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。

量子化学计算作为近期量子计算机的计算目标而受到关注，但由于分子的物理性质和化学反应性取决于其自旋状态，因此很难使量子化学计算对实际化学研究有用。对自旋态进行量子化学计算至关重要。此外，在基于量子相位估计算法的量子化学计算中，需要准备与所需电子态的波函数有较大重叠的良好近似波函数。绝热态生成方法（ASP 方法）是绝热量子算法的一种，它利用波函数在依赖于时间的哈密顿量下的时间演化，从 Hartree-Fock (HF) 波函数中生成电子，该波函数是尽管该方法生成考虑相关效应的波函数，但 ASP 方法存在难以应用的问题，特别是对于分子中包含不成对电子的多自旋系统。因此，在ASP方法中，我们有意从自旋对称性被破坏的对称破缺（BS）波函数开始，并添加自旋平方算子作为与时间相关的哈密顿量的惩罚项。该方法可以比通常的 ASP 方法更快地制备基于自旋的波函数。该方法在 HF 波函数不能提供良好近似值的系统中特别有效，例如共价键断裂的分子结构。我们还提出了一种使用双自由基因子来确定是选择 HF 波函数还是 BS 波函数作为 ASP 方法的起始波函数的方法，双自由基因子是开壳层电子结构贡献的指标。此外，量子相位差估计算法是一种通用的量子算法，可以直接计算任意电子态之间的能量差，应用于总能量计算、能量核坐标微分计算和相对论量子化学计算。使用 GPU 加速量子电路数值模拟。

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）

Synthesis and Isolation of a Kekul? Hydrocarbon with a Triplet Ground State

Kekul 的合成和分离？

DOI：
10.1002/anie.202205729
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Shimizu Akihiro;Morikoshi Tetsuya;Sugisaki Kenji;Shiomi Daisuke;Sato Kazunobu;Takui Takeji;Shintani Ryo
通讯作者：
Shintani Ryo

Protein Folding Model Using Quantum Computation

使用量子计算的蛋白质折叠模型

DOI：
10.2477/jccj.2022-0022
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
SAITO Rui;OKUWAKI Koji;MOCHIZUKI Yuji;NAGAI Ryutaro;KATO Takumi;SUGISAKI Kenji;MINATO Yuichiro
通讯作者：
MINATO Yuichiro

量子位相差推定によるエネルギー数値微分の直接計算手法開発と分子構造最適化への応用

开发利用量子相位差估计的数值能量微分直接计算方法及其在分子结构优化中的应用