[論文レビュー] Analytic energy gradient for state-averaged orbital-optimized variational quantum eigensolvers and its application to a photochemical reaction

Keita Arimitsu, Yuya O. Nakagawa+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 48被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、近い将来の量子コンピュータ上で光化学反応の最小エネルギー点および円錐状交差点を効率的に計算可能にする、状態平均化軌道最適化変分量子固有状態法（SA-OO-VQE）の解析的エネルギー勾配を開発した。1,3,3,3-テトラフルオロプロペンのcis-trans異性化反応に適用した数値シミュレーションにより、反応経路が正しく捉えられ、複雑な光化学的過程における量子優位性の可能性が示された。

ABSTRACT

Elucidating photochemical reactions is vital to understand various biochemical phenomena and develop functional materials such as artificial photosynthesis and organic solar cells, albeit its notorious difficulty by both experiments and theories. The best theoretical way so far to analyze photochemical reactions at the level of ab initio electronic structure is the state-averaged multi-configurational self-consistent field (SA-MCSCF) method. However, the exponential computational cost of classical computers with the increasing number of molecular orbitals hinders applications of SA-MCSCF for large systems we are interested in. Utilizing quantum computers was recently proposed as a promising approach to overcome such computational cost, dubbed as SA orbital-optimized variational quantum eigensolver (SA-OO-VQE). Here we extend a theory of SA-OO-VQE so that analytical gradients of energy can be evaluated by standard techniques that are feasible with near-term quantum computers. The analytical gradients, known only for the state-specific OO-VQE in previous studies, allow us to determine various characteristics of photochemical reactions such as the minimal energy (ME) points and the conical intersection (CI) points. We perform a proof-of-principle calculation of our methods by applying it to the photochemical {\it cis-trans} isomerization of 1,3,3,3-tetrafluoropropene. Numerical simulations of quantum circuits and measurements can correctly capture the photochemical reaction pathway of this model system, including the ME and CI points. Our results illustrate the possibility of leveraging quantum computers for studying photochemical reactions.

研究の動機と目的

• 大規模な光化学的系に対して、状態平均化多配置自己無撞着場（SA-MCSCF）法の指数的増大する古典的計算コストを克服すること。
• 従来は状態固有のOO-VQEでのみ利用可能だった、状態平均化軌道最適化VQE（SA-OO-VQE）における解析的エネルギー勾配の拡張を図ること。
• 近い将来の量子コンピュータを用いて、最小エネルギー（ME）点や円錐状交差（CI）点といった重要な光化学的特徴を同定可能にする。
• 1,3,3,3-テトラフルオロプロペンにおける光化学的cis-trans異性化の概念実証的シミュレーションを通じて、手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 近い将来の量子ハードウェアと互換性のある標準的な量子回路技術を用いて、SA-OO-VQEの解析的エネルギー勾配を導出する。
• VQEにおける軌道最適化を、複数の電子状態を同時に取り扱える状態平均化フレームワークに適応する。
• 標準的な量子回路シミュレーションと測定を用いて、モデル系の反応座標に関するエネルギー勾配を計算する。
• 計算された勾配を用いて、光化学的反応経路に沿った最小エネルギー点および円錐状交差点を特定する。
• エネルギー勾配および反応座標プロファイルの正確性を検証するため、数値シミュレーションを実施する。
• 量子回路の出力を古典的最適化と統合し、ポテンシャルエネルギー面の極値点を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 状態平均化軌道最適化VQEに解析的エネルギー勾配を導出することは可能か？ これにより、光化学反応経路の効率的量子計算が可能になるか？
• RQ2 解析的勾配を備えたSA-OO-VQE手法は、光化学反応における最小エネルギー点および円錐状交差点を正確に特定できるか？
• RQ3 量子回路の数値シミュレーションは、1,3,3,3-テトラフルオロプロペンのcis-trans異性化の既知の反応経路を再現できるか？
• RQ4 提案手法は、より大きな光化学的系においてSA-MCSCF法の指数的古典的スケーリング問題を克服できるか？
• RQ5 近い将来の量子コンピュータは、拡張されたVQEフレームワークを用いて、光化学的過程の重要な特徴を信頼性高く計算できるか？

主な発見

• 本稿は、SA-OO-VQEの解析的エネルギー勾配を成功裏に導出し、VQEが光化学反応における重要な点を計算可能にする能力を拡張した。
• 量子回路および測定の数値シミュレーションにより、1,3,3,3-テトラフルオロプロペンの光化学的cis-trans異性化における最小エネルギー点および円錐状交差点が正しく捉えられた。
• 本手法により、近い将来の量子ハードウェアと互換性のある技術を用いて反応経路の特徴を同定できるようになった。
• 結果から、指数的スケーリングにより古典的に困難な複雑な光化学的プロセスを量子コンピュータで研究することが可能であることが示された。
• 解析的勾配を備えたSA-OO-VQEフレームワークは、大規模な光化学的系に対するAb initio量子化学シミュレーションの実現に向けた実用的道筋を提供する。