Development of quantum algorithms for quantum chemical calculations by utilizing spin symmetries

利用自旋对称性开发量子化学计算的量子算法

基本信息

批准号：
21K03407
负责人：
杉崎研司
金额：
$ 2万
依托单位：
Osaka Metropolitan University (2022)Osaka City University (2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

量子化学計算は量子コンピュータの近い将来の計算ターゲットとして注目を集めているが、分子の物性や化学反応性などはスピン状態に依存するため、量子化学計算を実際の化学研究に役立てるためには正しいスピン状態について量子化学計算を実行することが必須である。また、量子位相推定アルゴリズムに基づく量子化学計算では、求めたい電子状態の波動関数と大きな重なりを持つ、良い近似波動関数を準備する必要がある。断熱量子アルゴリズムの一種である断熱状態生成法（ASP法）は、時間依存ハミルトニアンのもとでの波動関数の時間発展を用いて、平均場近似であるハートリー・フォック（HF）波動関数から電子相関の効果を取り込んだ波動関数を生成する手法であるが、ASP法は特に分子内に不対電子を含むような多スピン系への応用が難しいという問題を抱えていた。そこで、ASP法において、敢えてスピン対称性が破壊されたbroken-symmetry（BS）波動関数からスタートし、スピン二乗演算子をペナルティ項として時間依存ハミルトニアンに追加することで、電子相関の効果を含む多スピン系の波動関数を通常のASP法よりも高速に準備できる手法を開発した。本手法は特に共有結合が切れた分子構造など、HF波動関数が良い近似とならない系において非常に効力を発揮する。ASP法の出発波動関数としてHF波動関数とBS波動関数のどちらを選択すればよいかを、開殻電子構造の寄与の指標であるジラジカル因子を用いて決定する手法も提案した。このほか、任意の電子状態間のエネルギー差を直接計算することができる一般的な量子アルゴリズムである量子位相差推定アルゴリズムの全エネルギー計算、エネルギー核座標微分計算、相対論的量子化学計算への応用も行うとともに、GPUを用いた量子回路数値シミュレーション高速化についても報告した。

量子化学计算在不久的将来吸引了量子计算机的计算目标，但是由于分子的物理性质和化学性质取决于旋转状态，以便在实际的化学研究中使用量子化学计算，因此对正确的旋转状态进行量子化学计算至关重要。此外，在基于量子相估计算法的量子化学计算中，有必要准备良好的近似波函数，该波函数与要确定的电子状态的波函数具有很大的重叠。绝热状态生成方法（ASP）是一种绝热的量子算法，是一种使用在时间依赖的哈密顿量下的波功能的时间演变来产生波功能，该波功能函数结合了电子相关性的效果，从Hartley-fok（HF）波函数中尤其是一种问题，但要与均无方面的近似方法相关，但是一种问题。系统，分子中包含未配对的电子。因此，在ASP方法中，我们从故意破坏的旋转对称性的断裂对称性（BS）波函数开始，并将旋转方形算子添加到时间依赖性的Hamiltonian作为惩罚术语中，以开发一种方法，该方法允许更快地制备多旋转波功能，包括比本体ASP方法的电子相关效应。在HF波函数无法提供良好近似的系统中，该方法特别有效，例如分子结构，即共价键被损坏。我们还提出了一种方法，用于确定是否使用Diradical因子在HF和BS波函数之间作为ASP方法的起始波函数进行选择，这是开放式电子结构的贡献的指标。此外，我们还应用了量子相差估计算法，这是一种可以直接计算任意电子状态之间的能量差的通用量子算法，用于总能量，差异能量坐标和相对论量子化学计算，以及使用GPUS使用GPUS加速量子量子电路模拟。

项目成果

期刊论文数量（39）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

量子化学計算の高効率量子アルゴリズムの開発

开发用于量子化学计算的高效量子算法

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
杉崎研司;V. S. Prasannaa;大島聡史;片桐孝洋;望月祐志;B. K. Sahoo;B. P. Das;杉崎研司
通讯作者：
杉崎研司

Molecular Optimization for Nuclear Spin State Control via a Single Electron Spin Qubit by Optimal Microwave Pulses: Quantum Control of Molecular Spin Qubits

通过最佳微波脉冲通过单电子自旋量子位控制核自旋状态的分子优化：分子自旋量子位的量子控制

DOI：
10.1007/s00723-021-01392-5
发表时间：
2022
期刊：
Applied Magnetic Resonance
影响因子：
1
作者：
Shibata Taiki;Yamamoto Satoru;Nakazawa Shigeaki;Lapasar Elham Hosseini;Sugisaki Kenji;Maruyama Koji;Toyota Kazuo;Shiomi Daisuke;Sato Kazunobu;Takui Takeji
通讯作者：
Takui Takeji

エネルギー微分を直接計算し分子構造最適化を実現

通过直接计算能量差来实现分子结构优化。