[논문 리뷰] How will quantum computers provide an industrially relevant computational advantage in quantum chemistry?

Vincent E. Elfving, Benno W. Broer외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 25.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 149인용 수 65

한 줄 요약

요약: 이 논문은 양자 하드웨어와 알고리즘의 현황을 분석하고, 양자 화학에서 양자 우위가 무엇을 의미하는지 정의하며, 양자와 고전 방법을 비교하기 위한 자원 추정치(CAS 크기 등)를 제공하고, 크롬 이중원자( chromium dimer )를 핵심 벤치마크로 지목하며 FeMo-co를 근시안적 산업적 관련성에 대한 주의 사례로 논의한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 분자 양자화학에서 양자 우위의 정의와 그것이 산업계에 주는 의의를 명확히 한다.
• 화학 정확도를 달성하기 위해 필요한 양자 하드웨어 자원과 런타임을 대표 시스템에 대해 추정한다.
• 구체적 벤치마크(H2의 기저세트 확장, Cr2 CAS 연구)를 사용해 양자와 고전 접근법을 비교한다.
• 실용적 병목 현상과 산업적 영향에 대한 현실적인 근접 경로를 논의한다.

제안 방법

• 현대의 양자 하드웨어 및 양자 화학 이론 알고리즘을 검토한다.
• 분자 문제를 큐빗 표현으로 변환하고 큐빗 수를 스핀 오비탈과 비교한다.
• CASCI/CASSCF 유사 벤치마크(Cr2 등)를 사용해 화학 정확도에 대한 양자 대 고전 런타임을 추정한다.
• 고전 한계(CCSD(T)/CBS)와 양자 자원 추정치를 fault-tolerant 가정하에서 명시적으로 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도전적인 다참조(multireference) 시스템에서 의미 있는 속도 향상을 가져오는 활성 공간(N,N) CAS의 양자 컴퓨터 수준은 어느 정도인가?
• RQ2 어떤 분자 문제와 기저집합 크기에서 양자 컴퓨터가 화학 정확도 측면에서 현 최신 고전 방법보다 현실적으로 우수한가?
• RQ3 하드웨어, 오류 정정, 기저집합 등 어떤 제약이 산업 분야에서 근접 시점의 양자 화학 응용의 실용성을 좌우하는가?
• RQ4 동적(resolved)과 비동적(non-dynamic) 상관관계가 화학 정확도를 달성하는 데 필요한 양자 자원에 어떠한 영향을 미치는가?

주요 결과

• 화학에서의 양자 우위는 속도, 정확도, 또는 분자 크기에서 추구될 수 있지만 모든 형태가 산업적으로 가치 있는 것은 아니다.
• 표면 코드(surface code) 가정 하에서 (N,N) 유형의 CAS에서 약 19에서 34 사이의 전이 CAS 크기가 비동적 상관에 대한 에너지에서 양자 방법이 고전 수단을 능가할 수 있는 지점을 시사한다.
• 현 시점의 양자 하드웨어는 현실적인 기저집합 크기에 대한 화학 정확도에 도달하지 못했으며, 일반적인 문제에서 필요한 고전적 정확도에 비해 큐빗 수가 현저히 부족하다.
• Explicitly correlated(F12 유사) 기저집합과 밀도 맞춤법(density fitting)은 전통적인 큰 기저집합에 비해 양자 자원 필요를 줄일 수 있다.
• FeMo-co 및 관련 다참조 문제들은 매우 큰 활성 공간과 상대론적 효과가 근접 시점의 양자 접근에 중대한 도전을 제시하며, 양자 비동적 상관과 고전적 동적 상관 메서드를 결합한 하이브리드 전략의 필요성을 강조한다.
• 저자들은 양자 시뮬레이션에서 화학 정확도와 단순한 화학적 정밀도 간의 구분을 강조하고, 보고된 양자 정밀도와 실제 예측 화학 정확도 간의 차이를 강조한다.