모 양자(NISQ) 하드웨어에서 양자 부분공간 확장(QSE)을 통해 전자 자극 상태 및 반응율 장벽을 정확하게 계산할 수 있도록 한다.
• 현재의 양자 하드웨어에서 환경적으로 관련성이 있는 냉매 분자, 특히 CH₄ 및 그와 OH•의 반응을 시뮬레이션할 수 있는 가능성을 입증한다.
• 통합된 대칭성 검증과 맞춤형 상태 준비를 통해 양자 시뮬레이션의 장치 수율을 향상시키고 샘플링 오차를 감소시킨다.

제안 방법

• UCC의 공간 오비탈 전이를 하드코어 보존 연산자로 변환하여 회로 깊이를 감소시키고 두 큐비트 게이트 취소를 효율적으로 구현한다.
• Z₂ 대칭성 필터링을 사전 조건으로 적용하여 물리적으로 불가능한 전이를 제거하고 회로의 큐비트 및 게이트 수를 감소시킨다.
• 최적화된 회로 분해를 통해 두 큐비트 게이트 수를 추가로 감소시키기 위해 파울리 기구 합성 기법을 통합한다.
• 실험적 노이즈를 억제하기 위해 분할 측정 대칭성 검증(PMSV) 및 중간 회로 측정 대칭성 검증(MMSV)을 적용한다.
• 6 큐비트의 System Model H1에서 QSE를 수행하여 자극 상태 에너지와 광스펙트럼을 계산한다.
• UCC 상태 준비와 대칭성 검증을 결합하여 에너지 및 전이 이완 모멘트 계산의 신뢰도를 향상시키고 샘플링 오차를 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 화학적으로 인지된 UCC 회로 합성 방법은 정확도를 유지하면서도 두 큐비트 게이트 수를 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 하드코어 보존 연산자 변환과 대칭성 필터링의 조합은 UCC 안사에 대한 회로 깊이 감소에 얼마나 효과적인가?
• RQ3 PMSV 및 MMSV와 같은 대칭성 검증 방법은 노이즈가 많은 양자 하드웨어에서 에너지 및 광스펙트럼 계산의 정밀도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 화학적으로 인지된 UCC 준비를 통한 QSE는 메탄의 광스펙트럼 및 CH₄ + OH• → CH₃• + H₂O 반응의 장벽을 정확하게 계산할 수 있는가?
• RQ5 현재의 NISQ 장치는 [CH₃•—H—OH]‡와 같은 전이 상태에서의 동적 상관관계를 얼마나 잘 포착할 수 있는가?

주요 결과

• System Model H1에서 화학적으로 인지된 UCC 회로 합성 방법을 사용해 메탄(CH₄)의 두 큐비트 게이트 수가 90% 감소했다.
• CH₄의 전자 에너지 계산 상대 오차는 0.2%로 감소하여 근접한 하드웨어에서 높은 정밀도를 입증했다.
• QSE를 통해 광스펙트럼이 성공적으로 계산되었으며, 정확도는 사전 QSE 에너지 계산의 정밀도에 의존했다.
• 강한 동적 상관관계로 인해 전이 상태 [CH₃•—H—OH]‡는 도전적이었고, 현재 가능성이 없는 더 많은 오비탈이 필요했다.
• 분자의 비대칭성으로 인해 게이트 수 감소가 제한되었지만, 약간의 두 큐비트 게이트 수 감소가 관찰되었으며, 이는 페르미온 ADAPT-VQE가 이 시스템에서 본 방법을 뛰어넘었다.
• 본 연구는 화학적으로 인지된 UCC 합성에서 대칭성 허용 전이를 사전 필터링하기 위해 ADAPT-VQE의 추가 탐색이 필요하다는 점을 시사한다.