[论文解读] Quantum Computing Resource Estimate of Molecular Energy Simulation

James Whitfield, Jacob Biamonte+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2010

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 45被引用 5

一句话总结

本文提出了一种详细的量子算法，用于使用量子计算机模拟分子能量，利用相位估计算法从通过分子积分编码的哈密顿量中提取基态能量。该文为氢分子提供了完整的电路级实现，展示了量子模拟在量子化学问题中的可行性。

ABSTRACT

Over the last century, ingenious physical and mathematical insights paired with rapidly advancing technology have allowed the field of quantum chemistry to advance dramatically. However, efficient methods for the exact simulation of quantum systems on classical computers do not exist. The present paper reports an extension of one of the authors’ previous work [Aspuru-Guzik et al., Science 309 p. 1704, (2005)] where it was shown that the chemical Hamiltonian can be efficiently simulated using a quantum computer. In particular, we report in detail how a set of molecular integrals can be used to create a quantum circuit that allows the energy of a molecular system with fixed nuclear geometry to be extracted using the phase estimation algorithm proposed by Abrams and Lloyd [Phys. Rev. Lett. 83 p. 5165, (1999)]. We extend several known results related to this idea and present numerical examples of the state preparation procedure required in the algorithm. With future quantum devices in mind, we provide a complete example using the Hydrogen molecule, of how a chemical Hamiltonian can be simulated using a quantum computer. Some of the results we present here represent an extension of our recent collaboration appearing in B. P. Lanyon et al. [Nature Chem., advance online publication, doi: 10.1038/nchem.483 (2010)].

研究动机与目标

• 扩展先前工作，证明量子计算机能够高效模拟量子化学问题。
• 提供一种详细、端到端的量子电路实现，用于使用相位估计算法模拟分子能量。
• 展示在固定核几何构型下模拟分子体系所需的态制备过程。
• 以氢分子作为测试案例，提供完整的示例，用于量子哈密顿量模拟。
• 弥合理论量子算法与化学应用中实际量子设备需求之间的差距。

提出的方法

• 从一组分子积分构建化学哈密顿量，表示分子的电子结构。
• 使用适合量子模拟的量子比特映射技术，将哈密顿量编码到量子电路中。
• 应用相位估计算法，估算分子体系的基态能量。
• 通过变分方法或精确态制备方法执行态制备，并提供数值示例。
• 在量子电路模型中实现该算法，报告氢分子的门数和资源估算。
• 通过在固定几何构型下对H2的量子电路进行数值模拟，验证该方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何高效地将分子哈密顿量编码到用于能量模拟的量子电路中？
• RQ2 模拟分子基态能量所需的量子资源（如量子比特和量子门）有哪些？
• RQ3 在分子的量子模拟中，如何准确地制备相位估计算法的初始态？
• RQ4 对于真实分子体系（如H2）的相位估计算法，其完整的电路级实现是什么？
• RQ5 资源估算如何随分子尺寸变化而变化，这对近期量子设备具有哪些实际影响？

主要发现

• 本文提供了使用相位估计算法模拟氢分子基态能量的完整、详细的量子电路实现。
• 报告了资源估算，包括所需的量子比特数和量子门数，为未来量子硬件提供了基准。
• 数值示例证明了算法所需态制备过程的可行性。
• 该方法成功地将分子积分映射为可由量子计算机处理的量子哈密顿量。
• 结果通过提供一个具体、可执行的蓝图，扩展了先前工作，可用于分子体系的量子模拟。
• 该方法在原则上具有可扩展性，该框架可使用类似技术应用于更大分子。