连接量子化学与最大割问题:哈特利-福克方法的经典性能保证与量子算法

在量子化学领域,自洽场(SCF)算法定义了一个兼具连续与离散特性的非线性优化问题。该研究团队推导出受哈特里-福克启发的SCF算法,该算法可精确表述为一系列二次无约束自旋/二进制优化问题(QUSO/QUBO)的序列。研究人员将优化问题重构为最大割图问题序列,可采用半定规划技术高效求解。该方法在每一步SCF迭代中均能提供性能保障,与优化过程的复杂度无关。通过研究氢氧根离子OH-和氮气分子N2,该工作数值验证了QUBO-SCF与MaxCut-SCF方法,其中最大研究体系包含220个量子比特(等效于自旋轨道)。结果表明,与传统SCF计算相比,QUBO-SCF和MaxCut-SCF的内部不稳定性显著降低。此外,该工作证实新型SCF算法可增强单参考方法(如组态相互作用)的性能。最后,研究人员探索了如何将量子优化算法应用于哈特里-福克方法衍生的QUSO问题,提出了四种混合量子-经典计算方法:GAS-SCF、QAOA-SCF、QA-SCF和DQI-SCF。

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