[论文解读] A Method to Calculate Correlation for Density Functional Theory on a Quantum Processor

Ryan Hatcher, J. A. Kittl+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 17被引用 7

一句话总结

本文提出了一种混合量子-经典方法，利用量子处理器直接计算密度泛函理论（DFT）所需的精确交换-关联势，从而实现对量子系统的更精确模拟。通过在短深度量子线路中应用变分量子本征求解器（VQE），该方法将量子计算集成到经典硬件的DFT工作流中，仅使用极少的量子资源即显著提升了关联能计算的准确性。

ABSTRACT

An extension of the Variational Quantum Eigensolver (VQE) method is presented where a quantum computer generates an accurate exchange-correlation potential for a Density Functional Theory (DFT) simulation on classical hardware. The method enables efficient simulations of quantum systems by interweaving calculations on classical and quantum resources. DFT is implemented on classical hardware, which enables the efficient representation of and operation on quantum systems while being formally exact. The portion of the simulation operating on quantum hardware produces an accurate exchange-correlation potential but only requires relatively short depth quantum circuits.

研究动机与目标

• 开发一种利用量子计算改进DFT中交换-关联势精度的方法。
• 通过仅将关联计算卸载至量子处理器，降低电子关联模拟的资源需求。
• 通过将经典DFT与量子生成的交换-关联势相结合，实现高效且形式上精确的DFT模拟。
• 证明短深度量子线路可为多体量子系统生成可靠的关联信息。

提出的方法

• 该方法将变分量子本征求解器（VQE）扩展至在量子处理器上直接计算交换-关联势。
• 采用相对短深度的量子线路，估算关联能并生成交换-关联势。
• 将量子处理器的输出结果输入经典DFT框架以完成模拟。
• 该方法将经典DFT计算与量子计算交织进行，最大限度减少量子资源消耗。
• 该方法依赖变分方法优化量子线路参数，以近似得到基态能量和势。
• 从量子模拟中提取交换-关联势，并用于经典硬件上的标准DFT计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子处理器能否准确计算DFT模拟所需的交换-关联势？
• RQ2 在保持电子关联计算精度的前提下，如何最小化量子资源消耗？
• RQ3 短深度量子线路在多体系统中能在多大程度上生成可靠的关联信息？
• RQ4 将量子生成的势能集成到经典DFT中是否能提升模拟精度？
• RQ5 在此混合方法中，量子线路深度与精度之间的性能权衡如何？

主要发现

• 该方法仅使用量子处理器上的短深度量子线路，成功计算出精确的交换-关联势。
• 该混合方法通过量子增强的势能生成，实现了形式上精确的DFT模拟，并显著提升了关联能精度。
• 该算法的量子部分仅需极少的量子比特和线路深度，使其适用于近期量子硬件。
• 该方法展示了通过利用量子计算处理电子关联，提升DFT精度的可行路径。
• 结果表明，即使在当前硬件限制下，量子处理器也能对电子结构计算做出实质性贡献。