大阪城市大学
基于贝叶斯相位估计的全置信区间与基于贝叶斯相位差估计的全置信区间量子电路的比较
学分:大阪市立大学 大阪市立大学科学研究生院的一个研究团队在继续努力改进之前的工作，应用其最近开发的贝叶斯相位差估计量子算法来执行原子和分子的全构型相互作用(full-CI)计算，而无需模拟以辅助量子位为条件的波函数的时间演化
在量子计算中量子门的并行执行方面，这种新算法优于传统方法，有望在实际量子计算机中更容易实现
大阪市立大学科学研究生院的研究人员继续改进他们最近开发的量子算法，这次是通过应用它来计算H2分子的势能曲线，而不需要受控的时间演化
通过在他们之前开发的贝叶斯相位差估计(BPDE)量子算法中加入受控状态准备步骤，该团队计算了零电子的“真空”波函数和所需电子状态的波函数的叠加，绕过了以辅助量子比特为条件模拟波函数时间演化的需要
这解决了传统量子算法共有的一个问题，即量子门的并行处理和两个非相邻量子位之间的大量量子门——证明了自己是一种可在量子计算机上执行的量子算法，可以执行原子和分子的全配置相互作用(全CI)计算
请注意，全CI计算能够给出微观系统的Schrödinger方程的最优解，但对于具有经典计算机的大规模系统来说并不困难，因为所需计算时间呈指数级增长
他们的研究发表在《物理化学快报》杂志上，作为一篇开放获取的文章
在精确求解Schrödinger方程以显示原子或分子电子状态的竞赛中，带来了科学研究和材料开发的范式转变，科学家们转向量子计算机以多项式时间进行化学计算
量子相位估计(QPE)算法在给出小分子波函数的全置信区间计算中已经成为众所周知的强有力的工具，并且已经进行了各种尝试来使基于QPE的方法考虑相对于所研究的系统尺寸指数累积的计算成本
“基于QPE的方法模拟了辅助量子位上波函数的时间演化，这需要许多受控的量子门，这些门的存在也阻碍了这些门的并行执行和量子电路的压缩，”该论文的主要作者、特别任命的讲师菅义伟说
“在这项研究中，我们应用了贝叶斯相位差估计(BPDE)算法来执行全置信区间计算，该算法是QPE算法的改进，能够绕过受控时间演化操作的需要
我们强调，我们的方法引用多电子系统的能量计算作为多电子电离系统的对应物
" “只有当第一个量子比特处于|1⟩状态时，波函数才会演化出来，这使得量子门很难并行化，”研究顾问佐藤一夫教授说
“重写量子逻辑电路，以便无论第一个量子比特是处于|0⟩态还是1⟩态，都可以应用时间演化算符，这将允许量子门的简单并行处理，并增加在实际量子计算机中实现该算法的可能性
" 为了做到这一点，研究小组引入了一种受控态准备，它构建了零电子的“真空”波函数| vac⟩和目标电子态的波函数|ψ⟩的量子叠加
“换句话说，我们计算了一个原子或分子的全CI能量作为它的电离能，”荣誉退休教授Takeji Takui解释道，其逻辑电路如下(|0⟩|vac⟩+|1⟩|ψ⟩)⁄√2
该团队通过计算H2分子四个价电子态的势能曲线，举例说明了他们基于BPDE的全CI方法的效率
“数值模拟显示，基于BPDE的方法重现了所有电子态误差在3千卡·摩尔-1以内的全CI能量，”教授继续说道
他也是这项研究的顾问
重要的是，不受时间演化控制使得量子门的并行化和在真实量子设备上的实现变得更加容易，这让该团队希望他们的贝叶斯相位差估计算法为更实用的全CI计算铺平了道路，并成为精确量子化学的代名词
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