高效抗噪声分子量子模拟中的广义超快编码方法

在量子计算机上模拟分子系统需要将费米子算符高效映射到量子比特算符。传统映射方法(如Jordan-Wigner或Bravyi-Kitaev变换)往往会产生高权重的泡利项,导致电路深度和测量复杂度增加。虽然已有若干局域量子比特映射方案试图解决这一挑战,但多数仅适用于Hubbard哈密顿量等结构化模型,在面对具有密集双体相互作用的实际化学体系时表现欠佳。该研究团队通过整合多项技术,构建了适用于通用分子哈密顿量的紧凑且抗噪声的费米子-量子比特映射方案。基于“广义超快编码”(GSE)框架及同类研究,该工作证明该编码在分子模拟的精度和硬件效率上均优于现有方案。改进措施包括:在哈密顿量相互作用图中进行路径优化以最小化算符权重、引入多边图结构以增强错误检测能力(无需增加电路深度)、以及通过克利福德模拟将逻辑项和稳定子直接映射至Z基矢的测量框架。将这套方法应用于(H2)2和(H2)3体系模拟时,在真实硬件噪声环境下获得了显著提升的绝对能量与关联能估计值,且通过增大编码距离可进一步提升精度。该团队还提出与方形晶格及(准)线性硬件拓扑兼容的[[2N, N, 2]]GSE变体,在IBM Kingston硬件上实现了轨道旋转均方根误差减半的效果。这些成果确立了GSE作为分子量子模拟领域极具吸引力的映射方案。

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提交arXiv: 2025-11-12 13:30

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