量子计算机上电池材料的X射线吸收光谱快速模拟

X射线吸收光谱(XAS)是解析锂富集阴极等先进电池材料结构变化的前沿技术。然而从实验光谱中提取氧化态等关键信息需要昂贵且耗时的模拟计算。基于近期利用量子计算机模拟XAS的提案,该研究团队提出了一种针对X射线吸收的时域算法高度优化方案。在对哈密顿量表征、电路实现和测量策略的多项改进中,三个优化点尤为关键:首先采用具有压缩双因子化形式的哈密顿量乘积公式;其次提出在光谱应用中,只需控制乘积公式所实现的(近似)哈密顿量特征值误差,而无需约束完整时间演化算子的泛型误差。通过微扰理论估算特征值误差,研究人员发现所需Trotter步骤数远少于时间演化误差界的理论预期;第三是设计了一种利用洛伦兹核指数衰减特性的优化采样分布方案。 经恒定因子资源估算表明,对于具有18个空间轨道和22个活性空间电子的Li4Mn2O团簇模型系统,仅需100个逻辑量子比特且单电路T门数量少于4×10^8即可完成模拟。该算法已在模拟器上实现,重建光谱与经典计算参照结果相符。这种低成本算法在容错量子设备上的应用,将加速高容量电池阴极的研发与商业化进程。

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